關于壓力容器外伴管固定結構的優化設計與其制造工藝的改良

摘" 要：

介紹了壓力容器外部伴熱的外伴管固定結構優化設計，并通過對其加工制造工藝技術進行了深入研究，明確了制造工藝流程，探討存在的問題及優化的可能性，并結合實際案例，提出改進措施和新的應用策略。實踐驗證了這些優化方法在提高工作效率、保證加工精度、降低生產成本等方面的顯著效果。

關鍵詞：

壓力容器；外伴管固定；管卡結構；工藝沖突；優化設計

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2024.04.015

中圖分類號：TQ050.2

文獻標識碼：B

文章編號：

1004-8901（2024）04-0051-03

基金項目：

威海市科技發展計劃項目（2022KC02）

作者簡介：

李佳全（1977年—），男，山東威海人，1995年畢業于威海市技術學院，模具設計與制造專業，中專，技師，現主要從事壓力容器制造工藝的編制與審核工作。

About Design Optimization of the Fixed Structure for External Heat-tracing Tubes of Pressure Vessels and Improvement of Its Manufacturing Process

LI Jia-quan， WEI Qin-zhong， LI Cai-hua， SUN Kui-feng， ZHANG Wei-han

（Weihai Chemical Machinery Co.， Ltd.， Weihai" Shandong 264203， China）

Abstract：

In this paper， design optimization of the fixed structure for external heat-tracing tubes of pressure vessels is introduced， and through in-depth study of its processing and manufacturing technologies， the manufacturing process is specifically identified， existing problems and the possibility of optimization are discussed. Moreover， by referring to actual cases， the improvement measures and new application strategies are proposed. Actual practice verifies that these optimization methods are effective in improving work efficiency， ensuring machining accuracy and reducing production cost， etc.

Keywords：

pressure vessel; external heat-tracing tube fixation; pipe clamp structure; process conflict; design optimization

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2024.04.015

壓力容器在化工與石油化工領域主要用于介質的傳熱、傳質、反應等工藝過程，以及貯存、運輸有壓力的氣體或液化氣體。為了完成傳熱、傳質、反應等工藝過程，往往需要通過壓力容器對其中的介質進行加熱或冷卻，要完成這些換熱功能，壓力容器中用于換熱的結構則是必不可少的。壓力容器的換熱結構種類多種多樣，主要分為設備內部換熱結構（如蛇管部件、列管部件）和設備外部換熱結構（如夾套部件、外部循環結構部件）；夾套部件又可分為整體夾套、半圓管夾套、蜂窩夾套、外伴管等，夾套部件的結構依據壓力容器的結構、工藝要求來確定。

壓力容器的外伴管采用一圈圈管作為換熱夾套，可以布置在封頭和筒體上，當封頭上管口較多時，也可根據需要蜿轉繞行盤布滿封頭。換熱面積可大可小，可根據需要設置，由于外伴管反應釜是一圈圈盤旋的，所以受熱均勻，導流效果好，不會局部過熱。外伴管反應釜外面設置保溫層，清潔無死角。

1" 問題的提出

由于壓力容器及其外伴管在設計中對應的工作介質、壓力、溫度的不同，其選用的材料牌號、制造工藝也各不相同。當前的容器、外伴管及管卡結構在制造過程中的組對、焊接、無損檢測、熱處理、水壓試驗、表面涂覆、酸洗等工序會出現不同程度的工序制造矛盾與沖突。按基本的材質區分，各種類型的帶外伴管容器在制造工藝過程中存在的情況可分為以下幾種類型（見表1）。

1.1" 在制造過程中的相關規定要求及工藝特性

（1） 對于需要進行熱處理的容器，按GB/T 150的要求，在熱處理后其本體不允許再有焊接作業，或是在焊接后要求重新進行熱處理。

（2） 容器的碳鋼表面（包括碳鋼外伴管表面）在水壓試驗后需要進行油漆涂覆等防腐作業。

（3） 容器的不銹鋼表面（包括不銹鋼外伴管表面）需要進行酸洗作業。

（4） 外伴管線性尺寸較長，在熱處理時會因為線性膨脹而變形，致使外伴管不能與容器貼實，影響換熱效果，且變形后的修復極為困難。但外伴管

為容器的外部附件，允許外伴管不進行熱處理。

常用于外伴管與容器固定的管卡結構見圖1，這種管卡結構簡單，加工制造也方便，因此應用廣泛。

1.2" 工序沖突情況分析

有熱處理的設備制造基本工藝流程見圖2中工藝流程1所示，外伴管結構如果隨容器一起進行熱處理，由于其高溫下線膨脹量很大，會因變形、與容器不能緊密貼合而影響傳熱效果，并且修復難度極大。而改成工藝流程2所示的熱處理后組焊伴熱管的方法，又違反了GB/T150中關于容器熱處理后不允許再有施焊作業的要求，若是在焊接后重新進行熱處理，又影響到外伴管變形，且二次熱處理會大幅增加制造成本。

因此，容器熱處理與外伴管組焊的順序、熱處理變形問題成為最主要的矛盾。

另一個問題就是表面處理，即使是在容器不需要熱處理的情況下，容器與外伴管表面的油漆涂覆或酸洗也會相互沖突。

當容器與外伴管均為碳鋼時，外伴管與容器緊貼的一面無法進行油漆的噴涂，影響容器整體外表面的防腐涂覆。而通過預先對容器及外伴管進行噴涂后再組焊的工藝順序，在焊接時又會破壞部分涂覆層，重新進行噴涂時，由于管卡的結構導致其內側邊角無法進行有效的噴涂作業。

當容器為碳鋼、外伴管是不銹鋼（或容器為不銹鋼、伴管是碳鋼）時，問題變得更嚴重，因碳鋼與不銹鋼的表面處理要求不一樣，碳鋼的噴涂會對不銹鋼產生污染，不銹鋼的酸洗又會對碳鋼表面產生腐蝕。即使采用分別進行表面處理再組焊的方式，同樣會出現焊接后的高溫破壞表面，無法進行有效處理。

綜合上述問題，容器外伴管需要更合理的結構設計與制造工藝，可以在滿足國家標準規范的各項要求前提下，解決制造過程中的各種工藝沖突問題。

2" 解決方案

2.1" 優化管卡的結構設計

針對各種制造工序的沖突問題，由設計人員牽頭，與工藝人員、鉗工技師共同討論試件的制作和使用，最終將管卡成型后整體焊接改為分體預焊接后成型的結構（見圖3），

即管卡用兩件直板預焊在容器體上，然后容器體進行其他的熱處理、水壓試驗、表面涂覆或酸洗等工序，最后再排布伴管、彎制管卡對外伴管進行固定。

2.2" 優化管卡的工藝過程

對外伴管及管卡部分的制造工藝規程進行了規范和統一。新的制造工藝規程中，增加鉗工工序的工作，減少焊接工序的焊接量，即可以實現最后管卡合攏成型后的焊接量少，影響范圍小，焊接表面外露局部的涂覆補漆或酸洗等容易操作；可以完美地規避容器與外伴管制造過程中的熱處理、焊接、表面涂覆等工序沖突的問題，在不需要進行熱處理的容器制造中也只需省去這一步工序即可，其他工序不變（見圖4）。

2.3" 設計專用的管卡成型夾鉗

新型管卡從結構上解決了制造過程中的工藝工序沖突問題，同時由于管卡不能進行預制成型，因此，要考慮在容器體上的成型。容器基本上都是大型設備，管卡在容器表面的成型無法使用模具和壓力機，這就需要一種更輕便實用的成型方法，對此由鉗工技術為主導，結合實際設計了專用的管卡成型夾鉗，并可根據管徑的不同做成不同的規格。

2.4" 實施過程

使用新型管卡后的容器制造工藝規程依次進行：①容器體的制造（組對、焊接等），按相關規范進行；②射線檢測（包括其他的無損檢測項目）均按相關規定進行；③組焊分體式管卡：按容器外伴管布置圖劃出組對位置線，將分體式管卡組焊到容器體上；④熱處理：根據技術文件進行，沒有熱處理的設備直接略過；⑤水壓試驗：容器體的水壓試驗按相關規范進行；⑥表面處理：容器表面和外伴管表面分別進行處理，一般是碳鋼進行涂覆噴漆、不銹鋼進行酸洗。本工序可避免容器、外伴管材質不一樣時的表面處理沖突問題；也可避免容器、外伴管同種材質整體進行表面處理時其死角位置無法進行有效的涂覆或酸洗；⑦按圖紙進行外伴管的排布，用成型夾鉗完成對管卡的成型，然后焊接；⑧管卡焊縫的處理：所有外伴管排布完成管卡焊接完畢后，進行局部的表面處理，由于管卡預焊后已與容器體進行了表面處理，伴管也進行了表面處理，此時僅對管卡搭接焊縫及熱影響破壞的小范圍進行局部處理即可。碳鋼類進行補漆，不銹鋼類用酸洗液處理局部焊縫。

至此，新型管卡與容器外伴管的制造工藝流程全部完成。

3" 結語

采用此新結構、新工具，按照新工藝制造的外伴管固定夾，能夠適應目前各種類型材料、各種加工工序的帶外伴管容器的制造，解決了工藝過程中存在的問題，讓壓力容器外觀美觀，做到了噴漆顏色一致，無漏噴，無死角；酸洗后的表面顏色一致；容器外觀一次核檢合格。

參考文獻：

［1］ TSG 21—2016，固定式壓力容器安全技術監察規程［S］.

［2］ GB/T 150—2011，壓力容器［S］.

［3］ 洪慎章.實用沖壓工藝及模具設計［M］.北京：北京機械工業出版社出版， 2008.

修改稿日期：

2024-06-30