王會(huì)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(huán)冷卻器是某化工生產(chǎn)裝置的關(guān)鍵設(shè)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(yán)重，導(dǎo)致管頭出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏，堵塞泄漏的換熱管又使換熱效率嚴(yán)重下降，造成裝置產(chǎn)能下降。為保證生產(chǎn)裝置能夠正常、穩(wěn)定運(yùn)行，決定重新設(shè)計(jì)制造一臺(tái)，替換不能正常運(yùn)行的舊設(shè)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(shè)備管箱為碗形整體鍛件結(jié)構(gòu)，且直徑較小，此結(jié)構(gòu)在管板堆焊和管頭焊接時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響焊工操作，焊接質(zhì)量無(wú)法保證。因此，本文主要是對(duì)管箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)及質(zhì)量控制，從而保證管板的堆焊質(zhì)量，提高換熱管管頭與管板的焊接質(zhì)量。設(shè)備投入使用后，運(yùn)行效果良好，各項(xiàng)性能達(dá)到工藝要求，實(shí)現(xiàn)了安全、穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。

1 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

該高壓循環(huán)冷卻器(管箱設(shè)計(jì)改進(jìn)后)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。設(shè)備為U形管式換熱器，結(jié)構(gòu)較特殊，設(shè)計(jì)、制造都存在技術(shù)難點(diǎn)。

表1 設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

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(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

原設(shè)備管箱材料為16MnⅣ級(jí)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(jí)鍛件、封頭為Q345R板材。

2 管箱設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.1 設(shè)計(jì)改進(jìn)要求

為保證新設(shè)備能順利安裝到原基礎(chǔ)上，設(shè)備的重量不能增加太多。這意味著設(shè)備的管程、殼程的厚度盡可能保持原設(shè)備的厚度。設(shè)計(jì)改進(jìn)時(shí)采用SW6-2011壓力容器強(qiáng)度計(jì)算軟件對(duì)整臺(tái)設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，經(jīng)計(jì)算原管程、殼程部件厚度完全滿足強(qiáng)度要求。

2.2 原管箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

原設(shè)備管箱為碗形整體鍛件結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是管箱筒體與管板間沒(méi)有焊縫。但缺點(diǎn)是：

圖2 原管箱結(jié)構(gòu)

1)碗形鍛件鍛造時(shí)只能采用模鍛工藝，從而大大增加了鍛件的采購(gòu)成本。

2)管板堆焊時(shí)，不能采用帶極堆焊，因管箱直徑小僅為 400 mm，而焊機(jī)的機(jī)頭較長(zhǎng)，不能伸到管箱內(nèi)。只能采用手工焊條堆焊，但焊工又無(wú)法進(jìn)入管箱，只能將手臂伸進(jìn)去焊，導(dǎo)致無(wú)法觀察焊接產(chǎn)生的氣孔和夾渣，且堆焊層厚度也無(wú)法控制，管板堆焊質(zhì)量難以保證。

3)管頭焊接時(shí)，焊工也只能將手臂伸進(jìn)去焊，管頭的焊接質(zhì)量更難以保證。

2.3 設(shè)計(jì)改進(jìn)管箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

設(shè)計(jì)改進(jìn)是將管箱筒體與管板設(shè)計(jì)成獨(dú)立的兩件(即分開(kāi)式結(jié)構(gòu))，通過(guò)焊接將兩件連接在一起(見(jiàn)圖3)，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：

圖3 設(shè)計(jì)改進(jìn)的管箱結(jié)構(gòu)

1)管板、管箱筒體鍛件鍛造時(shí)可采用自由鍛工藝，從而降低了鍛件的采購(gòu)成本。

2)管板可采用帶極堆焊，堆焊層厚度和質(zhì)量易控制，從而保證管板的堆焊質(zhì)量。

3)管頭焊接時(shí)，只需將管束與殼程筒體組裝，就可進(jìn)行管頭的焊接，可全方位轉(zhuǎn)動(dòng)焊接管頭，焊接質(zhì)量易控制。管頭焊接完成并經(jīng)無(wú)損檢測(cè)合格后，對(duì)殼程做水壓和氨檢漏試驗(yàn)，檢測(cè)換熱管與管板的焊接質(zhì)量，試驗(yàn)合格后，才將管箱筒體與管板進(jìn)行組焊，從而更好的保證了管頭的焊接質(zhì)量。

缺點(diǎn)是管箱筒體與管板間形成一道深環(huán)焊縫，焊后需對(duì)焊縫進(jìn)行局部消除應(yīng)力熱處理。為解決此難題，采用公司最先進(jìn)的窄間隙自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行焊接，對(duì)焊縫質(zhì)量采用衍射時(shí)差超聲(TOFD)檢測(cè)[1]，熱處理設(shè)備采用履帶式陶瓷電加熱器，對(duì)換熱器設(shè)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(jīng)驗(yàn)，為設(shè)備的制造質(zhì)量提供了保證。

3 關(guān)鍵零件制造難點(diǎn)分析及質(zhì)量控制

3.1 材料控制

因設(shè)備管程為高溫高壓，所以管板、管箱筒體材料選用16MnⅣ級(jí)鍛件，材料的化學(xué)成分、機(jī)械性能、檢測(cè)要求等符合NB/T47008鍛件標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)附加高溫拉伸試驗(yàn)、磁粉檢測(cè)、晶粒度測(cè)定及非金屬夾雜物試驗(yàn)，材料進(jìn)廠后按《固容規(guī)》要求對(duì)化學(xué)成分和機(jī)械性能進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，超聲檢測(cè)等，經(jīng)檢測(cè)材料各項(xiàng)工藝性能滿足要求。換熱管為U形管，在彎制過(guò)程中易發(fā)生損傷，且U形管管束組裝后內(nèi)排換熱管難以更換，為在組裝前及時(shí)發(fā)現(xiàn)和控制風(fēng)險(xiǎn)，在采購(gòu)時(shí)要求U形換熱管彎制后逐根進(jìn)行水壓試驗(yàn)，壓力為管程水壓試驗(yàn)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(zhì)量好，易保證管頭的焊接質(zhì)量，且堆焊效率高。堆焊過(guò)渡層材質(zhì)為D309，耐蝕層材質(zhì)為D308，過(guò)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(zhì)量，管板堆焊時(shí)按以下順序進(jìn)行：待堆焊表面無(wú)損檢測(cè)[1](100%MT，Ⅰ級(jí)合格)→焊前預(yù)熱(≥100 ℃)→堆焊過(guò)渡層→進(jìn)爐消除應(yīng)力熱處理→出爐緩冷至室溫→過(guò)渡層無(wú)損檢測(cè)(100%PT，Ⅰ級(jí)合格)→堆焊耐蝕層→耐蝕層無(wú)損檢測(cè)(100%PT，Ⅰ級(jí)合格)。

為獲得更好的耐蝕層，提高抗腐蝕能力，堆焊過(guò)程中應(yīng)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?xún)?nèi)，且堆焊過(guò)程嚴(yán)格控制層間溫度，過(guò)渡層≥100～200 ℃，耐蝕層≤150 ℃。為消除管板堆焊過(guò)程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，在完成過(guò)渡層堆焊后需進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。按焊接工藝評(píng)定給定的熱處理參數(shù)，熱處理溫度為620±20 ℃，保溫時(shí)間為 3 h，并嚴(yán)格控制升降溫速度和爐內(nèi)氣氛。熱處理后，對(duì)過(guò)渡層表面做100%PT檢測(cè)合格后，再進(jìn)行耐蝕層堆焊，焊后做100%PT檢測(cè)[1]，經(jīng)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋，達(dá)到Ⅰ級(jí)合格要求[3]。實(shí)踐證明，過(guò)渡層堆焊完成后及時(shí)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，效果非常良好，從而保證了堆焊質(zhì)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(shè)備的組裝和使用性能。因管板較厚且是堆焊結(jié)構(gòu)，而且，折流板的數(shù)量較多，采用常規(guī)加工方法難以保證管孔間距和同心度，必須先用數(shù)控機(jī)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(zhì)量的好壞，直接影響換熱器的制造質(zhì)量，因管頭容易發(fā)生泄漏，影響換熱器的正常使用。本設(shè)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(xiàn)氣孔、未焊透等缺陷。所以，選擇技能優(yōu)秀的焊工進(jìn)行焊接，焊接前進(jìn)行培訓(xùn)和交底，焊接中嚴(yán)格工藝紀(jì)律。并按焊接工藝評(píng)定給定的工藝參數(shù)(見(jiàn)表2)對(duì)管頭實(shí)施焊接，換熱管與管板焊接示意圖見(jiàn)圖4所示。焊接時(shí)嚴(yán)格按以下步驟進(jìn)行：

表2 焊接工藝參數(shù)

圖4 換熱管與管板焊接示意圖

1)焊前準(zhǔn)備：U形換熱管管端清除表面附著物及氧化層，管端清理長(zhǎng)度不小于 25 mm；并用丙酮將焊絲表面及管板坡口側(cè)約 20 mm 范圍內(nèi)的灰塵、油污等清除干凈。清理后，應(yīng)迅速進(jìn)行焊接，否則須對(duì)坡口采取遮蓋等保護(hù)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(zhǎng)度合格后，用氬弧焊點(diǎn)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(shí)電弧盡量偏向管板一側(cè)，并采用小參數(shù)，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(diǎn)應(yīng)錯(cuò)開(kāi)180°。由于管頭是全位置焊，應(yīng)隨時(shí)變換焊槍、焊絲的相對(duì)位置。打底層焊接完成后，為保證管頭質(zhì)量，采用氣密性試驗(yàn)(0.5 MPa 表壓)檢查管頭有無(wú)滲漏，若有滲漏及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)焊，避免了焊后返工量大，并節(jié)約大量焊材，縮短了設(shè)備的制造工期，檢查合格后，及時(shí)進(jìn)行蓋面層焊接。

4)焊接控制要點(diǎn)：焊接缺陷特別是氣孔和未焊透容易產(chǎn)生在引弧和熄弧處，要求引弧時(shí)少加或不加焊絲，放緩焊接速度，保證起焊點(diǎn)熔池有足夠高的溫度；不要突然熄弧，熄弧前焊絲連續(xù)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(cè)熄弧，待焊縫金屬完全冷卻后再移開(kāi)焊槍。焊接時(shí)若發(fā)現(xiàn)電弧呈藍(lán)色或熔池有發(fā)泡現(xiàn)象，說(shuō)明已產(chǎn)生氣孔，應(yīng)立即停止焊接，修磨、清除，然后繼續(xù)焊接，要求換熱管-管板角焊縫應(yīng)保持內(nèi)凹的外觀形狀。

按上述步驟嚴(yán)格對(duì)管頭進(jìn)行焊接，經(jīng)目視、100%PT檢測(cè)[1]，壓力試驗(yàn)檢驗(yàn)，管頭均無(wú)滲漏，全部合格，焊接質(zhì)量達(dá)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(huán)焊縫，為了降低勞動(dòng)強(qiáng)度，焊接采用公司最先進(jìn)的窄間隙焊機(jī)進(jìn)行。因窄間隙焊接是厚板焊接領(lǐng)域的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，與普通坡口的埋弧焊相比，窄間隙焊具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。如坡口窄、焊縫金屬填充量少，可以節(jié)省大量的焊材和焊接工時(shí)，且窄間隙焊時(shí)熱輸入量較低，使焊縫金屬和熱影響區(qū)的組織明顯細(xì)化，從而提高其力學(xué)性能，特別是塑性和韌性。

按焊接工藝評(píng)定給定的工藝參數(shù)(見(jiàn)表3)，焊接坡口見(jiàn)圖5。焊接時(shí)內(nèi)、外兩側(cè)分別多層多道進(jìn)行焊接，按額定的焊接參數(shù)，每條焊道保證一定的焊縫金屬厚度，同時(shí)控制合適的層間溫度及熱輸入量。焊接完成后對(duì)焊縫進(jìn)行衍射時(shí)差超聲(TOFD)檢測(cè)[1]，經(jīng)檢測(cè)達(dá)Ⅰ級(jí)合格，滿足設(shè)計(jì)要求。為消除焊接應(yīng)力，需進(jìn)行局部消除應(yīng)力熱處理。按焊接工藝評(píng)定給定的熱處理參數(shù)，熱處理溫度為620±20 ℃，保溫時(shí)間為 3 h，熱處理時(shí)嚴(yán)格控制升降溫速度。

表3 管箱筒體與管板焊接工藝參數(shù)

圖5 管箱筒體與管板焊接示意圖

4 水壓試驗(yàn)和泄漏試驗(yàn)

因設(shè)備管程為高壓(設(shè)計(jì)壓力：34.8 MPa)，殼程為低壓(設(shè)計(jì)壓力：0.7 MPa)，壓力試驗(yàn)的難點(diǎn)是如何進(jìn)行換熱管與管板接頭的試壓，GB/T151規(guī)定“當(dāng)管程試驗(yàn)壓力高于殼程試驗(yàn)壓力時(shí)，管頭試壓應(yīng)按圖樣規(guī)定，或按供需雙方商定的方法進(jìn)行?！睘榻鉀Q此難題，設(shè)計(jì)時(shí)要求按HG/T20584-2011附錄A：對(duì)殼程充入10%～30%(體積)氨氣 (B法)進(jìn)行試驗(yàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)氨檢漏試驗(yàn))，因氨的滲透性較強(qiáng)，試驗(yàn)易操作，費(fèi)用低，還能清楚確定泄漏點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)。設(shè)備的壓力試驗(yàn)方案如下：

1)殼程水壓試驗(yàn)和泄漏試驗(yàn)

管頭焊接后，并完成檢驗(yàn)和PT檢測(cè)合格后，進(jìn)行殼程水壓試壓，檢查換熱管與管板的焊接接頭質(zhì)量；同時(shí)檢查殼程整體強(qiáng)度和密封結(jié)構(gòu)的密封性能。合格后再對(duì)殼程進(jìn)行氨檢漏試驗(yàn)[3]，為準(zhǔn)確有效的檢驗(yàn)管頭的焊接質(zhì)量，試驗(yàn)參數(shù)定為：壓力為 0.3 MPa，氨氣體積分?jǐn)?shù)20%，保壓12小時(shí)，主要檢測(cè)換熱管與管板的焊接接頭質(zhì)量，經(jīng)檢測(cè)管頭無(wú)滲漏，說(shuō)明管頭的焊接質(zhì)量達(dá)到要求。

2)管程水壓試驗(yàn)

在殼程水壓和氨檢漏試驗(yàn)均合格后，將管箱筒體與管板進(jìn)行組焊，經(jīng)局部消除應(yīng)力熱處理和TOFD檢測(cè)合格后，組裝平蓋、密封件和緊固件，總檢合格后，對(duì)管程進(jìn)行水壓試驗(yàn)，逐步升壓至試驗(yàn)壓力，保壓 10 min；然后降至設(shè)計(jì)壓力，保證足夠時(shí)間檢查管程的焊縫強(qiáng)度、密封件的密封性能等[4]，經(jīng)檢查均無(wú)滲漏，全部合格，說(shuō)明采用合格的焊接和熱處工藝參數(shù)，是確保管箱筒體與管板的焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

5 結(jié)論

通過(guò)上述工作，所設(shè)計(jì)改進(jìn)制造的高壓循環(huán)冷卻器管箱完全符合GB/T151標(biāo)準(zhǔn)要求，圓滿完成了設(shè)計(jì)及制造任務(wù)。可得出以下結(jié)論：

1)管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)后，鍛件鍛造時(shí)可采用自由鍛工藝，從而降低了鍛件的采購(gòu)成本；

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

3)有利于進(jìn)行管頭焊接和各項(xiàng)檢測(cè)，從而保證了管頭質(zhì)量，提高了設(shè)備的運(yùn)行周期；

4)對(duì)于厚管板，管孔直徑小，長(zhǎng)徑比大，折流板的數(shù)量較多的換熱器，采用常規(guī)鉆孔方法難以保證管孔質(zhì)量和同心度，應(yīng)在數(shù)控機(jī)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(shù)和合理的焊接操作方法，保證了管頭的焊接質(zhì)量；

5)采用合理的試壓方案，有效保證了設(shè)備的制造質(zhì)量，同時(shí)節(jié)約了設(shè)備的制造成本。