摘要 某科研試驗(yàn)裝置設(shè)有一大型冷卻器，用于高溫燃?xì)饫鋮s降溫。該冷卻器殼體為雙層球殼，內(nèi)部安裝大型換熱管束組件，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，體形巨大，為非常見的需現(xiàn)場(chǎng)制作安裝的大型換熱器?？偨Y(jié)了大型雙層殼體球形冷卻器的現(xiàn)場(chǎng)制造安裝主要工藝方法。

關(guān)鍵詞 球形冷卻器；雙層球形殼體；換熱器；現(xiàn)場(chǎng)制安

中圖分類號(hào) TQ051.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1工程概況

某科研單的某型高空試驗(yàn)裝置后段設(shè)有一座球形冷卻器，用于將試驗(yàn)用航空發(fā)動(dòng)機(jī)所排出的帶壓力的高溫燃?xì)鈴?427℃冷卻、降溫至200℃并排入冷卻器之后的滅焰段進(jìn)一步降溫到50℃并去除油污，然后再排入大氣。

該球形冷卻器為內(nèi)置大型換熱管束的雙層球殼大型換熱器。其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要由內(nèi)球殼、外球殼、上水箱、下水箱、環(huán)水箱、弓形架、冷卻隔板、換熱管束、設(shè)備支座、檢修人孔、進(jìn)出水管路等組成，如圖1、圖2所示。內(nèi)外球殼分為左右2個(gè)部分，由環(huán)形中間隔板（又稱為環(huán)水箱右側(cè)隔板）隔開。球殼靠中間隔板的一帶球殼分別稱為左右球環(huán)，其余分別稱為左右半球殼。

內(nèi)外球殼為同心球殼，冷卻器的內(nèi)球殼內(nèi)徑為SD12.30m，內(nèi)球殼壁厚36mm，外球殼內(nèi)徑SD12.572m，外球殼壁厚20mm。內(nèi)外球殼間形成間距100mm的夾套，作為循環(huán)冷卻水通道。球殼外設(shè)置外環(huán)水箱，直徑為14.10m。在球殼內(nèi)設(shè)置上水箱、下水箱，上下水箱間安裝3組換熱器管束組件，每組換熱管束組件尺寸為L(zhǎng)3040mm×W2990mm×H7060mm（長(zhǎng)×寬×高），每件重量41.35t。換熱管內(nèi)為冷卻水通道，換熱管間為高溫燃?xì)馔ǖ?。冷卻水從下水箱注入，通過(guò)管束，從上水箱排出，冷卻器水夾套的最高處設(shè)放氣閥和安全閥。冷卻器球殼板及結(jié)構(gòu)件材料均采用Q345R。換熱管共計(jì)6825根，每組2275根，單根長(zhǎng)度7060mm，采用38×2.5mm的20g無(wú)縫鋼管。冷卻器設(shè)備總重約455t，安裝中心標(biāo)高距±0.0065m。

設(shè)計(jì)工況：進(jìn)口燃?xì)鉁囟?700K（1427℃），出口燃?xì)鉁囟?73K（200℃）；內(nèi)壁面平均溫度：150℃；燃?xì)鈮毫Γ?～150kPa；冷卻器內(nèi)部燃?xì)獗級(jí)毫Γ?00kPa；冷卻水進(jìn)口壓力：400kPa（絕壓）；冷卻水進(jìn)口/出口水溫：30℃/60℃。換熱面積：5704m2，冷卻水流量17500m3/h。試驗(yàn)壓力：P=0.55MPa。

主要施工技術(shù)要求：?jiǎn)纹驓ぐ宀辉试S拼接，內(nèi)外球殼間距100mm，允許偏差5mm；內(nèi)球殼體兩極的凈距與球殼設(shè)計(jì)內(nèi)徑之差、赤道截面的最大內(nèi)直徑與最小內(nèi)直徑之差均應(yīng)小于內(nèi)球殼設(shè)計(jì)內(nèi)直徑的0.4%，且不大于50mm；內(nèi)殼體須進(jìn)行組焊后的應(yīng)力消除；換熱管與管板的焊接采用脹-焊-脹焊接工藝；內(nèi)球殼體焊接后消除應(yīng)力熱處理；殼體A、B類焊縫100%UT檢測(cè)Ⅰ級(jí)合格，25%RT檢測(cè)Ⅱ級(jí)合格。

2制安重難點(diǎn)分析

根據(jù)該球形冷卻器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其現(xiàn)場(chǎng)制作安裝需解決重難點(diǎn)是：①制定合理的總體組裝工藝順序，以解決球殼內(nèi)換熱管束等內(nèi)部構(gòu)件安裝難以進(jìn)入的難題；②內(nèi)外球殼的合理工藝分瓣與分段；③雙層球殼的現(xiàn)場(chǎng)組裝工藝；④內(nèi)球殼組焊后整體消除應(yīng)力的措施；⑤管束組件的管板脹焊脹連接。

3總體思路與工藝流程

總體工藝思路為：先組裝就位球殼體（含中間隔板），再拆除頂部的部分球殼以安裝內(nèi)構(gòu)件，最后恢復(fù)球殼。即內(nèi)球殼先組裝為一個(gè)整體，待整體內(nèi)燃法退火消應(yīng)熱處理后，再暫時(shí)吊開右內(nèi)球殼上部的殼體，創(chuàng)造出內(nèi)部換熱管束的吊裝空間。管束等內(nèi)構(gòu)件安裝完成后，恢復(fù)上部的內(nèi)球殼，再安裝外球殼?？傮w施工工藝流程如圖3所示。

冷卻器球殼，由專業(yè)廠家按工藝分瓣壓制，現(xiàn)場(chǎng)組裝。為確保球殼整體成形精度控制，球殼的組裝參照球形儲(chǔ)罐施工規(guī)范采用環(huán)帶法組裝工藝，主要采取在地面鋼平臺(tái)上分別組裝各球環(huán)及球殼，再分別整體翻身吊裝就位的方法，同時(shí)球殼組裝時(shí)，相關(guān)構(gòu)件與其一道協(xié)同組裝。由于場(chǎng)地限制，現(xiàn)場(chǎng)工藝構(gòu)件及部段的翻身和就位吊裝均采用汽車吊方式。如場(chǎng)地條件允許，可采用門式起重機(jī)來(lái)進(jìn)行設(shè)備吊裝。

4冷卻器球殼分瓣與分段

球殼分瓣的尺寸，需考慮球殼廠家能夠壓制的板幅、球殼上的開孔及殼體焊縫錯(cuò)縫情況，合理確定分瓣數(shù)量和尺寸。開孔須避開焊縫，殼體縱向焊縫應(yīng)錯(cuò)開殼體壁厚的3倍以上，且不小于100mm［1］。按該原則，左右內(nèi)外半球殼分別均分為16瓣，如圖4所示。

左右內(nèi)外球環(huán)分別分為4段，各段的弧長(zhǎng)及圓心角如圖5所示。左右內(nèi)球環(huán)幅寬分別比左右外球環(huán)寬200mm，以錯(cuò)開內(nèi)外球殼與球環(huán)合攏組對(duì)的環(huán)焊縫。左內(nèi)球環(huán)幅寬2164mm，左外球環(huán)幅寬1964mm;右內(nèi)球環(huán)幅寬2536mm，右外球環(huán)幅寬2336mm。球環(huán)分段還需同時(shí)考慮安裝就位后，在安裝管束組件時(shí)拆除靠上部殼體時(shí)能創(chuàng)造出合適的開口空間。

各球殼分瓣由專業(yè)廠家壓制，出廠時(shí)需按焊接工藝要求開好坡口，嚴(yán)格按照SH/T3512-2011《石油化工球形儲(chǔ)罐施工技術(shù)規(guī)程》相關(guān)要求控制成型尺寸。

5冷卻器殼體組裝

殼體組裝的主要施工順序如表1所示。

球殼組裝的主要施工方法如下述。

5.1右內(nèi)球環(huán)組裝

組裝時(shí)右內(nèi)球環(huán)大口端朝上，預(yù)留換熱管束安裝時(shí)需拆除的冷卻器上部?jī)?nèi)殼板兩端的焊縫不焊（僅點(diǎn)焊定位，保留相應(yīng)的組對(duì)龍門卡具）。

在鋼平臺(tái)上劃線安設(shè)墊塊、擋塊、支撐工裝（胎具），將球環(huán)分瓣逐一吊裝組對(duì)。采用龍門卡等工裝卡具調(diào)整殼板對(duì)口間隙、錯(cuò)邊量、棱角度、上下口環(huán)圓度、周長(zhǎng)及上口水平度等，使其偏差符合SH/T3512-2011《石油化工球形儲(chǔ)罐施工技術(shù)規(guī)程》要求。組對(duì)后上、下環(huán)口周長(zhǎng)偏差不得大于10mm，圓度不應(yīng)大于其直徑的3/1000，且不大于30mm。組對(duì)好后內(nèi)部加設(shè)米字撐。

5.2中間隔板及左內(nèi)球環(huán)組裝

右內(nèi)球環(huán)焊接完成，并經(jīng)檢查合格后，將中間隔板與右內(nèi)球環(huán)大口端組對(duì)，焊接定位擋塊定位。在中間隔板上劃定位線，將左內(nèi)球環(huán)各殼板吊裝到中間隔板上進(jìn)行組對(duì)、焊接。中間隔板與左內(nèi)球環(huán)需焊接為一體。組焊完成后，進(jìn)行相應(yīng)殼體開孔，在球環(huán)內(nèi)部加設(shè)米字撐，如圖6所示。

5.3左外球環(huán)及環(huán)水箱左側(cè)板組焊

在左內(nèi)球環(huán)殼體外面安裝定距短管，然后將左外球環(huán)各分段殼體吊裝到中間隔板上以左外球環(huán)殼體為基準(zhǔn)進(jìn)行組裝，同時(shí)安裝焊接環(huán)水箱左側(cè)板及相應(yīng)加強(qiáng)筋板。除位于冷卻器安裝后靠下部的外球環(huán)殼體部分及水箱支撐板等需與內(nèi)球環(huán)組焊為一體外，其余3段左外球環(huán)分段相互間暫不焊接在一起，在組裝合格后，分別吊放在一旁待安裝，如圖7所示。

5.4其余殼體組裝

在左右內(nèi)球環(huán)安裝就位騰出鋼平臺(tái)后，分別在鋼平臺(tái)上組裝左內(nèi)半球殼、右內(nèi)半球殼、右外球環(huán)及左外半球殼、右外半球殼（圖7）。半球殼組對(duì)時(shí)，內(nèi)部設(shè)置工裝胎架，如圖8所示。

5.5左內(nèi)半球殼組裝另一種方法

以組焊完成的左內(nèi)球環(huán)為基準(zhǔn)，直接在其上組對(duì)左內(nèi)球殼。左內(nèi)半球殼與左內(nèi)球環(huán)間的環(huán)縫不焊接。左內(nèi)球殼組焊合格后，暫吊放一旁，待安裝，如圖9所示。

6殼體及管束等內(nèi)構(gòu)件安裝

冷卻器殼體及管束等內(nèi)構(gòu)件的安裝按總體施工工藝流程所確定順序，采用分段吊裝就位的方式。根據(jù)各分段重量、吊裝半徑情況，經(jīng)計(jì)算選用1臺(tái)220t汽車吊作為主吊，1臺(tái)75t汽車吊溜尾配合。首先將各分段由水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)成立式狀態(tài)，然后由220t汽車吊將各分段吊裝就位。各分段由BIM模型精確測(cè)算出重心位置，按翻身與吊裝需要計(jì)算選用和安裝相應(yīng)的管式吊耳。殼體及內(nèi)構(gòu)件主要安裝順序如表2所示，主要相關(guān)實(shí)際施工照片如表3所示。

7內(nèi)球殼消應(yīng)退火熱處理

內(nèi)球殼消除應(yīng)力熱處理借鑒球罐制安所采用內(nèi)燃法退火熱處理。燃燒器高壓噴嘴裝在球殼下部排污孔處，燃燒后的煙氣由裝在球殼上部人孔處帶蝶閥的煙囪排出（圖10）。

球殼上、下部其它接管孔除作為空氣對(duì)流用外均用絕熱材料封堵。按照GB150-2011《壓力容器》GB/T30583-2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》和GB/T12337-2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》等規(guī)范相關(guān)要求，確定熱處理工藝參數(shù)為：熱處理溫度：600℃±20℃；升溫速度（℃/h）：400℃以下，自然升溫；400℃以上，50～80℃/h；恒溫時(shí)間（h）：2h；降溫速度（℃/h）：400℃以上，30～50℃/h范圍，400℃以下自然冷卻［2］。400℃以上升溫和降溫過(guò)程中，任意2點(diǎn)的溫差不得超過(guò)120℃［2］，恒溫期間，任意兩測(cè)溫點(diǎn)溫差控制在80℃以內(nèi)。

內(nèi)球殼熱處理前需拆除殼體內(nèi)部所有臨時(shí)設(shè)施，殼體外腳手架與殼體外表面應(yīng)有充足的距離以滿足保溫和殼體受熱膨脹要求。松開球殼下部臨時(shí)支撐，切開球殼底板與支座間的點(diǎn)焊臨時(shí)固定處，以使殼體在熱處理過(guò)程中能自由膨脹。

采用熱電偶測(cè)溫，測(cè)溫點(diǎn)均勻布置在球殼板外表面，相鄰測(cè)溫點(diǎn)間距不大于4500mm，距人孔與球殼板焊縫邊緣200mm以內(nèi)及產(chǎn)品焊接試板上必須設(shè)測(cè)溫點(diǎn)。本內(nèi)球殼熱處理共計(jì)設(shè)置50個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。熱電偶的安裝采用儲(chǔ)能式熱電偶點(diǎn)焊機(jī)將熱電偶牢固點(diǎn)焊在殼體外表面上。溫度記錄采用連續(xù)自動(dòng)記錄儀表，儀表精度應(yīng)達(dá)到1%。

采用自動(dòng)控制的燃燒器，燃燒器火焰長(zhǎng)度控制在1000～1500mm。溫度檢測(cè)系統(tǒng)每3s跟蹤巡檢每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，返饋給燃燒器控制系統(tǒng)，過(guò)程中自動(dòng)控制優(yōu)化油氣比。

8管束組件管板脹焊脹連接工藝要點(diǎn)

本換熱管束組件其外形尺寸和重量均較大，運(yùn)行時(shí)換熱管受氣流沖擊振動(dòng)較大。為保證換熱管束組件安全運(yùn)行和使用壽命，設(shè)計(jì)要求管板連接采用“脹-焊-脹”工藝。該工藝實(shí)質(zhì)為：換熱管穿裝后，先進(jìn)行貼脹以消除換熱管與管板孔之間的縫隙［3］，并達(dá)到管子定位作用；然后按照管板焊接工藝評(píng)定進(jìn)行焊接，以保證管子和管板的密封和連接強(qiáng)度；焊接后再進(jìn)行一次復(fù)脹，以在焊縫的拉伸殘余應(yīng)力場(chǎng)中，留下一個(gè)壓縮殘余應(yīng)力體系。2種殘余應(yīng)力相互疊加的結(jié)果，使其拉伸殘余應(yīng)力的峰值大減；二次應(yīng)變又引起應(yīng)力的重新分布，結(jié)果起到調(diào)整和均化應(yīng)力場(chǎng)的效果，最終將殘余應(yīng)力的峰值削弱到預(yù)定限度以下［4］。以此達(dá)到確保接頭連接質(zhì)量和提高接頭的抗疲勞、抗應(yīng)力腐蝕能力。

為保證“脹-焊-脹”的工藝質(zhì)量，正式施工前需使用與正式生產(chǎn)相同的管板和換熱管材料加工制作工藝試件，進(jìn)行相應(yīng)的貼脹（即初脹）、焊接、復(fù)脹工藝試驗(yàn)和工藝評(píng)定，以確定2次脹管的合適脹度。根據(jù)GB/T151-2014《熱交換器》規(guī)范，強(qiáng)度焊加貼脹工藝的管板孔可不開槽，當(dāng)采用先脹后焊制造工藝時(shí)不留不脹部分，即需脹接到坡口根部（圖11）。

根據(jù)工藝試驗(yàn)，換熱管初脹以管壁減薄率計(jì)算的脹度控制在2%～3%即可，焊后復(fù)脹以復(fù)脹后管子內(nèi)徑增加值控制在0.1～0.4mm即可。復(fù)脹后焊縫應(yīng)無(wú)裂紋，探傷應(yīng)合格，對(duì)接頭解剖檢查（圖12），管子與管板間應(yīng)無(wú)間隙，管壁減薄率應(yīng)控制在10%以內(nèi)，管子擴(kuò)大部分的過(guò)渡區(qū)應(yīng)無(wú)明顯棱角。脹管可采用機(jī)械脹或液壓脹均可，管板焊接采用專用管板自動(dòng)氬弧焊機(jī)。

要保證管板接頭脹接質(zhì)量，還要嚴(yán)格控制換熱管材料質(zhì)量和管板孔的加工質(zhì)量，嚴(yán)格控制管孔與換熱管的徑向間隙。換熱管采用定尺采購(gòu)，其材質(zhì)和性能應(yīng)符合GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求，質(zhì)量證明文件應(yīng)齊全。管子外表不得有重皮、裂紋、磨點(diǎn)、刻痕、壓扁等缺陷。管外徑偏差應(yīng)符合GB/T151-2014《熱交換器》規(guī)定的Ⅱ級(jí)管束換熱管外徑的允許偏差范圍，即38×2.5mm管子外徑允許偏差±0.20mm。最小壁厚偏差0～0.6mm。每根換熱管均須進(jìn)行外觀檢查和液壓試驗(yàn)合格后方可使用。管板和管子不得拼接。管板鉆孔采用數(shù)孔機(jī)床疊板配鉆，以保證兩端管板對(duì)應(yīng)管孔的同心度。管板管孔直徑按GB/T151-2014《熱交換器》Ⅱ級(jí)管束規(guī)定取值為38.5mm，允許偏差-0.20～+0.10mm。

9結(jié)束語(yǔ)

上述主要制安工藝的實(shí)施，成功解決了該大型雙層殼體球形冷卻器制安重難點(diǎn)問(wèn)題，保證了該冷卻器保質(zhì)保量按期順利建成?，F(xiàn)該冷卻器投入使用已達(dá)2年多，運(yùn)行良好，業(yè)主對(duì)其建造和使用均非常滿意。

參考文獻(xiàn)

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