Incoloy 825高壓空冷器管束監理

石留幫* 王常青 劉真云

（南京三方化工設備監理有限公司）

0 前言

在蠟油加氫裂化裝置中應用一種高效換熱設備——Incoloy 825高壓空冷器，其設計壓力大于10 MPa，應用工況苛刻，具有耐高溫、耐腐蝕、高效、節水、節能等優點。管箱、換熱管采用Incoloy 825材料，該材料具有良好的物理性能及化學性能，解決了管頭腐蝕泄漏問題。但其制造過程存在較高的難度[1]。本文就此類設備的制造質量控制進行了介紹，并提出相應觀點。本文所述空冷器均指絲堵式管箱結構空冷器。

1 空冷器管束的結構

管束是空冷器是空冷器的主體，由G型翅片管和絲堵式端部管箱構成，絲堵形式采用雙堵頭，因高溫工況下將其設計為分解式管箱，一臺管束有4個管箱，前后各2個，分三程，前后各一個管箱，帶進出口接管的管箱是固定管箱，另兩個為滑動管箱。固定管箱與外管法蘭連接，管束采用傾斜布置，方向由流向決定。空冷器管束主要技術參數如表1所示。

表1 空冷器管束主要技術參數

2 生產過程中的質量控制

2.1 原材料入庫驗收控制

主要受壓的管箱鋼板、鍛件、基管、焊材等材料的產品質量證明書應詳細說明化學成分、力學性能、彎曲、硬度及晶間腐蝕試驗結果。所有鋼板、鍛件、基管、焊材入廠時均應按照ASTM A262 C方法復驗材料的晶間腐蝕情況，5個周期的腐蝕速率平均值≤0.075 mm/月，換熱管按批進行復驗了化學成分，力學性能。

該設備應用的是日本神鋼生產的換熱管。換熱管基管入庫時應加強對尺寸精度的控制，如基管直徑、橢圓度、壁厚偏差、彎曲度等，這些都是影響翅片管繞制能否順利進行和繞制質量的關鍵特性。

2.2 翅片管質量控制

翅片材料為鋁，型式為G型。

刀頭磨損、機器正常運轉、工人操作經驗都是影響翅片管質量的重要因素，工人在進行繞片操作時靠聽異響、觀異常、測尺寸這些經驗性操作及時采取緊急停機措施，從而保證繞管質量。繞管后，第一根成型的翅片管應全面檢查其外觀尺寸和拉脫力。

典型的翅片成形后缺陷包括翅片倒塌、翅片周向彎折、翅片外徑偏差超差、翅片與基管結合不牢及翅片間距大小不均勻等。輕微倒塌是在振動和磕碰中造成，在扶正后且無爛邊時該缺陷可以接受。翅片周向折彎、翅片外徑偏差超差主要是刀具磨損和基管局部橢圓或彎曲造成的，該類缺陷沿管道軸線超過一定長度，需報廢處理，實際原因與翅片管傳熱效果及其均勻性相關，可考慮進行熱工試驗來進一步驗證。在翅片管端部未翅化區的控制上，制造方并未對未翅化區遺留的刻槽進行相應的質量控制。翅片拉脫力試驗部位應選取可遵循圓盤刀具的磨損周期規律并結合翅片成型狀況來確定。翅片間距大小不均勻在繞片機開停時不能避免，繞片機開機時加速和停機時降速時間越短越好。監理過程中應重點關注批量產出翅片管中第一根的全面檢驗。

2.3 管箱制造過程及質量控制

2.3.1 管箱組裝

空冷器的管箱為矩形絲堵式板焊形式[2-3]，包括分管絲板、頂底板和端板，共計6塊板，6條A類焊縫組焊而成，板材下料采用等離子或水刀切割，管箱的直線度，管絲板和蓋板下料后，應校平整。坡口采用銑加工，100%PT探傷合格后，打磨清洗使其無油污、無毛刺，等待組裝。

2.3.2 焊接質量控制

（1）施焊程序的質量控制

優化的施焊程序及方法可在提高效率的同時減少管箱變形和應力集中程度。工藝決定了最終產品的質量。監理應重點關注焊接方法及施焊程序是否符合工藝要求，以及是否有正常的工藝變更程序。

（2）管箱縱縫電子束焊接的特點及其質量控制管箱縱縫采用真空電子束焊機，其型號為THDW-30。

其焊接特點如下： 1）相對激光焊、電弧焊、等離子焊，其熱影響區小，變形最小，不用焊材，熱裂紋產生的幾率大大降低；2）飛濺大；3）管箱在真空室外換位翻轉，抽真空次數增加，耗時長；4）電子束很容易受到磁場影響而偏轉；5）對坡口表面質量、裝配質量要求高；6）起弧和收弧電特性不穩定易產生裂紋缺陷；7）實際焊接中因蒸鍍引起產生大量氧化物。

電子束焊接產生常見缺陷質量控制措施如下：1）氣孔，坡口清理干凈，焊前預熱，合理設置焊接參數；2）未熔合，控制坡口組對焊道直線度，控制焊接變形，將表面清理干凈，合理設置工藝參數；3）焊穿，控制坡口組對焊道直線度，焊前點焊固定牢固，控制焊接變形，合理設置工藝參數，保持穩定的電特性，施焊前進行焊道軌跡模擬，確保施焊時工件行走平穩；4）裂紋，伴隨焊穿缺陷出現。

電子束焊接時管箱應通過兩側工裝夾緊以減少變形，視情況可增大夾緊工裝與管箱的接觸面積利于導熱。

如果焊后變形較大，從而造成同側焊縫不直，對側焊縫到機槍距離發生改變，熔深也會隨之變化[4]，可能會導致焊接缺陷。監理工作應重點關注核對施焊中的工藝參數，確保與工藝相符。

（3） 加強板組焊過程質量控制

采用SAW方式，焊絲直徑為2.4 mm，材料選用ERNiCrMo-3，底板兩側縱縫同時施焊，頂板側縱縫亦然。監理時應重點關注其施焊程序，不應引起不可控變形，當此處焊縫需要探傷時，因其不承壓而容易被制造方忽視，應加強此處探傷監督。

（4）端板組裝組焊過程質量控制

采用SMAW施焊，控制錯邊量和，端部外形尺寸。端板組焊時會產生收縮變形，且加強板組焊會使管絲板產生變形，中心距離較兩端距離小，此變形偏差執行標準為ISO13920 B和E等級，但實際變形已超標準3～2 mm。實際驗收中，以適用性為原則，以不影響附近管孔尺寸為限，并參考GB 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收》標準中有關棱角度控制的條款，當該變形影響無法避免時，采取焊后鉆孔的二次機加工措施。因此在工藝優化中建議考慮上述變形情況，使變形協調同步，以減少反差變形。建議在工藝和設計時考慮該變形的影響，例如設計時采用管板和絲堵板等厚；加強板外伸與管箱端板外表面平齊，將端板分兩塊；采用特殊的焊接工藝參數和防變形工裝等。

2.3.3 接管法蘭與管箱組焊質量控制

法蘭與管箱裝配時，應對間隙、坡口、外伸等進行檢查，控制裝配質量，可減少焊接尺寸變形和焊接應力，同時保證接管承受外載荷與圖紙要求的符合性和可靠性。

進出口接管內徑與管箱頂底板寬度的理論差為2.4 mm，考慮裝配和焊接變形后，實際差為0～1 mm，此接管開孔處使管箱縱縫焊縫斷面與介質直接接觸，建議在機加工后對焊縫進行100%PT探傷，并體現在工藝文件中。

3 管箱機加工過程質量控制

絲堵采用板機加工，絲孔密封面采用沉孔，因絲堵板存在不平度，必須用百分表對每個孔密封面深度方向進行定位。

攻絲時易造成鐵屑粘牙，及絲堵孔爛牙。爛牙是比較常見的缺陷，返修時應制定具體返修方案，采用手工氬弧焊堆焊，PT探傷合格后重新攻絲，再次進行100%PT探傷合格。

管孔與絲孔應進行同心度檢查，確保偏差控制在工藝要求以內，便于后續管頭焊機定位施焊[4]。貼脹要求也決定了管孔機加工精度需滿足更高的要求。

監理時的關注重點是在機加工完工后見證加工質量，若采用批量加工則應對首檢管箱管孔進行全面檢查，并對此作出分析，反饋至質量內控領導層作出質控方面的評估和調整。

4 管束組裝質量控制

管束由側梁、橫梁、管箱、翅片管、定位管卡組成，主要受壓的元件是管箱和管道，管束組裝時應檢查管箱與側梁的定位尺寸、側梁尺寸，保證管道組裝時的傾斜角度，并使管道有足夠的熱脹冷縮空間，減小因管道變形時產生的阻力。

5 管道管板組焊過程質量控制

管道管板組焊技術被認為是高壓空冷器制造的關鍵工藝。管板與翅片管處的焊縫通常是空冷器的薄弱環節，也是使用過程中產生泄漏的主要部位[5]，該環節的質量控制是監理工作的重點。

管道管板組焊接頭型式采用平管頭，焊腳可達到管道壁厚高度，焊接工藝評定拉脫試驗合格。但管孔開坡口為深1.5 mm，管頭與坡口根部平齊，在與制造廠溝通后，一致認為該接頭有別于API 661中的內縮焊接頭[7]。外伸管頭在施焊過程中對機頭空間走位限制更大一些。但平管頭若焊接操作不當易使管道內徑縮小，后續脹接時脹接頭難以插入。內徑縮小時采用錐形頭磨頭修磨管頭進行擴徑比較合適，禁止采用脹管器擴孔。

焊接采用深孔全位置鎢極氬弧焊，焊絲材料采用ERNiCrMo-3，規格為 0.8 mm。管道管板焊縫底層焊道后續探傷發現不合格缺陷，返修比較困難，為保證焊縫一次施焊合格，坡口形式和尺寸應與工藝一致，檢驗時應采用坡口檢驗模具進行檢驗。

管頭管板焊縫焊接中容易產生的缺陷有氣孔、收弧處弧坑、及弧坑內的縮孔和微裂紋。確保坡口干凈、均勻、無鐵屑、無毛刺，可減少施焊過程中對鎢極的障礙和損傷，穩定氬弧，從而降低產生缺陷的機率。而弧坑和弧坑內的微裂紋和縮孔均可通過調節焊機收弧時的電特性來避免。

管頭管板焊縫返修時一般應將周向焊縫刮除直到缺陷清理干凈，然后重新用原工藝施焊，但當缺陷尺寸較小且深度較淺時應清除局部缺陷，然后使用焊條或焊絲進行手工焊。如果返修在脹接后進行，監理時應重新審查評定和執行的返修工藝。

6 絲堵組裝質量控制

絲堵孔密封采用堵頭密封，密封面在絲孔下部，用絲堵預緊壓堵頭進行密封，該錐形密封結構更易加工[6]。密封墊采用金屬MONEL墊，堵頭材料為N08825鍛件，絲堵采用F316L鍛件，絲堵中心開泄漏孔，絲堵采用組裝前檢查螺紋是否完好，檢查密封面，無鐵屑、劃痕，組裝絲堵時采用力矩扳手調至設計規定力矩進行適度預緊。

部分管箱絲堵采用鍍鎳，鍍鎳厚度的檢驗要求可參考標準ISO 3497。

絲堵孔幾何特性決定了管道管板組焊可視性和可操作性。這些幾何特性包含但不限于絲堵孔直徑、絲堵板厚度、孔間距、管孔直徑、管板與絲堵板間距等。管道管板施焊時的最佳可視位置是在左右臨近的2個絲堵孔。

7 管道管板脹接質量控制

采用液壓柔性貼脹方式，嚴格按評定合格脹接工藝保證管道脹度，防止管道因不適當的脹接而造成機械損壞或管內缺欠擴展。

8 無損探傷質量控制

管箱縱縫采用PAUT探傷，這種探傷方法操作簡單，探傷后形成圖像記錄[7]，評定缺陷時更加直觀。端板采用UT探傷，接管與管箱組焊縫也采用UT探傷。設備接管與管箱組焊所處位置受結構影響無法使用現有探傷方式進行探傷，設計階段應組織進行協調會，設計和工藝人員進行充分溝通。監理時應重點關注探傷是否符合探傷工藝，如有變更應經過變更控制程序。

9 壓力試驗質量控制

壓力試驗按試壓順序包括：（1）管頭施焊完后脹管前進行管頭泄漏試驗；（2）脹管后進行水壓試驗；（3）氣密試驗。

水壓試驗和氣密性試驗在監理工作中一般均作為停止點控制。檢驗員應提前通知設備監理人員見證壓力試驗，監理人員應對試驗用壓力表、試驗程序、試驗壓力、試驗溫度、保壓時間等條件進行現場檢查和確認。

10 結論

國內企業已有高壓Incoloy8825空冷器的生產制造能力，該空冷器的應用將日趨廣泛。因此，應重視空冷器制造過程中質量檢驗計劃的確定，并使其在監理過程中得以實施。