新型急冷換熱器的設計與制造分析

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

1 前言

急冷換熱器是乙烯裂解裝置的關鍵設備之一，主要承擔兩個任務：其一是將800℃左右的高溫裂解氣迅速冷卻至二次反應溫度以下，減少烯烴損失；其二是盡可能多地回收裂解氣的高位熱能，產生120MPa 左右的高壓蒸汽。從制造上講，急冷換熱器設備結構緊湊，用材復雜，對單件加工、整體組裝、焊接、熱處理、換熱管預拉伸等要求苛刻。目前應用較廣泛的急冷換熱器型式主要有線性急冷換熱器和傳統式急冷換熱器[1][2]。

此次為某石化烯烴廠開發制造的新型急冷換熱器，總結之前所用國外進口設備的優缺點，采用立式管殼式結構，處理量大，可與大處理量爐管相匹配。

2 新型急冷換熱器的結構特點和主要設計參數

新型急冷換熱器為立式管殼式結構，高溫裂解氣從下部進入上部流出，裂解氣走管程，汽水混合物走殼程。為了適應高溫和高壓操作條件，新型急冷換熱器在結構設計上主要有以下特點：

①新型急冷換熱器上部和下部均采用撓性薄管板和彈性連接件，撓性薄管板和彈性連接件固有的彈性有利于吸收換熱管和筒體之間的熱膨脹差，減小熱應力，管板沿壁厚方向的溫度梯度較小，減少了管板失效的可能性[3]。

②采用內孔焊。急冷換熱器換熱管與管板的連接處是最容易損壞的部位，特別是入口管板。為了提高管板和換熱管連接的可靠性，新型急冷換熱器入口管板與換熱管的焊接采用內孔對接焊，避免發生間隙腐蝕，降低了焊接應力，降低了焊縫溫度，提高了焊縫的可靠性。換熱管與出口管板連接采用傳統角接焊加貼脹，焊接前需進行預拉伸處理。

③薄管板和管口的熱防護。為了防止高溫裂解氣將管板和管口燒壞，入口管板外表面敷有5～10mm 的耐熱合金堆焊層，對入口管板可以起到良好的保護作用。

④裂解氣的流量分配。新型急冷換熱器新增了入口流體分布器，并且設有防焦擋板，一方面可以防止高溫裂解氣中夾帶的焦粒對管板的沖刷，另一方面也可以起到使裂解氣均勻分配的作用。

表1 新型急冷換熱器主要設計參數

⑤汽水混合物入口和出口均設有導流裝置，使汽水混合物以一定速度流過管板，防止流體短路，對管板進行充分冷卻。[4]

3 新型急冷換熱器的制造工藝

3.1 主要部件制造工藝方案

概述：所有零部件都在預先準備好的專用平臺和工裝上進行制造加工，以確保后續組裝質量。

3.1.1 入口管板堆焊、加工

①粗車鍛坯，UT+MT 檢測，合格后車成堆焊本體；

②堆焊及檢查：堆焊面清理，表面檢測，預熱；在預熱溫度范圍內堆焊，要求厚度均勻，表面平滑，焊道間凹凸量≤1mm，接頭不平度≤1mm，焊接應采用短弧焊，直進焊，盡量不擺動，第一層堆焊后冷卻，打磨，PT 檢測，單層焊接厚度約2mm，層間溫度≤100℃，嚴格清渣；堆焊后立即進行消應力熱處理；熱處理后堆焊層表面PT 檢測；

③堆焊層機加工后(鉆孔前)UT 檢測；堆焊表面PT 檢測；以堆焊面為基準，數控劃窩，鉆孔，鉆孔時對堆焊層取樣進行化學成分分析；嚴格控制管孔垂直度、孔橋寬度、坡口角度、鈍邊。

3.1.2 殼程板制筒體卷制

由于該筒體內徑小、壁厚較大，為保證成型尺寸，安排溫卷溫校，主要工序為：

①嚴格控制下料長度及兩端帶頭長度；

②卷板之前鋼板表面質量準備；

③溫卷：始卷溫度≥400℃，終卷溫度≥300℃，防止錯口；

④切割帶頭，合口卷制；

⑤焊接，按焊接工藝；

⑥溫校，始卷溫度≥400℃，終卷溫度≥300℃；

⑦卷制完檢查，圓度≤3.9mm，探傷。

3.2 重點、難點工序介紹

3.2.1 急冷換熱器換熱管與管板深孔對接焊

由于結構原因及RT 檢測要求，工藝制訂了合理的焊接、探傷分組順序，每一組管頭在探傷合格之后方可進行下一組的焊接。

焊接材料選用T Union GT Cr2Mo SC氬弧焊絲，規格Φ0.8mm，符合標準AWS A5.28，并通過焊接工藝評定。

焊機采用PS406-2 型專用深孔焊焊機。焊接過程：

①設備定位，清洗坡口。

②組對換熱管與管板，外側加好保護工裝，預熱。

③焊接，每層焊完后觀察接頭內外成型情況，修磨鎢極尖(必要時更換鎢極)，調整焊槍各數據，依次焊接，焊后進行消氫處理。

④焊后PT 檢測，RT(AB 級)檢測；熱處理后PT 檢測；水壓試驗后PT 檢測。

3.2.2 急冷換熱器出口端管頭焊接及換熱管預拉伸

①清洗管板，清除坡口處銹蝕及其他雜質，打磨換熱管至露出金屬光澤。

②預劃管：每根換熱管伸出管板長度一致，且≥5mm。

③劃基準線：以管板外表面為基準，在換熱管外表面劃基準線。

④按順序對管頭加熱，預拉伸，基準線相對管板平面外移4mm 后將換熱管點固；管頭焊接，每焊完一層均要徹底清理，并檢查表面成型情況，焊后進行消氫處理。

⑤焊后PT 檢測，RT(AB 級)檢測；熱處理后PT 檢測；水壓試驗后PT 檢測。

3.2.3 設備焊后熱處理

由于本設備用材復雜，需要熱處理的主體部分材質有12Cr2Mo1、13MnNiMoR、20MnMoNb、10CrMo9-10、13CrMo4-5 等，分屬不同的鋼質母材類別。根據GB/T 30583—2014《承壓設備焊后熱處理規程》規定，同時結合國內同類相似設備制造經驗，制定焊后熱處理工藝為：保溫溫度660～680℃，保溫時間110 分鐘，升溫速度20～30℃/hr，降溫速度20～30℃/hr，400℃以下緩冷[5]。

3.2.4 收尾處理

管程氣壓合格后，請專業襯里施工人員，按圖紙及技術要求完成“入口帶叉錐體”內襯里的施工，按技術要求驗收合格。

至此完成整臺急冷換熱器的制造。然后對設備內部進行吹掃干凈，按圖樣及規范要求對殼程進行水壓試驗，對管程進行氣密試驗。

按設計圖樣要求進行設備外表面除銹處理，刷油漆，標識，包裝，充氮保護。

4 結語

新型急冷換熱器目前已開發制造成功十多臺，在某石化烯烴廠裂解爐裝置中正常運行使用，用戶反映良好。該新型急冷換熱器既可作為大容量一級急冷換熱器使用，也可作為二級急冷換熱器的第一或第二急冷換熱器使用，應用范圍廣泛，使我國的急冷換熱器技術對所有爐型實現全覆蓋。[4]