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        大直徑立式換熱器大噸位管束制造

        2022-09-02 09:20:40鄭紅果魏劍平
        化工機械 2022年4期
        關(guān)鍵詞:管孔流板管板

        鄭紅果 魏劍平

        (1.新疆蘭石重裝能源工程有限公司;2.中特檢檢測科技(北京)有限公司)

        近年來, 我國石油化工和煤化工發(fā)展迅速。隨著化工企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級, 為追求最佳的經(jīng)濟規(guī)模,裝置的規(guī)模大型化促使化工設(shè)備向著大型化的方向發(fā)展[1],設(shè)備零部件的成型、加工、焊接、熱處理及無損檢測等制造難度加大,這對制造廠的制造能力也是一種考驗,不僅要求制造設(shè)備能力配套到位, 而且產(chǎn)品制造工藝技術(shù)也需要提升,通過不斷優(yōu)化傳統(tǒng)制造工藝,尋求更高效更合理的設(shè)備制造方案。

        1 設(shè)備概況

        為某化工企業(yè)制造的一臺荒煤氣綜合利用年產(chǎn)40萬噸乙二醇項目加氫反應(yīng)器(圖1),主要由上下球缺形封頭、筒體、接管法蘭、管板、折流板、換熱管及裙座等零部件組成。

        圖1 加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡圖

        加氫反應(yīng)器的設(shè)計參數(shù)和主要受壓元件材料 見表1。

        表1 加氫反應(yīng)器的設(shè)計參數(shù)和主要受壓元件材料

        2 關(guān)鍵制造技術(shù)

        設(shè)備內(nèi)徑4 400 mm,單臺總質(zhì)量225 t,換熱管5 686根,管束部分質(zhì)量約147 t。 大直徑立式固定管板式換熱器的制造,尤其是大重量管束部分的制造, 不僅對制造廠的生產(chǎn)設(shè)備能力要求高,而且對制造工藝技術(shù)也是一種考驗。

        2.1 主要零件制造

        大直徑立式換熱器管束的制造過程中堆焊管板的堆焊變形控制、 加工平面度及精度控制,管板與折流板管孔的同心度控制,管頭焊接及脹接對管板的變形控制,殼程筒體長度控制及管束裝配工藝順序等都是影響管束制造質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。

        2.1.1 管板

        管板結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。 在管板管程側(cè)4 300 mm長度范圍內(nèi)堆焊8 mm(其余部位堆焊6 mm) 厚的不銹鋼層 (過渡層E309L+表層E308L)。 管板采用埋弧自動焊(SAW)進行堆焊,根據(jù)NB/T 47014—2011[3]進行焊接工藝評定。 堆焊工藝參數(shù)見表2。

        圖2 管板結(jié)構(gòu)簡圖

        表2 焊接材料和焊接工藝參數(shù)

        大直徑管板堆焊后產(chǎn)生的變形量較大,借鑒參考文獻[4],對于外徑4 845 mm、厚度190 mm+6.5 mm的管板,在管板制造過程中要著重考慮反變形措施, 訂料時實際待堆焊面預(yù)留約10 mm的余量,堆焊后采用萬噸油壓機進行校平。 因制造設(shè)備能力有限,缺少大噸位校平設(shè)備,因此該管板在訂貨時的實際尺寸如圖3所示, 堆焊側(cè)坯料加工后預(yù)留15 mm的外凸余量, 同時配對兩件管板背向連接(圖4),采用限位法來減小焊后變形量[5]。

        圖3 管板粗加工圖

        圖4 配對管板限位變形

        2.1.2 折流板

        折流板共7件,包括兩種結(jié)構(gòu),分別為4件外圓環(huán)和3件內(nèi)圓盤, 相互間隔裝配, 折流板間距570 mm。 外圓環(huán)和內(nèi)圓盤均采用厚26 mm的鋼板制造。外圓環(huán)外徑為4 390 mm,內(nèi)徑為2 400 mm;內(nèi)圓盤直徑為2 800 mm。由于殼程筒體為板卷制造,根據(jù)GB/T 151—2014[6]的要求,本設(shè)備圓筒同一截面的最大內(nèi)徑與最小內(nèi)徑之差不應(yīng)大于圓通斷面公稱直徑的0.5%,即22 mm,因此折流板的外圓尺寸應(yīng)按照實測筒體內(nèi)徑在車床進行精加工,以保證折流板能夠順利裝入筒體。 折流板的制造難點主要是管孔同心度的控制,折流板制造中采用數(shù)控鉆床單件鉆孔,這樣容易造成外圓環(huán)折流板與內(nèi)圓盤折流板管孔同心度有偏差,而管板制造時采用TBT深孔鉆進行鉆孔[7],故要求管束組裝前檢測折流板與管板管孔的同心度 (圖5),對于局部誤差較大的管孔應(yīng)進行二次修孔。

        2.1.3 殼程筒體

        換熱管選用的是φ45 mm×2 mm的S22053雙相不銹鋼無縫鋼管。 由于換熱管為進口產(chǎn)品,價格昂貴,因此采購時換熱管附加余量有限,故要求殼程殼體制造中要嚴格控制整體尺寸,不得出現(xiàn)換熱管無法伸出管板的現(xiàn)象,也要盡量減小穿管后管頭的加工余量。

        設(shè)備制造過程中,換熱管長度預(yù)留的工藝余量為20 mm, 經(jīng)測量管板加工后管程側(cè)平面度誤差為+3 mm, 考慮到管板與殼程筒體焊接并熱處理后會再產(chǎn)生外凸變形,因此在殼程筒體制造時要求長度按-15 mm的公差控制。 此外,大直徑殼程筒體的縱環(huán)向焊接接頭在焊接時要注意棱角度的控制[8]。

        2.2 管束裝配制造

        由于管束部分重量較大, 管子數(shù)量較多,而且折流板結(jié)構(gòu)獨特, 導(dǎo)致傳統(tǒng)換熱管盲穿工藝[9]或管束裝配后套入殼體的制造工藝均無法滿足制造要求。 因此必須調(diào)整制造順序,保證產(chǎn)品制造質(zhì)量。

        經(jīng)過多次論證,最終選擇在殼體內(nèi)部搭建管束骨架的制造工藝。 具體操作如下:

        a. 裝配固定管板與殼程筒體之間的環(huán)縫,按照表2參數(shù)施焊。 為減小焊接變形,先采用鎢極氬弧焊打底,再采用焊條電弧焊焊接至埋弧自動焊可施焊深度,最后采用埋弧自動焊蓋面。 環(huán)縫按照NB/T 47013.1~47013.13[10]進 行TOFD+UT+MT檢測,并采用電加熱進行PWHT熱處理[11],在熱處理時筒體內(nèi)側(cè)采用工裝固定管板,以盡量減小熱處理變形。 PWHT并檢測合格后, 測量管板平面度。

        b. 殼體內(nèi)搭建管束骨架, 圖6所示為折流板采用工裝聯(lián)接并利用天車配重安裝的現(xiàn)場情況。裝配過程中折流板下側(cè)采用墊塊調(diào)節(jié)折流板與筒體之間的間隙,以保證管孔的同心度。

        c. 在筒體內(nèi)穿管(圖7),管頭安裝柔性錐形導(dǎo)引頭輔助穿管[12],出現(xiàn)卡頓時人員可從折流板缺口處進入進行調(diào)整。 穿管時應(yīng)留出從人孔到活動管板之間的空隙,便于后續(xù)制造過程中人員出入。 此外也避免了焊接時焊瘤焊渣附著在換熱管上。

        圖7 穿管

        d. 裝配活動管板,調(diào)整焊縫間隙,采用拉筋板固定連接。 為避免活動管板焊接變形,兩側(cè)管板采用多根工藝拉桿兩端安裝雙螺母均勻固定聯(lián)接。 焊接過程中應(yīng)采用小電流施焊(按照表2參數(shù)),避免管板產(chǎn)生較大變形。 焊后人員通過人孔進入設(shè)備內(nèi)部清理焊接產(chǎn)生的焊瘤焊渣等雜物。環(huán)縫的無損檢測及熱處理與固定管板側(cè)環(huán)向焊縫的工藝要求一致。

        e. 從活動管板側(cè)引出換熱管,并調(diào)整伸出長度以滿足圖紙要求。 一側(cè)管板與換熱管點焊固定,余量留在另一側(cè)采用移動鏜床加工去除。

        f. 管頭焊接采用手工氬弧焊(按照表2參數(shù)),焊接時要求兩側(cè)管板同時分區(qū)對稱焊,避免出現(xiàn)焊接過程中收縮變形的現(xiàn)象,導(dǎo)致另一端無法伸出管板[13]。

        為保證管頭焊接質(zhì)量,設(shè)備設(shè)計圖樣要求換熱器與管板的焊接接頭需進行RT檢測(圖8)。 為此, 首次引進陽極棒X射線技術(shù)對管頭進行無損探傷[14]。 根據(jù)GB/T 151—2014,該設(shè)備的管頭連接選擇強度焊+貼脹, 因此管板與換熱管采用柔性脹接進行貼脹脹管,根據(jù)評定液壓脹管壓力為170 MPa,脹管時間為每根10 s。 管束部分的水壓試驗應(yīng)符合GB/T 151—2014和GB 150.1~150.4—2011[15]的相關(guān)規(guī)定。

        圖8 管頭RT檢測

        3 結(jié)束語

        通過對大直徑立式換熱器管束的制造,一些關(guān)鍵技術(shù)如大直徑厚壁堆焊管板的制造加工技術(shù)、大直徑管束裝配工藝技術(shù)、大厚度管板與換熱管管頭的射線檢測技術(shù)、高強度雙相不銹鋼換熱管與管板的管頭焊接技術(shù)等都得到創(chuàng)新和優(yōu)化, 特別是管頭陽極棒射線檢測技術(shù)的首次使用,極大地提升了制造廠的制造能力,為后續(xù)類似產(chǎn)品的制造積累了寶貴經(jīng)驗。 同時,化工裝置的大型化也促使制造廠不斷提升自身的制造能力(包括制造設(shè)備能力的提升、制造工藝的創(chuàng)新優(yōu)化、先進制造技術(shù)的引進),以適應(yīng)行業(yè)的快速發(fā)展。

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