中壓低溫大直徑換熱器的設(shè)計

欒金紅

（河北都邦石化工程設(shè)計有限公司，河北石家莊 050000）

1 設(shè)計條件

某化工裝置現(xiàn)有換熱器為固定管板型式，其特點(diǎn)為大直徑、中壓、工況溫差大和需要滿足高低溫要求，無論是前期選材、確定管板結(jié)構(gòu)，還是擬定制造方案，難度均較傳統(tǒng)設(shè)備更大。表1為本項(xiàng)目對大直徑換熱器所提出設(shè)計要求，表2為其運(yùn)行工況。

表1 項(xiàng)目設(shè)計要求

表2 換熱器運(yùn)行工況

2 設(shè)計要求

2.1 管板

對管板檢驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行取樣時，技術(shù)人員應(yīng)注意區(qū)分其與其他鍛件需要滿足的要求。這是因?yàn)閷馨暹M(jìn)行檢驗(yàn)的目的，主要是對鍛件中心附近區(qū)域所用材料展現(xiàn)出低溫沖擊及相關(guān)力學(xué)性能加以了解。沖擊試驗(yàn)的溫度以-70℃為宜，此外，要提前預(yù)留符合沖擊吸收能量所提出要求的余量，保證對接接頭具有理想沖擊韌性。

2.2 管程筒體

管程筒體基層鍛件應(yīng)具備符合行業(yè)規(guī)定的力學(xué)性能與化學(xué)性能，先鍛造再進(jìn)行熱處理，滿足快冷處理?xiàng)l件，對其進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的溫度以-70℃為宜。按照要求在特定位置對鍛件進(jìn)行取樣。沖擊吸收能量應(yīng)預(yù)留相應(yīng)裕量，確保對接接頭所展現(xiàn)出沖擊韌性，可最大限度滿足管程筒體、管板所提出要求。堆焊的蓋面層及過渡層厚度均應(yīng)被控制在3mm左右，待堆焊作業(yè)結(jié)束后，通過熱處理的方式，確保應(yīng)力可被盡數(shù)消除。

2.3 管程封頭

管程封頭所用復(fù)合板應(yīng)符合B1級的相關(guān)要求。在正火結(jié)束的第一時間，便進(jìn)入冷卻及回火狀態(tài)，通過超聲波檢測的方式，確保其各項(xiàng)性能均滿足Ⅱ級所提出要求。在低溫沖擊性能、化學(xué)成分以及力學(xué)性能與行業(yè)規(guī)定相符的前提下，對鋼板1/2厚度處進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。管程封頭同樣需要對沖擊吸收能量相應(yīng)裕量進(jìn)行預(yù)留。除此之外，還要注意一點(diǎn)，即復(fù)合板爆炸前后所用檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有所不同。

2.4 焊接材料

管程側(cè)安裝不銹鋼蓋面層所用焊接材料的含碳量，通常不得超過0.025%，這是因?yàn)槎押笗够鶎犹即罅课龀?，隨著面層含碳量提高，其耐腐蝕性能會有所減弱。而對含碳量嚴(yán)加控制，可最大程度保證S31603和最終面層具有大致相同的含碳量。

2.5 制造技術(shù)

對管板和換熱管進(jìn)行自動焊接，保證滲透檢測結(jié)果符合Ⅰ級要求。

經(jīng)過堆焊的管板與管程筒體、封頭和管程筒體以及封頭，通常要先經(jīng)由熱處理技術(shù)將應(yīng)力消除，再投入試運(yùn)行和正常運(yùn)行。

殼程和管程都要經(jīng)過水壓試驗(yàn)，若試驗(yàn)結(jié)果為合格，再由技術(shù)人員對殼程氦泄漏情況進(jìn)行試驗(yàn)，通常將試驗(yàn)壓力控制在0.08MPa左右，旨在對管板和換熱管連接處的密封性進(jìn)行檢驗(yàn)。此外，管程還要經(jīng)過氣密試驗(yàn)，其壓力以8MPa為宜。

無損檢測現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)所提出規(guī)定如下：

（1）管程側(cè)焊接處接頭需要經(jīng)過射線檢測，其質(zhì)量等級應(yīng)為Ⅱ級或以上，技術(shù)等級則要達(dá)到相關(guān)類別要求。

（2）管程側(cè)焊接所形成接頭應(yīng)進(jìn)行磁粉檢測，關(guān)于檢測結(jié)果的要求為“滿足Ⅰ級合格條件”。

（3）未經(jīng)過堆焊的管板和管程筒體，先對表面做磁粉檢測，待堆焊結(jié)束后，再對不銹鋼表面做滲透檢測，上述檢測均應(yīng)達(dá)到Ⅰ級合格標(biāo)準(zhǔn)。

（4）對殼程側(cè)接頭進(jìn)行射線檢測的規(guī)格應(yīng)被控制在20%，其余檢測均為100%，質(zhì)量等級一般為Ⅲ級或Ⅲ級以上。

3 確定材料

3.1 初選材料

結(jié)合管程設(shè)計條件可知，封頭及管程筒體的首選材料，均為低合金鋼與S31603堆焊的組合或低合金鋼與復(fù)合板的組合。考慮到設(shè)備需要在中壓低溫環(huán)境下運(yùn)行，因此，在確定管程筒體所用基層材料時，設(shè)計人員優(yōu)先考慮低溫用鋼，包括09MnNiDR、15MnNiDR和15MnNiNbDR，其中，后兩種材料能夠發(fā)揮出應(yīng)有作用的溫度上限是200℃，與項(xiàng)目所要求250℃不符，遂決定使用09MnNiDR。殼程介質(zhì)相對干凈，且設(shè)計溫度及設(shè)計壓力普遍較低，因此，可使用Q345R。在確定管板材料時，由于該元件運(yùn)行環(huán)境的溫度為-45℃，設(shè)計人員初步計劃使用S31603和09MnNiDR的組合。

3.2 計算參數(shù)

3.2.1 管板

管板的基層材料為09MnNiDR鍛件，在管程側(cè)做S31603堆焊處理。技術(shù)人員根據(jù)不同工況對其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算，如表3所示。

表3 不同工況下的計算結(jié)果

若工況為正常操作，可先考慮三種情況，即：僅存在管程壓力，僅存在殼程壓力，同時存在兩種壓力。隨后，再加入溫差壓力相關(guān)參數(shù)，分別計算受壓元件所承受壓力。最終結(jié)果表明，在任何情況下，元件應(yīng)力均未超過許用應(yīng)力范圍。

若工況為故障，則僅有兩種情況需要考慮。在計算環(huán)節(jié)，設(shè)計人員應(yīng)對此引起重視，若計算所用軟件為SW6且忽略了這一要求，極易出現(xiàn)對壓力危險進(jìn)行計算的情況，最終結(jié)論往往無法準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。

3.2.2 管程筒體

在對管程筒體進(jìn)行初步設(shè)計時，設(shè)計人員計劃使用復(fù)合板，但計算所得名義厚度遠(yuǎn)超規(guī)定厚度，不具備實(shí)施條件。隨后，計劃人員選擇用ASME對復(fù)合板進(jìn)行替代，結(jié)合該材料相關(guān)性能可知，可在低溫工況下使用的材料規(guī)格為SA-516Gr.60、SA-203.F。通過計算可知，上述材料的管程厚度均十分接近使用上限，在沒有專家提供指導(dǎo)的前提下，不應(yīng)自行對其加以使用。

綜合考慮多方因素后，設(shè)計人員將最終方案確定如下：管程筒體基層材料選用09MnNiDR，計算結(jié)果表明，該鍛件名義厚度約為115mm，考慮到管程筒體厚度與設(shè)備運(yùn)行間的密切關(guān)聯(lián)，最終將其厚度設(shè)定為118mm。

3.2.3 殼程筒體

該元件所用材料為Q345R，基于整體強(qiáng)度展開計算可知，其名義厚度應(yīng)為12mm，設(shè)計人員參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)將最小厚度設(shè)定為20mm，隨后，考慮到筒體剛性是決定設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的主要因素，將最終厚度確定為25mm。

3.2.4 管程封頭

由于管程壓力設(shè)定為8MPa，溫度設(shè)定為250℃，設(shè)計人員出于對封頭厚度加以控制的考慮，遂決定對半球復(fù)合板材料加以運(yùn)用，其中，基層材料為09MnNiDR，而覆層材料選擇S31603。通過計算可知，其名義厚度為66mm+4mm，且確定基層厚度時，已將爆炸導(dǎo)致復(fù)合板減薄、鋼板所存在負(fù)偏差等情況考慮在內(nèi)，與設(shè)計要求相符。

3.3 確定材料

設(shè)計人員結(jié)合初選和計算結(jié)果，對換熱器受壓元件所用材料加以確定，最終結(jié)果如下：

管板使用Ⅳ級鍛件，整體厚度為200mm，高度為320mm，內(nèi)部堆焊厚度為6mm。管板周圈設(shè)有凸肩，其中，管程凸肩厚度設(shè)定為125mm，而殼程凸肩厚度以60mm為宜。

管程筒體使用Ⅳ級鍛件，其厚度為118mm，內(nèi)徑為4 000mm，而鍛后堆焊的厚度需要控制在6mm左右。

殼程筒體連接凸肩的部分，優(yōu)先使用Q345R材料，厚度60mm，短節(jié)長度為750mm，剩余筒體使用相同材料，但整體厚度調(diào)整為25mm。

管程封頭所使用復(fù)合板的厚度為70mm，其中，09MnNiDR的厚度為66mm，S31603的厚度為4mm。

4 設(shè)計方案

4.1 整體鍛造

該方法強(qiáng)調(diào)先整體進(jìn)行鍛造，再做猝火及回火處理。其優(yōu)勢在于技術(shù)人員無須對焊接變形問題加以考慮，且鍛件低溫沖擊性能、接頭處的機(jī)械性能均不會受到影響。但要考慮鍛機(jī)噸位和鋼錠噸位，由于公稱厚度遠(yuǎn)超現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)所劃定范圍，因此，有一定概率出現(xiàn)熱處理無法淬透的情況，不僅鍛件性能會被影響，其芯部所展現(xiàn)出低溫沖擊等力學(xué)性能，同樣存在無法滿足設(shè)備要求的可能。

4.2 組合鍛造

將管板拆分成中間餅形鍛件和周圈環(huán)形鍛件兩部分，先對二者進(jìn)行淬火及回火處理，再進(jìn)行組焊，通過熱處理的方式使應(yīng)力得到消除。組合鍛造的優(yōu)勢是能夠通過分塊鍛造的方式，確保鍛件達(dá)到設(shè)備對低溫沖擊韌性及其他機(jī)械性能所提出要求，為整體質(zhì)量提供保證。但在焊接質(zhì)量方面，組合鍛造所提出要求較整體鍛造更高，技術(shù)人員往往難以做到精確控制焊接變形，進(jìn)而使熱影響區(qū)、焊接接頭處的性能受到影響。另外，由于焊接區(qū)域和高應(yīng)力區(qū)重合，這也在無形中加大了應(yīng)力給管板及設(shè)備所帶來影響，應(yīng)當(dāng)引起重視。

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計換熱器的特點(diǎn)為大直徑、高管程壓力，其運(yùn)行工況為高低溫并存，且殼程及管程均有出現(xiàn)故障的可能，在設(shè)計和制造階段，通常要對多方因素加以考慮，確保最終選用材料兼具理想的強(qiáng)度與低溫沖擊韌性。由于管板有較厚的厚度和較大的直徑，因此，設(shè)計人員既要對制造成本加以考慮，還要對設(shè)備所展現(xiàn)出機(jī)械性能和項(xiàng)目要求的契合度加以考慮，只有這樣才能最大程度保證所設(shè)計設(shè)備具有推廣價值。