关于空冷器管箱加工制造技术的探讨

赵明亮

摘 要：石化企业、炼油厂及液化等行业中均需使用到空冷器设备，作为一种广泛使用的换热器，其生产加工技术需要引起足够重视。当下国内空冷器的设计和制造能力大幅提高，已经摆脱高压空冷器依靠进口设备的局面。相关设计能力、工艺技术等水平均有大幅度提高。文章针对空冷器管箱结构的设计、选材、焊接操作等进行了全面分析，为国内空冷器，尤其是高压空冷器的发展提供一定的参考价值。

关键词：空冷器；管箱；加工制造；高压设备

中图分类号：TH16 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）27-0131-02

Abstract： The air cooler is widely used in petrochemical enterprises， oil refineries and liquefaction industries. As a widely used heat exchanger， its production and processing technology needs to be paid enough attention. At present， the design and manufacturing capacity of domestic air coolers has been greatly improved， which has got rid of the situation that high-pressure air coolers rely on imported equipment. The related design ability， technology and so on level all have the enhancement by a large margin. In this paper， the structure design， material selection and welding operation of the tube box of air cooler are comprehensively analyzed， which provides a certain reference value for the development of domestic air cooler， especially the high pressure air cooler.

Keywords： air cooler； tube box； manufacture； high pressure equipment

1 概述

高壓空冷器系统是整个加氢裂化装置中的核心设备，具有温度高、压力大、临氢的特点，归属于特种设备范围之内。早期国内高压空冷器的设计制造能力不足，高压空冷设备主要有德国路奇公司制造出口。当下高压空冷器在加氢裂化装置中的应用较为广泛，该装置为原油在催化剂、高压氢气、反应温度作用下进行的一系列反应，包含氮气、氧气和硫等物质。反应目的是将减压柴油转变为芳烃、环烷烃等产品，反应温度为400℃左右，压力高达15Mpa。工艺流程中，加氢裂化装置需要经由空冷设备完成冷凝冷却处理，随后流体进入高压分离、低压分离等系统。

2 空冷器管箱制造技术分析

2.1 材料选择

结合当下国内空冷器在不同环境中的工作要求，管箱的钢板一般从下述两种材质中进行选择，一种是临氢介质常用材料15CrMoR钢，另一种是抗硫化氢腐蚀作用良好的材料，16MnR（HIC）钢，上述两种材料在当下空冷设备的制造中具有广泛应用范围，且运行业绩良好。管束方面，从抗腐蚀效果出发，一般选择抗H2S腐蚀的钢管材料，该材料的力学稳定性较高、低脆性条件下转变温度合理，一般多为08Cr2AlMo钢管。

2.2 管箱制造

换热管和管板间的焊接操作。以内部流体介质中含有部分硫化氢、氢气为例进行分析。其设计温度125℃、设计压力为17.12MPa，管板材质是Q345R、换热管为无缝钢管。在进行热处理操作中，管箱焊接后需要及时进行焊道消除应力方面的处理，保证硬度值必须低于180HB，方可认定合格。针对管板焊接质量进行检测验收处理中，换热管和管板之间的焊接接头必须采用全自动深孔填充丝焊接，焊接的工艺评定和宏观检测合格后方可进行后续操作。所有焊接环节中避免管板变形、外观受损等状况，检验处理必须遵循GB150.1-2011相关条款的内容。

2.3 焊接方法的确定

考虑到空冷器的管箱加工制作中，管箱内部空间小，最小边长度为100mm左右，无法进行自动焊处理。空冷器厂家制造环节需要结合管箱特点进行加工处理，如采用小空间、长距离处理，也可采用埋弧自动焊、气体保护焊等操作完成相关加工目的。当下国内空冷制造厂家针对相关问题已经进行了多次试验操作，结果表明管箱隔板和管板、丝堵板件的焊接操作较为严格，为了保证焊透且不焊穿，可借助药芯焊丝气体保护焊来进行自动焊接，板子过厚状况下焊接次数不低于2遍。

对于管箱内部承压的主焊缝而言，其内部焊缝一般为填角焊缝，与外侧焊缝的金属板材料类似，一般该位置采用埋弧自动焊、二氧化碳气体保护焊等方法进行操作。前者要求焊剂供给满足连续化、均匀化、适量化的特点，避免电弧区焊接质量缺陷，同时焊剂气体需要经过去湿处理来完成相关操作，避免外界水份引入焊剂导致的气孔缺陷问题。此外，气体压力需要满足适当化的原则，倘若压力太小，无法保证焊剂稳速前进，输送均一性较差；反之压力过大容易导致焊剂被瞬间吹散，还会导致电弧燃烧受到负面影响，引发焊缝气孔问题。部分设备的加工中，从较高焊接质量要求出发，可能会采用二氧化碳气体保护焊，借助药芯焊丝进行处理，该操作成本高，但是焊接质量更具稳定性，相关作业人员在管箱的加工制造中，必须严格遵守焊接规范，这是提高焊接质量的必要措施。

此外，外侧焊缝的后期处理需引起重视，一般焊缝均需要进行清根操作，保证焊缝区域不会存在未融合部分。操作中需要降低刨偏行为，原因在于这是降低刨穿现象的重要举措，后期补焊操作的难度极大。因此清根处理后需要借助焊条电弧焊进行两次操作，然后自动焊完成相关流程。

在管箱主体和端板的焊接操作中，一般采用单面焊具有较高合理性。先用钨极氩弧焊打底，借助焊条完成后续操作后便可进行装配。需要相关人员注意：避免焊缝间隙过高引发的危害。在接管法兰、管箱盖板间进行焊接操作中個，一般首选单面焊，根部留存2mm距离，焊后根部加工如图2所示，从而得到全焊透的焊缝形式。

2.4 焊后热处理

与管箱管板连接的管子需要经过热处理工序，温度为675℃，但是对于16MnR材料制备的管箱进行热处理，建议温度为620℃。为了提高热处理合理性，厂家需要在前期对母材进行热处理试验分析。一般取板材三块进行不同温度、火态的对比。业内已有试验成果表明，大部分16MnR材料经过两次热处理后强度会出现明显的下降，但是其抗拉强度仍较高。这一现象表明相应热处理工艺一方面可以满足管子和管板的焊缝要求，另一方面也可满足管箱性能要求。

3 管箱制造工艺优化方法

3.1 坡口加工

管箱板料一般会借助机械加工完成相关操作，多数厂家借助刨边机进行加工。焊接方法对坡口形式具有较高影响。长短法兰间一般首选对焊处理，氩弧焊打底、手工焊填充等操作。后期检验必须保证达到100%RT合格，因此双面一般可进行坡口的开放处理。在进行管板、底板的加工处理中，可采用二氧化碳气体保护焊打底、自动焊盖面的方法；管板和侧板间为手工焊打底，气保焊盖面。相关坡口形式必须满足规定化要求，坡口角度误差不可超过2.5°，同时对应粗糙度上限指标为12.5μm。

3.2 组对焊接

该操作是管箱加工中最为关键的步骤，其要点问题分析如下。首先，组对焊操作中的法兰条，一般需要在钢平台表面进行标记处理后方可进行靠模焊接。对于法兰条而言，长度方向不设置收缩余量，宽度方向余量为2-3mm，因此组队焊接中可采用2-3mm的不锈钢板子进行垫接处理，整体法兰完成组装工序后再取出垫块。需引起相关技术人员关注的是，工装固定完成后方可进行焊接处理，一般选择对称施焊处理来避免部件变形问题。多条焊缝的情况下，可采用分散化、对称化的轮流施焊加工，焊接后及时进行保温处理，降低硬度突变等引发的质量缺陷问题。务必保证全部焊接均完成工件冷却处理后方可进行拆除、打磨处理，随后便可进行无损检测，一般达到100%RTII级别的标准可认定为是合格品。

3.3 焊接变形问题的解决

考虑到高压空冷器的管箱中间主要部件是换热管，连接方法均为焊接，因此管和管板的焊接需要从丝堵板处进行操作，为了降低变形危害，可采用深孔焊处理来完成对应要求。这一环节中最为困难的步骤是焊枪必须可完全通过M30的丝堵孔，进入管板口进行焊接操作。管头焊接中必须及时添加焊丝方可完成对应工艺要求，这一操作中需要保证焊接强度满足规范要求。部分空冷器制造厂商为了解决上述问题特意购置了新型机器，即深孔焊机，一般是数控式自动钨极氩弧焊，该设备对焊丝性能和等级具有较高要求。焊丝直径不可过粗或过细、刚度、强度等需要在合适范围内。原因在于焊丝过粗，设备无法将其顺利穿过，过细可能不能满足基本焊接要求，一般选择直径为0.8mm的焊丝较为合理。相关操作前务必将管板、管子周边的杂质、氧化皮、油污等彻底清除。

4 结束语

实践证明，当下高压空冷器的制造加工已经初步达到成熟化阶段。加强管箱制造工艺中变形问题、焊接质量的控制是重点管理部分。可有效压缩工期、降低成本，提高整体作业效率。

参考文献：

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[2]王建华.对空冷器管箱制作工艺的探讨[J].中国科技纵横，2012（6）：53.

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