竇雙云，趙麗輝，秦學(xué)忠，金文凱

(天津津濱石化設(shè)備有限公司，天津 300270)

板式換熱器的制造

竇雙云，趙麗輝，秦學(xué)忠，金文凱

(天津津濱石化設(shè)備有限公司，天津 300270)

通過與法國PACKINOX公司合作完成了板式換熱器殼體的國產(chǎn)化制造。換熱器板芯為法國PACKINOX公司制造，通過設(shè)計工裝順利完成了板芯的插裝工作。板式換熱器的設(shè)計選材、焊接工藝評定、板芯插裝、試壓等設(shè)計制造過程是換熱器順利完成的關(guān)鍵過程，通過對關(guān)鍵過程工序的控制，高效優(yōu)質(zhì)的完成了換熱器的整體制造出廠。板式換熱器的順利制造為此類換熱器的國產(chǎn)化改造積累了經(jīng)驗。

板式換熱器；焊接工藝評定；板芯插裝；試壓

0 前言

板式換熱器是一種性能高效、結(jié)構(gòu)緊湊的換熱設(shè)備，與管殼式換熱器相比具有使用周期長、換熱效率高等特點，廣泛應(yīng)用于石油、化工等行業(yè)。某公司制造的聯(lián)合進料熱交換器是一臺板式換熱器，是裝置中的關(guān)鍵長周期設(shè)備，結(jié)構(gòu)裝配和技術(shù)要求高、制造難度大，通過焊接工藝評定以及采取切實可行的制造工藝和措施，順利完成了產(chǎn)品制造。

1 結(jié)構(gòu)特點和主要技術(shù)參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)特點

該聯(lián)合進料熱交換器是由外部殼體、內(nèi)部板芯及連接部分、裙座等組成的立式換熱器，裝配要求高。外部殼體由球形封頭、筒體、進料口、循環(huán)進口、噴淋口、物料出口、循環(huán)出口等部件組成，內(nèi)部板芯為法國PACKINOX公司的專利產(chǎn)品，連接部分包括彎頭、膨脹節(jié)，為法國PACKINOX公司供貨，其外觀示意如圖1所示。

圖1 聯(lián)合進料熱交換器

1.2 技術(shù)參數(shù)

聯(lián)合進料熱交換器殼體部分根據(jù)法國PACKINOX公司提供的相應(yīng)技術(shù)參數(shù)①法國PACKINOX公司.文件號：DESCAZA0003PE1020。，依據(jù)GB150-1998和《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》進行設(shè)計，依據(jù)GB150-1998和《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》確定為Ⅱ類容器。此臺設(shè)備設(shè)計溫度較高，其中高溫部分為493℃，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 設(shè)計和制造關(guān)鍵工序

2.1 主體材料確定

原聯(lián)合進料熱交換器基本為整體進口或殼體板材進口國內(nèi)制造，現(xiàn)經(jīng)國產(chǎn)化改造依據(jù)GB150進行設(shè)計。因此，為了使選材做到恰當(dāng)、準(zhǔn)確，將選擇的國內(nèi)材料牌號的化學(xué)成分和力學(xué)性能與國外材料牌號進行了對比，如表2、表3所示。

表1 技術(shù)參數(shù)

表2 化學(xué)成分對比分析%

表3 力學(xué)性能對比分析

由表2和表3可知，國產(chǎn)材料14Cr1MoR與國外材料SA387 Gr11 Cl2在化學(xué)成分和力學(xué)性能上基本相同，且國產(chǎn)材料14Cr1MoR的S、P含量要求遠(yuǎn)高于國外材料。在475℃以上的力學(xué)性能也優(yōu)于國外材料。國產(chǎn)材料14Cr1MoR的設(shè)計溫度為493℃。

根據(jù)上述比較，最終確定板式換熱器殼體的主體材料選用14Cr1MoR。為確保質(zhì)量，參考法國PACK INOX公司提供的材料技術(shù)條件①，對板式換熱器殼體的主體材料提出比標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格的要求，以達(dá)到設(shè)備設(shè)計工況下的使用要求。

2.1.1 鋼板交貨狀態(tài)

正火后加速冷卻+回火處理，回火溫度大于等于710℃。

2.1.2 鋼板化學(xué)成分

按GB／T223進行分析，并符合如表4所示規(guī)定。

鋼板的回火脆化敏感性系數(shù)應(yīng)符合如下要求：J＝(Mn+Si)×(P+Sn)×104≤150，元素含量以百分?jǐn)?shù)表示。X＝(10P+4Sn+5Sb+AS)／100≤15×10-6，元素含量以10-6表示。

表4 14Cr1MoR鋼板化學(xué)成分 %

元素Mn、Si的含量在滿足性能要求和GB713標(biāo)準(zhǔn)的前提下，盡可能接近規(guī)定范圍的下限。

2.1.3 力學(xué)性能

(1)鋼板應(yīng)逐張進行力學(xué)性能試驗，如表5所示。

表5 14Cr1MoR鋼板力學(xué)性能

試件從滿足交貨狀態(tài)的鋼板上制取，且試件需經(jīng)模擬最大或最小焊后熱處理后進行試驗，鋼板取樣部位、數(shù)量符合表6的規(guī)定。

表6 鋼板的取樣部位和數(shù)量

(2)殼體用鋼板模擬焊后熱處理的條件為：

a.最大模擬焊后熱處理PWHT(max)——熱處理溫度690℃±10℃，保溫時間10 h；

b.最小模擬焊后熱處理PWHT(min)——熱處理溫度690℃±10℃，保溫時間2.5 h；

c.升溫速度和降溫速度小于等于100℃／h。

2.2 焊接

確定材料的化學(xué)成分和性能要求后，為滿足焊接接頭對性能和成分的要求[1]，對焊接用材料提出了相應(yīng)要求，并進行產(chǎn)品生產(chǎn)所需要的焊接工藝評定。

2.2.1 封頭拼板用焊接工藝評定

試板材料為舞陽鋼鐵有限公司生產(chǎn)的14Cr1MoR、δ＝26 mm板材，焊接材料為哈爾濱威爾焊接材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的焊絲H08CrMoG，焊劑SJ110；焊接完成試板經(jīng)正火+回火熱處理后，試板分兩部分進行模擬焊后熱處理：最大模擬焊后熱處理、最小模擬焊后熱處理，然后分別評定，力學(xué)性能取樣數(shù)量和試驗結(jié)果滿足表5、表6的相關(guān)要求，試驗結(jié)果如表7所示。

表7 封頭拼板用焊接工藝評定試驗結(jié)果

2.2.2 主體用埋弧自動焊焊接工藝評定

試板材料為舞陽鋼鐵有限公司生產(chǎn)的14Cr1MoR、δ＝24 mm板材，焊接材料為哈爾濱威爾焊接材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的焊絲H08CrMoG、焊劑SJ110；焊接完成后試板分兩部分進行模擬焊后熱處理：最大模擬焊后熱處理、最小模擬焊后熱處理，然后分別評定，力學(xué)性能取樣數(shù)量和試驗結(jié)果滿足表5、表6的相關(guān)要求。試驗結(jié)果如表8所示。

表8 主體用埋弧自動焊焊接工藝評定試驗結(jié)果

2.2.3 末環(huán)縫用手工焊焊接工藝評定

母材材料為舞陽鋼鐵有限公司生產(chǎn)的14Cr1MoR、δ＝16 mm板材，焊接材料為哈爾濱威爾焊接材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的焊條R307G；試板分兩部分進行模擬焊后熱處理：最大模擬熱處理、最小模擬熱處理，然后分別評定，力學(xué)性能取樣數(shù)量和試驗結(jié)果滿足表5、表6的相關(guān)要求。試驗結(jié)果如表9所示。

2.3 板芯插裝

板芯質(zhì)量62 t。為了順利地將板芯插入殼體內(nèi)，并實現(xiàn)板芯在殼體內(nèi)的微量調(diào)節(jié)，需設(shè)計專用工裝，包括外部平臺、內(nèi)部平臺和滑動平臺三部分。具體布置如圖2所示。首先按計算高度擺放并固定殼體；然后擺放外部平臺和內(nèi)部平臺，要求兩平臺平直，并施焊連接在一起；最后將滑動平臺放置在外部平臺上，并將板芯放在滑動平臺上，就完成了所有準(zhǔn)備工作。檢驗板芯固定平穩(wěn)后，可緩慢推動板芯和滑動平臺，使滑動平臺沿外部平臺和內(nèi)部平臺進入殼體。在殼體內(nèi)用千斤頂實現(xiàn)板芯的微量調(diào)節(jié)。

2.3.1 外部平臺

外部平臺布置在殼體外部，與內(nèi)部平臺相連，應(yīng)保證兩平臺上面平齊、中心線重合。外部平臺的高度(960 mm)是根據(jù)殼體外徑(φ 3 076 mm)、殼體支撐高度(760 mm)和內(nèi)部平臺高度計算得到。

外部平臺的作用：在殼體外部支撐滑動平臺和板芯；調(diào)節(jié)板芯的位置(使板芯中心線與外部平臺中心線在同一豎直平面內(nèi))；過渡滑道，使滑動平臺平穩(wěn)順利的移動到內(nèi)部平臺上。

表9 末環(huán)縫用手工焊工藝評定試驗結(jié)果

圖2 板芯插裝布置示意

2.3.2 內(nèi)部平臺

內(nèi)部平臺布置在殼體底部(180°)位置，作用是在殼體內(nèi)部支撐滑動平臺及板芯，使板芯能在殼體內(nèi)部平穩(wěn)順利移動，兩側(cè)各用四塊支板固定，避免在殼體內(nèi)左右躥動。最前端設(shè)有擋板，避免滑動平臺滑出軌道。

2.3.3 滑動平臺

滑動平臺位于外部平臺和內(nèi)部平臺的上端，起支撐板芯并攜帶板芯移動的作用。在滑動平臺上端放五根枕木用于支撐板芯；在下端焊接四個方盒，用于固定小車(小車帶動滑動平臺在外部平臺和內(nèi)部平臺的軌道上移動)。

2.4 試壓

板式換熱器試壓分三步進行：(1)水壓強度試驗，試驗壓力1.54 MPa；(2)水壓壓差試驗，試驗壓力0.344 MPa；(3)氣壓壓差試驗，試驗壓力0.02 MPa。要求整個試驗過程中管、殼程壓差不大于0.344 MPa，并且充水順序為：殼體→板芯進料循環(huán)→板芯出料循環(huán)，同時設(shè)備內(nèi)不能留有空氣?？紤]以上要求、放水情況和制造的實際情況，設(shè)計了試驗工裝，如圖3所示。試驗程序和步驟如下：

(1)除了E1口外，封閉所有接管。

(2)除了V1和V3，打開所有閥門。

(3)經(jīng)接管E1對殼體和進／出料循環(huán)進行充水。水經(jīng)由A1和A2間的連接管路進入出料循環(huán)。

圖3 板式換熱器試壓試驗工裝

(4)繼續(xù)充水至水從E1中溢出。

(5)封閉E1口。

(6)連接閥V1上的泵。

(7)打開閥V1，用泵加壓，閥V4、V5仍就打開，以保證排氣。

(8)當(dāng)水由通氣口和閥門V4和V5處溢出后，關(guān)閉閥V4、V5和V1。

(9)對殼體內(nèi)增壓到壓力P1。

①最大增壓速度0.1 MPa／min。每5 min遞增的壓力值為Δ P。

②加壓期間注意，壓力表Ma4的讀數(shù)總是小于Ma3的讀數(shù)，但壓差不應(yīng)大于設(shè)計壓差Δ P。

③僅在加壓末期，如果增壓速度超過0.1MPa／min，應(yīng)增加梯級來保持中等速度。

④保持試驗壓力P1至所有目視檢查結(jié)束，保壓時間至少1 h。

(10)保持殼體、進料循環(huán)和出料循環(huán)的連通。打開閥V4，通過出料循環(huán)的開放使壓力降到檢查壓力P2。最大減壓速度0.1 MPa／min。每5 min遞減的壓力值為Δ P。

(11)當(dāng)達(dá)到壓力P2時，關(guān)閉閥V4。

①試壓時檢查所有焊縫和連接處。檢查時的壓力不得低于P2。

②試壓期間的目視檢查包括所有焊縫、接管連接處和所有受載荷處。

(12)保持殼體、進料循環(huán)和出料循環(huán)的連通。打開V4閥，通過開放出料循環(huán)，使壓力降到大氣壓。

最大減壓速度0.1 MPa／min。每5 min遞減的壓力值為Δ P。

(13)關(guān)閉V2閥，打開V4閥，使出料循環(huán)是獨立的并與大氣相通，殼體、進料循環(huán)連通。

(14)打開V1閥通過對殼體內(nèi)加壓，使壓力升到P3。

①最大增壓速度0.1 MPa／min。每5 min遞增的壓力值為P3／2。

②壓差試驗時可使用不同于水壓試驗時的壓力表。

(15)當(dāng)壓力達(dá)到P3后，關(guān)閉閥V1，保持試驗壓力P3至少30 min。

如果壓力P3不能維持，通過泵對殼體／進料循環(huán)內(nèi)加壓。

(16)保壓時間達(dá)到后，緩慢打開殼體+進料循環(huán)和出料循環(huán)間的連接閥V2，使殼體／進料循環(huán)內(nèi)減壓，使所有循環(huán)為大氣壓。

最大減壓速度0.1 MPa／min。每5 min遞減的壓力值為P3／2。

(17)打開所有的閥門。拆除E1、S2、A1和U2的盲板。為完全排凈，應(yīng)傾斜換熱器，熱端在高處，冷端在低處。

①換熱器的排凈必須從出料循環(huán)開始，然后是進料循環(huán)，最后是殼體內(nèi)的排凈。

②板束的兩個循環(huán)未排凈前不允許進行其他操作。

③如有必要可使用泵對殼體內(nèi)進行排空。

(18)安裝E1和U2的盲法蘭。

(19)打開V1閥，給殼體／進料循環(huán)加壓到+20 Pa，每10～15 min增加5 Pa，直到穩(wěn)定在+20 Pa。

(20)關(guān)閉增壓閥，20 min后記錄U型管式壓力計的數(shù)值。

①U型管式壓力計必須安裝在殼體／進料循環(huán)上。

②封閉殼體／進料循環(huán)，讓出料循環(huán)與大氣環(huán)境相通，保持常壓。

③氣壓壓差完成后，緩慢降低壓力至環(huán)境壓力，每10～15 min降低5 MPa。

3 結(jié)論

通過對板殼式換熱器殼體的設(shè)計，以及換熱器整體的制造、組裝、試壓關(guān)鍵步驟的控制和工藝措施的實施，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和制造的順利進行。為進一步完善板式換熱器的制造提供了參考。

[1]焊接手冊·材料的焊接(第2版).北京：中國機械工程師學(xué)會焊接學(xué)會，2003.

Manufacturing of plate heat exchanger

DOU Shuang-yun，ZHAO Li-hui，QIN Xue-zhong，JIN Wen-kuai
(Tianjin Binhai Petrochemical Equipment Co.，Ltd.，Tianjin 300270，China)

Our company fabricated a plate heat exchanger shell by cooperating with PACKINOX company in France.The bundle of the exchanger was made by PACKINOX company in France.We designed special facilities in order to inserting the bundle into the shell successfully.Design,material selecting,,PQR,inserting the bundle and press test are key processes of making exchanger.We completed the whole exchanger with high efficiency and quality by controlling these key processes.The plate heat exchanger was fabricated successfully and we got the precious experience for this kind of pressure vessel being made in China.

plate heat exchanger；PQR；inserting the bundle into the shell；press test

TG457

B

1001-2303(2012)04-0058-07

2012-02-28

竇雙云(1959—)，女，天津人，高級工程師，學(xué)士，主要從事壓力容器制造安裝檢修及鍋爐檢修工作。