高壓循環冷卻器管箱設計改進及質量控制

王會瓊，李正方

(1.云南大為化工裝備制造有限公司，云南 曲靖 655338；2.云南大為制氨有限公司，云南 曲靖 655338)

高壓循環冷卻器是某化工生產裝置的關鍵設備。由于管程為高溫高壓，且有氫腐蝕，故換熱管管頭腐蝕較嚴重，導致管頭出現嚴重泄漏，堵塞泄漏的換熱管又使換熱效率嚴重下降，造成裝置產能下降。為保證生產裝置能夠正常、穩定運行，決定重新設計制造一臺，替換不能正常運行的舊設備。為提高管頭的耐蝕性，用戶要求在管板基層材料(16Mn鍛件)表面堆焊奧氏體不銹鋼(304)，換熱管材料選用奧氏體不銹鋼鋼管(S30408)。原設備管箱為碗形整體鍛件結構，且直徑較小，此結構在管板堆焊和管頭焊接時會嚴重影響焊工操作，焊接質量無法保證。因此，本文主要是對管箱結構進行設計改進及質量控制，從而保證管板的堆焊質量，提高換熱管管頭與管板的焊接質量。設備投入使用后，運行效果良好，各項性能達到工藝要求，實現了安全、穩定運行的目標。

1 設計簡介

該高壓循環冷卻器(管箱設計改進后)結構示意圖見圖1，設計主要技術參數見表1。設備為U形管式換熱器，結構較特殊，設計、制造都存在技術難點。

表1 設計主要技術參數

1.平蓋；2.管箱筒體；3.管程接管；4.管板；5.殼程法蘭；6.殼體；7.U形換熱管；8.折流板；9.鞍座；10.殼程接管；11.殼程封頭圖1 設備結構示意圖

原設備管箱材料為16MnⅣ級鍛件，換熱管材料為20鋼管，殼程材料：筒體為20鋼管，法蘭為16MnⅡ級鍛件、封頭為Q345R板材。

2 管箱設計改進

2.1 設計改進要求

為保證新設備能順利安裝到原基礎上，設備的重量不能增加太多。這意味著設備的管程、殼程的厚度盡可能保持原設備的厚度。設計改進時采用SW6-2011壓力容器強度計算軟件對整臺設備進行強度計算，經計算原管程、殼程部件厚度完全滿足強度要求。

2.2 原管箱的結構特點

原設備管箱為碗形整體鍛件結構(見圖2)，此結構的優點是管箱筒體與管板間沒有焊縫。但缺點是：

圖2 原管箱結構

1)碗形鍛件鍛造時只能采用模鍛工藝，從而大大增加了鍛件的采購成本。

2)管板堆焊時，不能采用帶極堆焊，因管箱直徑小僅為 400 mm，而焊機的機頭較長，不能伸到管箱內。只能采用手工焊條堆焊，但焊工又無法進入管箱，只能將手臂伸進去焊，導致無法觀察焊接產生的氣孔和夾渣，且堆焊層厚度也無法控制，管板堆焊質量難以保證。

3)管頭焊接時，焊工也只能將手臂伸進去焊，管頭的焊接質量更難以保證。

2.3 設計改進管箱的結構特點

設計改進是將管箱筒體與管板設計成獨立的兩件(即分開式結構)，通過焊接將兩件連接在一起(見圖3)，此結構的優點是：

圖3 設計改進的管箱結構

1)管板、管箱筒體鍛件鍛造時可采用自由鍛工藝，從而降低了鍛件的采購成本。

2)管板可采用帶極堆焊，堆焊層厚度和質量易控制，從而保證管板的堆焊質量。

3)管頭焊接時，只需將管束與殼程筒體組裝，就可進行管頭的焊接，可全方位轉動焊接管頭，焊接質量易控制。管頭焊接完成并經無損檢測合格后，對殼程做水壓和氨檢漏試驗，檢測換熱管與管板的焊接質量，試驗合格后，才將管箱筒體與管板進行組焊，從而更好的保證了管頭的焊接質量。

缺點是管箱筒體與管板間形成一道深環焊縫，焊后需對焊縫進行局部消除應力熱處理。為解決此難題，采用公司最先進的窄間隙自動焊機進行焊接，對焊縫質量采用衍射時差超聲(TOFD)檢測[1]，熱處理設備采用履帶式陶瓷電加熱器，對換熱器設備采用此種熱處理方法是最常用的，我公司已積累了豐富的熱處理經驗，為設備的制造質量提供了保證。

3 關鍵零件制造難點分析及質量控制

3.1 材料控制

因設備管程為高溫高壓，所以管板、管箱筒體材料選用16MnⅣ級鍛件，材料的化學成分、機械性能、檢測要求等符合NB/T47008鍛件標準要求。同時附加高溫拉伸試驗、磁粉檢測、晶粒度測定及非金屬夾雜物試驗，材料進廠后按《固容規》要求對化學成分和機械性能進行復驗，超聲檢測等，經檢測材料各項工藝性能滿足要求。換熱管為U形管，在彎制過程中易發生損傷，且U形管管束組裝后內排換熱管難以更換，為在組裝前及時發現和控制風險，在采購時要求U形換熱管彎制后逐根進行水壓試驗，壓力為管程水壓試驗壓力 48.5 MPa[2]。

3.2 管板堆焊

管板采用帶極堆焊，帶極堆焊表面平整、厚度均勻，最厚與最薄處不大于 1 mm；外觀質量好，易保證管頭的焊接質量，且堆焊效率高。堆焊過渡層材質為D309，耐蝕層材質為D308，過渡層厚度不小于 3 mm，堆焊層總厚度不小于 6 mm。

為保證堆焊質量，管板堆焊時按以下順序進行：待堆焊表面無損檢測[1](100%MT，Ⅰ級合格)→焊前預熱(≥100 ℃)→堆焊過渡層→進爐消除應力熱處理→出爐緩冷至室溫→過渡層無損檢測(100%PT，Ⅰ級合格)→堆焊耐蝕層→耐蝕層無損檢測(100%PT，Ⅰ級合格)。

為獲得更好的耐蝕層，提高抗腐蝕能力，堆焊過程中應盡量減少母材向堆焊層的稀釋率，要求堆焊材料碳含量控制在0.025%以內，且堆焊過程嚴格控制層間溫度，過渡層≥100～200 ℃，耐蝕層≤150 ℃。為消除管板堆焊過程中產生的焊接應力，在完成過渡層堆焊后需進行消除應力熱處理。按焊接工藝評定給定的熱處理參數，熱處理溫度為620±20 ℃，保溫時間為 3 h，并嚴格控制升降溫速度和爐內氣氛。熱處理后，對過渡層表面做100%PT檢測合格后，再進行耐蝕層堆焊，焊后做100%PT檢測[1]，經檢測未發現裂紋，達到Ⅰ級合格要求[3]。實踐證明，過渡層堆焊完成后及時進行消除應力熱處理，效果非常良好，從而保證了堆焊質量。

3.3 管孔加工

管孔加工在換熱器制造中也是一道非常重要的工序，管孔的加工精度，特別是管孔間距和管徑公差、垂直度、光潔度等都極大地影響著設備的組裝和使用性能。因管板較厚且是堆焊結構，而且，折流板的數量較多，采用常規加工方法難以保證管孔間距和同心度，必須先用數控機床在管板表面上鉆一定深度的引孔后，再在普通搖臂鉆床上完成孔的鉆制，從而保證管孔間距和同心度的要求。

3.4 管頭焊接

管頭焊接質量的好壞，直接影響換熱器的制造質量，因管頭容易發生泄漏，影響換熱器的正常使用。本設備管頭焊接面為堆焊面，且換熱管較小，難于焊接操作，管頭焊接易出現氣孔、未焊透等缺陷。所以，選擇技能優秀的焊工進行焊接，焊接前進行培訓和交底，焊接中嚴格工藝紀律。并按焊接工藝評定給定的工藝參數(見表2)對管頭實施焊接，換熱管與管板焊接示意圖見圖4所示。焊接時嚴格按以下步驟進行：

表2 焊接工藝參數

圖4 換熱管與管板焊接示意圖

1)焊前準備：U形換熱管管端清除表面附著物及氧化層，管端清理長度不小于 25 mm；并用丙酮將焊絲表面及管板坡口側約 20 mm 范圍內的灰塵、油污等清除干凈。清理后，應迅速進行焊接，否則須對坡口采取遮蓋等保護措施。

2)組裝及定位：換熱管清除表面附著物及氧化層后需立即與折流板和管板組裝，檢查換熱管伸出長度合格后，用氬弧焊點焊定位。

3)打底層及蓋面層采用填絲氬弧焊，由于管板較厚，焊接時電弧盡量偏向管板一側，并采用小參數，快速焊，以減小熱輸入，控制層間溫度不高于 150 ℃，打底層和蓋面層的起弧點應錯開180°。由于管頭是全位置焊，應隨時變換焊槍、焊絲的相對位置。打底層焊接完成后，為保證管頭質量，采用氣密性試驗(0.5 MPa 表壓)檢查管頭有無滲漏，若有滲漏及時進行補焊，避免了焊后返工量大，并節約大量焊材，縮短了設備的制造工期，檢查合格后，及時進行蓋面層焊接。

4)焊接控制要點：焊接缺陷特別是氣孔和未焊透容易產生在引弧和熄弧處，要求引弧時少加或不加焊絲，放緩焊接速度，保證起焊點熔池有足夠高的溫度；不要突然熄弧，熄弧前焊絲連續向熔池送兩滴鐵液，填滿熔池弧坑后，再將電弧引至坡口一側熄弧，待焊縫金屬完全冷卻后再移開焊槍。焊接時若發現電弧呈藍色或熔池有發泡現象，說明已產生氣孔，應立即停止焊接，修磨、清除，然后繼續焊接，要求換熱管-管板角焊縫應保持內凹的外觀形狀。

按上述步驟嚴格對管頭進行焊接，經目視、100%PT檢測[1]，壓力試驗檢驗，管頭均無滲漏，全部合格，焊接質量達到要求。

3.5 管箱筒體與管板焊接

管箱筒體和管板的焊縫屬深環焊縫，為了降低勞動強度，焊接采用公司最先進的窄間隙焊機進行。因窄間隙焊接是厚板焊接領域的一項先進技術，與普通坡口的埋弧焊相比，窄間隙焊具有無可比擬的優越性。如坡口窄、焊縫金屬填充量少，可以節省大量的焊材和焊接工時，且窄間隙焊時熱輸入量較低，使焊縫金屬和熱影響區的組織明顯細化，從而提高其力學性能，特別是塑性和韌性。

按焊接工藝評定給定的工藝參數(見表3)，焊接坡口見圖5。焊接時內、外兩側分別多層多道進行焊接，按額定的焊接參數，每條焊道保證一定的焊縫金屬厚度，同時控制合適的層間溫度及熱輸入量。焊接完成后對焊縫進行衍射時差超聲(TOFD)檢測[1]，經檢測達Ⅰ級合格，滿足設計要求。為消除焊接應力，需進行局部消除應力熱處理。按焊接工藝評定給定的熱處理參數，熱處理溫度為620±20 ℃，保溫時間為 3 h，熱處理時嚴格控制升降溫速度。

表3 管箱筒體與管板焊接工藝參數

圖5 管箱筒體與管板焊接示意圖

4 水壓試驗和泄漏試驗

因設備管程為高壓(設計壓力：34.8 MPa)，殼程為低壓(設計壓力：0.7 MPa)，壓力試驗的難點是如何進行換熱管與管板接頭的試壓，GB/T151規定“當管程試驗壓力高于殼程試驗壓力時，管頭試壓應按圖樣規定，或按供需雙方商定的方法進行。”為解決此難題，設計時要求按HG/T20584-2011附錄A：對殼程充入10%～30%(體積)氨氣 (B法)進行試驗(簡稱氨檢漏試驗)，因氨的滲透性較強，試驗易操作，費用低，還能清楚確定泄漏點的優勢。設備的壓力試驗方案如下：

1)殼程水壓試驗和泄漏試驗

管頭焊接后，并完成檢驗和PT檢測合格后，進行殼程水壓試壓，檢查換熱管與管板的焊接接頭質量；同時檢查殼程整體強度和密封結構的密封性能。合格后再對殼程進行氨檢漏試驗[3]，為準確有效的檢驗管頭的焊接質量，試驗參數定為：壓力為 0.3 MPa，氨氣體積分數20%，保壓12小時，主要檢測換熱管與管板的焊接接頭質量，經檢測管頭無滲漏，說明管頭的焊接質量達到要求。

2)管程水壓試驗

在殼程水壓和氨檢漏試驗均合格后，將管箱筒體與管板進行組焊，經局部消除應力熱處理和TOFD檢測合格后，組裝平蓋、密封件和緊固件，總檢合格后，對管程進行水壓試驗，逐步升壓至試驗壓力，保壓 10 min；然后降至設計壓力，保證足夠時間檢查管程的焊縫強度、密封件的密封性能等[4]，經檢查均無滲漏，全部合格，說明采用合格的焊接和熱處工藝參數，是確保管箱筒體與管板的焊接質量的關鍵。

5 結論

通過上述工作，所設計改進制造的高壓循環冷卻器管箱完全符合GB/T151標準要求，圓滿完成了設計及制造任務。可得出以下結論：

1)管箱結構設計改進后，鍛件鍛造時可采用自由鍛工藝，從而降低了鍛件的采購成本；

2)管板采用帶極堆焊，帶極堆焊表面平整，外觀質量好，便于下一步的鉆孔加工，且堆焊效率高；

3)有利于進行管頭焊接和各項檢測，從而保證了管頭質量，提高了設備的運行周期；

4)對于厚管板，管孔直徑小，長徑比大，折流板的數量較多的換熱器，采用常規鉆孔方法難以保證管孔質量和同心度，應在數控機床上鉆一定深度的引孔后，再在普通搖臂鉆床上完成管孔的鉆制；

4)換熱管管頭與管板的焊接，按照合格的焊接工藝參數和合理的焊接操作方法，保證了管頭的焊接質量；

5)采用合理的試壓方案，有效保證了設備的制造質量，同時節約了設備的制造成本。