U 形管式換熱器設計與制造工藝分析

孔令寶 張士博 劉召磊(山東齊魯石化機械制造有限公司，山東 淄博 255400)

1 引言

反應產物-原料熱交換器(E-101C)是中國石化股份有限公司齊魯分公司勝利煉油廠石腦油加氫裝置爐前換熱流程節能改造項目中的重要設備，換熱器結構采用U 形管式換熱器。

1.1 設備主要參數

反應產物-原料熱交換器設計依據的規程是TSG R0004—2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》，依據的規范主要是GB 150—2011 以及GB 151—1999。主要設計參數見表1。

1.2 設備結構型式

該換熱器是典型的U 形換熱器。前端管箱與殼體結構相似，由封頭、筒體、設備法蘭以及接管組成；管束結構為U 形管束。設備凈重24.76t，總長8419mm，內徑Φ1200mm。該換熱器筒體、封頭材料為S32168+15CrMoR(H)不銹鋼-鉻鉬鋼復合板，圖紙要求名義厚度均為3+32mm。設備法蘭材料為15CrMo(H)Ⅳ級鍛件，且需要堆焊E309L+E347。管板材料為S32168 Ⅳ級鍛件，換熱管規格為Φ19×2，材質為S32168。

1.3 設備的技術特性

該換熱器的特點是操作工作溫度較高、臨氫且處于硫化氫腐蝕環境，因此對材料的化學成分和力學性能提出了較高的要求，且制造中的檢驗項目繁多，指標大多高于標準要求。該設備制造的重點主要有：材料的檢驗與驗收；封頭及筒體的成型；設備法蘭的堆焊；管板的機加工；U 形換熱管的彎制；換熱管與管板的連接。

2 材料的要求及驗收

2.1 基層材料的要求

15CrMoR(H)鋼板、15CrMo(H)鍛件材料的化學成分及力學性能除符合GB 713—2008、NB/T 47008—2010 的規定外還應符合以下規定。

冶煉方法：采用堿性電爐冶煉、真空脫氣(VCD)或堿性電爐及堿性平爐初煉、精煉爐精煉、真空脫氣等工藝生產的本質細晶粒鎮靜鋼。

交貨狀態：鋼板以正火(允許加速冷卻)+回火狀態交貨。

化學成分：應滿足表2 的要求。

力學性能：模擬焊后熱處理分為最大焊后模擬熱處理(Max.PWHT)和最小焊后模擬熱處理(Min.PWHT)兩種情況。Max.PWHT：675±10℃×9h；Min.PWHT：675±10℃×3h.

晶粒度(Max.PWHT)：晶粒度不低于5 級。

非金屬夾雜物(Max.PWHT)：鍛件中A、B、C、D 類夾雜物均不得大于1.5 級，且A+C、B+D 均不大于2.0 級，A、B、C、D 類總和不大于4.0 級。

鍛件的鍛造比應大于3.5。

鋼板逐張進行100%超聲檢測，檢測標準按JB/T 4730.3—2005,質量等級I 級。鍛件按JB/T 4730.3—2005 進行超聲檢測，由缺陷引起的底波降低量、單個缺陷和密集缺陷均為Ⅱ級為合格。不允許存在裂紋和白點。

2.2 復合板

復合板應符合NB/T 47002.1 中B1 級的規定。復合鋼板的基層和復層之間的界面應為冶金結合。用于生產復合鋼板的坯料，無論是基層還是復層均應為整張，不宜拼接。奧氏體不銹鋼復層表面應進行酸洗鈍化處理。復合板界面結合狀態的要求。復合鋼板界面結合部的超聲檢測應在熱處理及校平以后進行，且應在全面范圍內逐張進行，探頭重疊部分不得小于15%。

2.3 S32168鍛件的要求

管板用S32168 Ⅳ級鍛件應符合NB/T 47010《承壓設備用不銹鋼鍛件》的規定。且應按GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》進行晶間腐蝕傾向試驗。

2.4 S32168換熱管的要求

換熱管應符合GB 13296—2007 中高精度級冷拔管的要求，不得拼接。換熱管應逐根進行水壓試驗復驗，水壓試驗壓力為9MPa。換熱管應逐根進行渦流檢測，且應做壓扁及擴口試驗。換熱管應按GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中方法E 進行晶間腐蝕傾向試驗。換熱管訂貨應按NB/T 47019—2011《鍋爐熱交換器用管訂貨技術條件》。

3 主要制造要點

3.1 封頭

該換熱器封頭型式：EHA600，名義厚度：δ=3+22mm。按設計要求采用整板熱壓成形。封頭的沖壓是一種拉延過程，金屬材料將會產生復雜的變形，導致較大的局部減薄，為保證滿足設計要求的壁厚，投料厚度δ=3+36mm，展開尺寸為Φ1580mm。封頭熱壓成型后，為恢復母材性能，需對封頭進行正火+回火熱處理，且封頭熱成型不能替代正火熱處理。其中正火處理要適當加快冷卻速度，以細化晶粒，保證較高的沖擊韌性，滿足圖紙技術要求。加熱時有儀表曲線記錄，控制加熱爐內的P、S 含量。正火熱處理工藝：熱處理保溫溫度910～930℃，升溫速度55～170℃/h，保溫45min，降溫為環境溫度＜10℃時空冷，≥10℃時噴霧。回火熱處理工藝：熱處理保溫溫度660～680℃，升溫速度55～170℃/h，保溫80min，降溫空冷。封頭成型后，應按照有關標準和設計圖樣的要求進行外觀質量、尺寸及形狀檢查以及超聲波檢測。封頭驗證試板在模擬熱處理后，進行相應的力學性能試驗。

3.2 筒體

筒體共分3 節。筒體的制作工藝流程為：下料—刨邊—卷制—組對—焊接—單節校圓—探傷—筒體與筒體、筒體與法蘭環縫組對—焊接—探傷—開孔與接管D 類接頭焊接—D 類接頭檢測合格。

筒體質量控制要求：復層錯邊量≤1mm；棱角度≤5mm；兩端周長3990+5mm；圓度≤5mm。

殼體、封頭復合鋼板的A、B 類焊接接頭應先焊基層后焊復層。當從復層一側焊接基層時，要嚴格防止復層金屬滲入基層焊縫中。尤其是縱縫兩端部附近的復層焊縫(T 型焊縫處)必須在環向基層焊縫焊完后再焊接。復合鋼接管與設備殼體組焊時，應使接管端部與殼體復合板界面齊平，先焊接基層再焊接過渡層和復層，焊接復層時應將管端部堆焊成形。

3.3 管板

該換熱器管板材料為S32168 Ⅳ級鍛件，管板主要技術要求：管板鉆孔應從管箱側起鉆。鉆后終鉆側(出鉆)100%檢查孔橋寬度，100%孔橋寬度不得低于4.6mm；管孔應嚴格垂直于管板密封面，其垂直度允差為0.1mm,孔表面不允許存在貫通的縱向條痕。管板要求的精度比較高，厚度也比較厚，管板加工采用數控鉆床劃線鉆引孔，配合搖臂鉆孔加工。管板加工工藝流程為：車—劃線—卷制—鉆孔、倒角、攻絲—銑隔板槽。

3.4 U形管

U 形管彎制具體步驟如下：冷彎。彎管段圓度偏差不得大于1.9mm；U 形管在彎制過程中圓度已不難控制，但是由于回彈，往往彎制后的實際彎曲半徑增大，造成穿管困難，甚至無法穿管。因此，應掌握好回彈規律，嚴格控制回彈。在制作彎管模具時，應該制作的偏小一些，從而使彎制后的尺寸符合圖紙要求。

對彎管段及至少300mm 直邊段進行固溶處理，固溶溫度1050～1100℃；對彎管段及300mm 直邊段打硬度，硬度HRC 不大于22；逐根單管水壓試驗。P=9MPa，保壓時間不小于15 秒；對靠近管板中心的3 排換熱管按JB/T4730 進行100%PT，I 級合格。

4 結語

我公司嚴格按照工藝方案進行施工，成功地完成了該設備的制造。本文介紹了不銹鋼復合板-不銹鋼換熱管這一種U 形換熱器，其他相同類型設備的制造也可以參考。