小直径换热器设备制造工艺及管箱结构优化

王 晨,陈 琳

(1.中国五环工程有限公司,湖北 武汉 430223;2.南京三方化工设备监理有限公司,江苏 南京 210836)

随着化工装置的多样化,化工原料和物料反应介质也呈现多样化,易燃、易爆、有毒介质在化工装置中使用得比较广泛。在压力容器设计过程中,对易燃、易爆、有毒介质的压力容器设备检测都提出了较高的要求,增加了设备制造的难度。本文就小直径换热器设备的制造工艺及管箱分层隔板结构优化做了介绍。

1 设备概述

设备为固定管板换热器,其中管箱为4管程、壳程为2管程,壳程中间有隔板;设计压力如下:壳程为1.0 MPa,管程为1.25 MPa;壳程设计温度为190 ℃,管程为150 ℃;介质为TOX/HCHO/H2O,高度危害,易爆,容器类别为Ⅱ类压力容器设备。

设备直径为700 mm,壳程、管程筒节壁厚为14 mm,筒体材料为S31703;换热管尺寸Φ25×2.5,长度为7 500 mm,换热管根数为282根,换热管材料为S31703;管板、设备法兰材料为S31703Ⅲ;设备总长为8 926 mm;设备质量约7.2 t。

该设备直径较小,且压力不高,壳程、管程介质为高危易爆,为保证设备安全,图纸设计数据表要求壳程、管程纵环焊缝做100%射线检测,合格级别为A、B类焊缝/Ⅱ级。设备总图见图1。

图1 设备总图

2 针对特定无损检测要求的制造工艺优化

2.1 难点描述

固定式管板换热器壳体与管束部分制造工艺正常如下:管束部分与壳体部分同时制造;管束部分首先管板钻孔(如图中管板1、管板2),然后搭管架(管板1、折流板、定距管安装),管束搭架后穿换热管;壳程筒体制造同时进行:壳程筒体纵、环焊缝焊接,纵环焊缝无损检测后划线开孔、焊接接管,整体成型后壳体内部焊缝打磨平整,无损检测合格;待上述两部分完成后,壳程筒体与管板(如图所示管板2)焊接环焊缝并进行无损检测,此时100%射线检测是可以正常实现的,完成后管束装入壳程筒体,将换热管管头从管板2全部引出,随后壳程筒体与管板1氩弧焊打底、焊接管头。管头焊接完成后,焊接壳程筒体与管板1的最后一道环焊缝,并按照要求对管板1与壳体最后一道环缝做超声波检测和渗透检测等,完成壳程制造。但本设备管板壳侧凸台与壳程筒体环焊缝焊接结构形式见图2,该设备管板壳侧凸台与壳程筒体环焊缝为对接焊缝,且图纸设计数据表要求A、B类焊缝需做100%射线检测。按上述常规固定式管板换热器制造工艺,管束穿入后因壳程筒体内有换热管、定距管、隔板等,如图所示,管板1与壳程筒体最后一道环焊缝100%射线检测将无法实现。

图2 管板1、管板2与筒体的焊接图

2.2 解决方案

因为本设备物料介质为高危易爆,且壳程介质为高危介质,设计方要求对所有A、B类焊缝进行100%的射线检测,不能用其他检测方法替代。由于设备直径太小,换热管长度较长,且壳程存在定距管、隔板等结构干扰,换热管盲穿的方式也难以实施,因此实际操作中,采取以下方法解决此问题。

先按一般固定式管板换热器的制造方法,分别完成管束制造和壳程筒体的制造(见图3、图4);然后将管束穿入筒体内,完成管板1与壳程筒体最后一道环缝的焊接,最后将换热管从管板1全部推出(见图5),推到壳程筒体与管板1对接焊缝的射线检测范围外,则最后一道环焊缝内部只有定距管和隔板,将放射源通过接管或管板1中管孔放入设备内,进行射线检测;被定距管、隔板遮挡部分射线检测为盲区,盲区部分做好标识后,将设备旋转避开原盲区,再进行反复多次射线检测,直到所有盲区全部检测合格,这样两端管板与筒体环焊缝全部射线检测完成。再将换热管重新穿回管板1,将换热管引出,最后焊接两侧换热管管头,完成壳程的制造。

图3 设备管束成型详图

图4 设备筒体成型详图

图5 设备装配后图示

3 管箱分层隔板结构的优化

该设备管箱的施工图见图6,管箱内部有两个隔板,隔板中间距离为266 mm,两侧距离203 mm,管箱底部到封头距离为844 mm,由于上述尺寸均较小,隔板与封头内壁角焊缝焊接施工难度大,且施工质量很难保证。

图6 管箱结构

为保证管箱隔板的施工便利及设备质量,本文设计出一种更为优化的隔板结构(见图7)。制造时先焊接件号1的中间隔板,隔板长度444 mm,且距离两侧管箱壁345 mm,有较大施工空间;同时,在设备外部做好左右各一个件号2隔板组件,隔板组件先将挡板与隔板焊接成型,再与件号1管程内拼装焊接,这时焊缝处与外边缘有400 mm,焊接施工便利,可以更好地保证焊接质量。该结构的优化降低了施工和焊缝质量的检验、检测难度,保障了设备质量。

图7 管箱优化后的结构详图

4 整台设备制造工艺

4.1 管束制造

管板厚度为80 mm,管孔直径为25.25 mm,282个管板孔,数控钻机床钻孔完成后,管板密封面加工、管孔倒角及孔壁贴胀区域的加工。

壳程隔板长为7 170 mm,宽为690 mm,整板下料,隔板四边上下两面端部加工宽为15 mm,深为1 mm斜坡(见图8)。

图8 密封槽板与隔板结构

管架工装立好,将隔板插入管板1壳程侧榫槽内(见图9),焊接角焊缝,焊脚腰高为5 mm,隔板长为7 170 mm,厚度为8 mm,安装时为保证水平度,筒节工装做临时支撑;安装折流板、定距管,穿282根换热管,完成管束装配。

图9 管板与隔板焊接结构

4.2 壳程筒体

壳程设备直径为700 mm,壳程筒体长为7 330 mm,壁厚为14 mm,筒体材料为S31703;筒体分5节筒节制造,纵环焊缝采用手工焊接,焊接方式:GTAW,焊材类别:FeS-8,焊材牌号为H022Cr19Ni14Mo3,焊材型号:S317L,焊材规格:Φ2.5,焊接预热温度:36 ℃,层间温度为65 ℃;纵环焊缝各筒节全部焊接完成,纵环焊缝100%射线检测合格,最后筒体内壁纵环焊缝打磨平整。

筒体内壁划线,筒体内铆接密封槽板,密封槽板为整板,长度为7 100 mm,宽为20 mm,厚为8 mm,为控制变形量,内壁设置安装工装,并分段进行角焊缝的焊接,完成全部角焊缝的焊接(见图8),做水平度和尺寸检验至合格为止。设备外壁划线焊接鞍座垫板,完成后再与鞍座进行角焊缝焊接。

筒体制造完成后和管板2焊接环焊缝(见图2),然后将筒体内壁纵、环焊缝打磨平整,并按图纸要求做100%射线检测,合格后,对壳程内壁进行酸洗钝化并清洗干净。

4.3 壳程安装

将管束全部推入壳体中,将换热管从管板1中全部引出。管板1壳侧凸台与壳程筒体环焊缝焊接(见图2),并采用本文2.2条款中解决办法完成,检测合格为止。再将换热管从壳体中引出管板1,管板1镗管头至图纸要求尺寸,根据管头焊接工艺要求焊接管头和胀接,然后按图纸要求管头进行无损检测,至合格;管板2管头制造过程按同样方法完成。

壳程制造完成后,按液压试验规程进行试验,压力为1.5 MPa;液压试验结束,按图纸要求的设备耐压试验合格后,壳程、管程焊接接头(包括换热管与管板的焊接接头)及法兰密封面应按NB/T4713.8—2012附录D进行氦检漏试验(试验压力0.104 MPa,泄漏率≤1×10-6Pa·m3/s)。

4.4 管程制造

管程筒体焊接纵焊缝,100%射线检测合格后与封头焊接环焊缝,再与设备法兰焊接环焊缝,焊接完成进行100%射线检测。然后筒体接管组焊,并按图纸要求做100%渗透检测。安装组焊管箱内隔板,全部焊接完成,两侧装水进行盛水试验;完成上述工作后,加工设备法兰及隔板密封面,最后管箱部件的酸洗钝化并清洗干净(见图6)。因不在制造工艺主线上,制造同步进行中,制造时间不影响设备组装。

4.5 设备总装、试验、发运准备

管箱与壳程总装,安装垫片、螺栓、螺母,并紧固螺栓螺母。完成后按液压试验规程进行管程液压试验,液压试验压力1.57 MPa;液压试验结束后,按图纸要求的设备耐压试验合格后,壳程、管程焊接接头(包括换热管与管板的焊接接头)及法兰密封面应按NB/T4713.8—2012附录D进行氦检漏试验(试验压力为0.104 MPa,泄漏率≤1×10-6Pa·m3/s)。试验完成后,用车间压缩空气吹扫至管箱及换热管内壁吹干。最后设备外部酸洗钝化、管口工装封口、塑料薄膜包裹外壁,做设备发运准备。按上述制造工艺,整台设备的制造总耗时30 d左右。

5 结语

设备制造首先需要有合理、正确的制造工艺,才能保证设备制造的顺利进行,并保证设备的制造质量和进度要求。本文介绍的小直径换热器的制造工艺,特别是管板与筒体最后一道环焊缝的100%射线检测方案,既满足了设计要求,同时也保证了设备的制造质量和制造进度。另外,一个合理、便于制造的设计结构会使设备制造过程的质量检验工作变得稳妥可靠,本文介绍的对小直径管箱分程隔板结构进行优化的方法,也是保证设备制造过程顺利实施的重要措施。