阳极保护浓硫酸冷却器制造工艺质量控制

田 静，莫春萍，周正亮，李建平，陶晓宇，郑建国

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃兰州 730060）

随着硫酸装置规模大型化，作为其重要配套设备的阳极保护浓硫酸冷却器也必将大型化。某项目干吸工段中干燥塔的阳极保护浓硫酸冷却器壳体壁薄、直径大，换热管数量多，增加了设备机加工、壳体组焊、管束装配、焊接、阴极密封、检验环节的难度，因此需要严格控制制造中的关键环节，保证设备制造质量达标，满足使用要求。

1 阳极保护浓硫酸冷却器制造关键环节质量控制

根据干燥塔阳极保护浓硫酸冷却器结构特点，首先要控制管板和折流板的加工精度和加工质量，控制制造过程中壳体长度、错边量、圆度和直线度指标，完成壳体组焊，减少焊后变形，从而保证与管束的顺利组装；其次，严格控制换热管与管板的焊接质量，通过目视检查及渗透（PT）检测，避免接头缺陷；最后，保证多组对插阴极及参比电极的密封性能，配套耐压试验和氨渗漏试验检验管口焊缝的强度及密封性，验证阴极和参比电极结构的密封性。通过控制阳极保护浓硫酸冷却器制造中的三大关键环节，保证设备制造质量。

1.1 技术参数

干燥塔阳极保护浓硫酸冷却器为固定管板式换热器，换热面积为2 550 m2，设备净质量为48 500 kg，操作质量为94 300 kg，壳体直径为DN2 100 mm，设备总长度为11 300 mm，主要技术参数见表1。

表1 技术参数

1.2 管板、折流板及平盖的加工

干燥塔阳极保护浓硫酸冷却器结构如图1 所示，其共有4 818根换热管、14根阴极。管板和折流板的加工质量和加工精度关系到换热管和阴极在制造过程中是否能够顺利安装，阴极在停车检修中是否能够顺利更换。

图1 大型阳极保护浓硫酸冷却器结构

换热管为Ⅰ级管束，管板厚60 mm，管板管孔直径19.25 mm，允许偏差±0.10 mm，管板底面与轴线的垂直度公差为0.30 mm；管板钻孔面相邻两孔间允许孔桥宽度≥5.69 mm，抽查合格率应≥96%，允许最小孔桥宽度（孔桥数≤4%，且不超过5 个）为4.02 mm；管板管孔表面粗糙度按胀接连接时应≤12.5 μm，管板管孔表面不允许存在贯通的纵向或螺旋向条痕。平盖厚度为68 mm，平盖密封面与轴线的垂直度公差为0.30 mm，加工密封面粗糙度与管板相同，为6.3 μm。

折流板厚度为12 mm，折流板管孔直径19.4 mm，允许偏差0 ～0.30 mm；相邻两管孔中心距允差为±0.30 mm，允许4%的相邻管孔中心距偏差为±0.4 mm；任意两管孔间距偏差为±1.0 mm；折流板应平整，平面度允差为3 mm。

管板、平盖和折流板的机械加工质量和加工精度控制过程：先对管板和平盖的外圆及密封面加工，然后对折流板外圆加工并保证平面度偏差；管板和折流板采用数控机床对管孔定位，保证管板底面与轴线的垂直度、精度，减小孔桥宽度偏差；管板单独加工，采用摇臂钻进行钻孔，过程为先钻孔后扩孔，保证孔内粗糙度达标；为保证同心度，管板阴极孔与平盖阴极一起配钻；折流板预加工一块合格的钻模，保证一定数量折流板中心度重合，为避免因折流板间隙过大而塞入铁屑造成变形，须在公共部位用螺栓固定，参照加工合格的钻模预钻孔定位，然后进行钻孔；折流板上管孔、拉杆孔、阴极孔一起配钻，以保证同心度。

1.3 换热器壳体制造的质量控制

1.3.1 制造过程中的指标控制

壳体制造过程中主要控制壳体长度、筒节纵缝及环缝的对口错边量、壳体圆度及直线度。壳体长度尺寸需按图纸要求，由于换热管为9 m 定尺管，壳体至少由6 段1.5 m 长的筒节拼焊而成，筒节下料时应考虑筒节组对环焊缝数量及焊接收缩量，保证筒节之间纵、环向焊接接头对口错边量满足标准要求。当错边量超标时，会引起筒节在局部产生附加弯曲应力，同时影响制造过程中管束的拆装和壳体折流板间隙，最终影响换热效率。壳体圆度及直线度决定了其与折流板的间隙，间隙过小会造成管束无法顺利装入，间隙过大则导致换热器发生旁路漏流进而影响换热效率，同时壳体圆度不达标还会造成环缝对口错变量超标，焊接时易形成严重缺陷，焊后需返修。

1.3.2 筒节的组焊

切割下料后的板材应去除边缘缺陷，并加工出适合焊接的对接坡口。边缘加工后的坡口表面不得有裂纹、分层、夹杂及影响焊缝质量的其他缺陷。刨边后卷圆、校圆，奥氏体不锈钢板采用冷卷法，卷制壳体时要求变形率≤10%；筒节卷圆时可不预弯，卷成平口圆，平口可稍向内凹，以便校圆；卷圆和校圆过程中应避免钢板表面的机械损伤，对尖锐划痕及防腐蚀表面的局部伤痕、刻槽等缺陷应予以修磨，并保证修磨范围内的斜度，筒节校圆后的圆度为筒节同一断面上的最大内径和最小内径之差（见图2），应符合GB/T 151—2014［1］规定，圆度≤10 mm。

图2 壳体圆度

筒节完成纵缝焊接后，检查A 类对口错变量≤2.5 mm，然后进行环缝组对焊接，检查B类对口错变量≤2.8 mm，筒节环焊缝部分的轴向棱角度≤3.4 mm。由于干燥塔阳极保护浓硫酸冷却器直径过大，壁厚较薄，在自重的影响下，筒体变形呈椭圆形，因此在组焊过程中需要在距环缝200 mm 处设置撑圆工装，防止焊接过程中筒节下陷。该设备壳程接管DN700 mm，属于大开孔焊接，易出现壳体受热变形影响管束安装，因此在接管形式的选择上主要以焊接变形量小为原则；开孔前需要对开孔部位进行刚性支撑，在筒节内侧安装撑圆工装，防止切割及焊接工序造成筒体开孔部位塌陷变形。筒体直线度≤8.0 mm。

此外，因筒节数量多、环焊缝长，等离子焊接在焊接工艺、操作、工件坡口、对接等方面没有得到严格控制的情况下，可能会出现严重的未熔合及深孔缺陷；同时为使拼焊焊缝的数量尽可能少，在确定板料的最佳长度时尽可能取钢板的标准定尺长度或宽度，最短筒节长度应≥300 mm，保证充分使用板料，减少边角余料，提高材料利用率。

干燥塔阳极保护浓硫酸冷却器主要以X 射线（RT）和PT 两种方法进行检测，检验执行标准为NB/T 47013—2015。壳体C、D类焊缝进行100% PT检测，Ⅰ级合格，A、B 类焊缝RT 检测数量≥20%，AB 级，Ⅲ级合格。采用等离子焊接及手工焊接，稳定控制焊接接头质量。

1.4 管束装配

根据图纸要求的折流板及支撑板间距，组装管束支架，拉杆、折流板、支撑板在其两侧焊接牢固，控制折流板、支撑板间距偏差不得超过±2.0 mm。在管板和折流板、支撑板的焊接过程中应采取保护措施，防止焊接飞溅物残留在管孔内，焊接后穿管前需进行清洁度检查，避免在穿管中造成换热管外壁划伤，导致有划伤的换热管在硫酸介质中加速腐蚀。

将换热管管头引导出管板，换热管逐排穿入，管板与筒节角焊缝焊接时为避免管板外突，采用工艺杆固定法减少焊接变形，完成管板与筒节的环向焊缝后再进行换热管与管板焊接。管束上设置两根导向棒，通过壳体上设置的两条支撑导轨，借助外力作用将管束滑入设备内。考虑到由于自重增加造成管束装配难度提升，先穿入2/3 的换热管然后将管束装入设备，再盲穿剩余的换热管，这种方法对管孔和孔间距的加工精度以及组装同轴度具有较高的要求。管束总质量约39 t，自重过大导致下折流板下陷，与上折流板不能有效成标准圆，增加了管束装入壳体的难度，因此设计之初就考虑缩短管束的无支撑跨距来避免管束的变形下陷。

穿管前要求检查换热管及管板表面并核对管孔尺寸，被检表面不应有划伤、氧化色等情况。穿管前，对管板孔与折流板孔的同轴度进行检查，确保孔无油污、无锈蚀、无毛刺，确认管束拉杆无变形。管束与壳体组装前，应检查壳体形状和尺寸偏差，壳体圆度、直线度等均应符合标准规定，壳体内部焊缝应修磨至与壳体内表面齐平，以便管束顺利装入。

1.5 换热管和管板焊接及胀接

干燥塔阳极保护浓硫酸冷却器，换热管与管板焊接接头数量为9 636 个。焊接优点虽多，但并不能完全规避缝隙腐蚀和焊接节点的应力腐蚀，当受到腐蚀介质的侵蚀时，会加速接头的损坏。强度焊接和胀接同时使用，不但能够提高接头的抗疲劳性能，同时可以降低缝隙腐蚀倾向，延长使用寿命。干燥塔阳极保护浓硫酸冷却器采用先强度焊后胀接（详见图3），这样可以提前清理焊接部位，避免因胀接机油等杂质存在导致排气通道堵塞，焊接过程中气体不能及时逸出而存于焊缝中，增加焊缝生成气孔的可能性。

图3 强度焊+胀接

1.5.1 强度焊

将换热管端及管孔内部油污灰尘等清理干净，同时对管板表面进行清理，管端清理长度应不小于换热管外径。管板一端换热管伸出管板一定长度，然后通过点焊固定，另一端去除相同长度的换热管部分，同样进行点焊，保证换热管伸出管板长度及坡口尺寸符合图纸要求，采用自动管板氩弧焊机进行焊接。焊接条件为环境温度＞0 ℃，风速≤2 m/s，焊缝表面平滑内凹，不能外凸，没有形状突变将不会产生应力集中区；控制焊接过程不发生烧穿或未焊透现象，尤其是起弧点，应保证钨极中心点主要在管板层，尽量将主要热量集中在管板侧而不是换热管侧，不得将换热管焊穿，同时在焊接中还应避免因焊缝过于靠近换热管导致运行过程中焊缝产生热效应而发生开裂。焊缝为两道，均需进行加丝氩弧焊，经目视检验合格，焊缝表面平滑过渡，没有出现灰黑色，焊肉没有气孔、裂纹等焊接缺陷，保证焊脚高度至少大于换热管壁厚。

1.5.2 胀接

换热管管口焊接目视检查合格后进行换热管和管板的胀接。胀接前需要根据预实验编制贴胀工艺，确定胀接区长度、塑性变形量、贴合紧密度是否满足要求，随后进行胀接。采用推进式机械滚柱胀接法，胀接部位的换热管和管板孔表面应清理干净，不得留有影响胀接或者焊接质量的毛刺、铁屑和油污等，不能使用有压痕及损伤的胀杆和滚柱。为防止管板变形，胀接采用分区对称跳胀法，不得在局部集中胀接，不得漏胀。

胀管区前后应留有一定距离，应避免在焊缝区域或伸出管板背面胀接，管孔内径扩大部分不得有重皮、起毛和裂纹等，这样能够有效消除热应力，当发生拉应力时首先受力为贴胀区域，相应减小了焊缝区域损害程度，降低由于管束振动引起的损坏。换热管的胀接部分与非胀接部分应圆滑过渡，不得有尖锐的棱角。胀接能够减小换热管与管板孔的间隙，有利于管口焊接应力释放。

采用强度焊后贴胀可防止管程与壳程流体串漏，保证接头能够承受较大的拉脱力，能够承载流体压力或者壳体与换热管之间的热膨胀差等引起的轴向载荷，对换热管的弯曲和振动有防护作用，同时热影响区后移，消除热应力，消除缝隙腐蚀，提高了焊缝的抗疲劳性能。

1.5.3 接头检测

换热管与管板角接接头，采用目视检查及PT检测的方式。第一遍焊接完成后进行目视检查，对发现的缺陷进行修补处理，然后进行第二遍焊接，完成后再进行PT检测消除间接隐患。

第一遍目视检查能够排除自动管板焊机在人员施焊过程中，因盲区内不能实时观察熔池并进行适当调整而产生焊缝表面缺肉、气孔等缺陷，如果不经过目视检查直接进行第二遍焊接，将会增加换热管、管板角焊缝泄漏的隐患。

1.6 阴极及参比电极的密封

阴极和参比电极密封示意见图4和图5。

图4 阴极密封示意

图5 参比电极密封示意

阴极需要穿过水箱、管板、折流板，且与换热管束平行布置，贯穿整个壳体，因此需要解决通过每个部件的密封问题，与封头密封时，阴极基座与封头环缝组焊，用于防酸的阴极密封座与阴极引出管环缝组焊，阴极基座与阴极密封座无缝对接；通过酸侧压盖与水侧压盖时分别进行垫片密封、螺栓固定，以防止阴极座和密封座契合面之间循环水渗出，以及端部阴极引出管内硫酸渗出；与管板密封时，阴极引出管与管板环缝组焊，需保证阴极垂直于管板，不能偏心；折流板与管板上的阴极孔一起配合钻孔，以保证同心度。整个设计配合严密，避免因出现端部渗酸、渗水，造成阴极罩的稀酸腐蚀［2］。

1.7 液压试验

设备耐压试验为壳程和管程液压试验，试验时压力应缓慢上升，确认无泄漏后继续升压，达到规定试验压力后保压足够长的时间，然后将压力降至设计压力，并保持足够长的时间，以对所有焊缝和连接部位进行检查，保证设备无渗漏、无可见变形、试验过程中无异常响动。检查期间压力保持不变，不得采用连续加压来维持试验压力不变。如有渗漏必须泄压后修补，再按上述步骤重新试验。

2 结束语

通过完善的制造工艺流程和组装方案，保证设备制造质量满足图纸要求和设计要求，目前干燥塔阳极保护浓硫酸冷却器已完成现场安装调试，正常运行2年，完全能够满足现场使用工况。