小直徑換熱器設備制造工藝及管箱結構優化

王 晨,陳 琳

(1.中國五環工程有限公司,湖北 武漢 430223;2.南京三方化工設備監理有限公司,江蘇 南京 210836)

隨著化工裝置的多樣化,化工原料和物料反應介質也呈現多樣化,易燃、易爆、有毒介質在化工裝置中使用得比較廣泛。在壓力容器設計過程中,對易燃、易爆、有毒介質的壓力容器設備檢測都提出了較高的要求,增加了設備制造的難度。本文就小直徑換熱器設備的制造工藝及管箱分層隔板結構優化做了介紹。

1 設備概述

設備為固定管板換熱器,其中管箱為4管程、殼程為2管程,殼程中間有隔板;設計壓力如下:殼程為1.0 MPa,管程為1.25 MPa;殼程設計溫度為190 ℃,管程為150 ℃;介質為TOX/HCHO/H2O,高度危害,易爆,容器類別為Ⅱ類壓力容器設備。

設備直徑為700 mm,殼程、管程筒節壁厚為14 mm,筒體材料為S31703;換熱管尺寸Φ25×2.5,長度為7 500 mm,換熱管根數為282根,換熱管材料為S31703;管板、設備法蘭材料為S31703Ⅲ;設備總長為8 926 mm;設備質量約7.2 t。

該設備直徑較小,且壓力不高,殼程、管程介質為高危易爆,為保證設備安全,圖紙設計數據表要求殼程、管程縱環焊縫做100%射線檢測,合格級別為A、B類焊縫/Ⅱ級。設備總圖見圖1。

圖1 設備總圖

2 針對特定無損檢測要求的制造工藝優化

2.1 難點描述

固定式管板換熱器殼體與管束部分制造工藝正常如下:管束部分與殼體部分同時制造;管束部分首先管板鉆孔(如圖中管板1、管板2),然后搭管架(管板1、折流板、定距管安裝),管束搭架后穿換熱管;殼程筒體制造同時進行:殼程筒體縱、環焊縫焊接,縱環焊縫無損檢測后劃線開孔、焊接接管,整體成型后殼體內部焊縫打磨平整,無損檢測合格;待上述兩部分完成后,殼程筒體與管板(如圖所示管板2)焊接環焊縫并進行無損檢測,此時100%射線檢測是可以正常實現的,完成后管束裝入殼程筒體,將換熱管管頭從管板2全部引出,隨后殼程筒體與管板1氬弧焊打底、焊接管頭。管頭焊接完成后,焊接殼程筒體與管板1的最后一道環焊縫,并按照要求對管板1與殼體最后一道環縫做超聲波檢測和滲透檢測等,完成殼程制造。但本設備管板殼側凸臺與殼程筒體環焊縫焊接結構形式見圖2,該設備管板殼側凸臺與殼程筒體環焊縫為對接焊縫,且圖紙設計數據表要求A、B類焊縫需做100%射線檢測。按上述常規固定式管板換熱器制造工藝,管束穿入后因殼程筒體內有換熱管、定距管、隔板等,如圖所示,管板1與殼程筒體最后一道環焊縫100%射線檢測將無法實現。

圖2 管板1、管板2與筒體的焊接圖

2.2 解決方案

因為本設備物料介質為高危易爆,且殼程介質為高危介質,設計方要求對所有A、B類焊縫進行100%的射線檢測,不能用其他檢測方法替代。由于設備直徑太小,換熱管長度較長,且殼程存在定距管、隔板等結構干擾,換熱管盲穿的方式也難以實施,因此實際操作中,采取以下方法解決此問題。

先按一般固定式管板換熱器的制造方法,分別完成管束制造和殼程筒體的制造(見圖3、圖4);然后將管束穿入筒體內,完成管板1與殼程筒體最后一道環縫的焊接,最后將換熱管從管板1全部推出(見圖5),推到殼程筒體與管板1對接焊縫的射線檢測范圍外,則最后一道環焊縫內部只有定距管和隔板,將放射源通過接管或管板1中管孔放入設備內,進行射線檢測;被定距管、隔板遮擋部分射線檢測為盲區,盲區部分做好標識后,將設備旋轉避開原盲區,再進行反復多次射線檢測,直到所有盲區全部檢測合格,這樣兩端管板與筒體環焊縫全部射線檢測完成。再將換熱管重新穿回管板1,將換熱管引出,最后焊接兩側換熱管管頭,完成殼程的制造。

圖3 設備管束成型詳圖

圖4 設備筒體成型詳圖

圖5 設備裝配后圖示

3 管箱分層隔板結構的優化

該設備管箱的施工圖見圖6,管箱內部有兩個隔板,隔板中間距離為266 mm,兩側距離203 mm,管箱底部到封頭距離為844 mm,由于上述尺寸均較小,隔板與封頭內壁角焊縫焊接施工難度大,且施工質量很難保證。

圖6 管箱結構

為保證管箱隔板的施工便利及設備質量,本文設計出一種更為優化的隔板結構(見圖7)。制造時先焊接件號1的中間隔板,隔板長度444 mm,且距離兩側管箱壁345 mm,有較大施工空間;同時,在設備外部做好左右各一個件號2隔板組件,隔板組件先將擋板與隔板焊接成型,再與件號1管程內拼裝焊接,這時焊縫處與外邊緣有400 mm,焊接施工便利,可以更好地保證焊接質量。該結構的優化降低了施工和焊縫質量的檢驗、檢測難度,保障了設備質量。

圖7 管箱優化后的結構詳圖

4 整臺設備制造工藝

4.1 管束制造

管板厚度為80 mm,管孔直徑為25.25 mm,282個管板孔,數控鉆機床鉆孔完成后,管板密封面加工、管孔倒角及孔壁貼脹區域的加工。

殼程隔板長為7 170 mm,寬為690 mm,整板下料,隔板四邊上下兩面端部加工寬為15 mm,深為1 mm斜坡(見圖8)。

圖8 密封槽板與隔板結構

管架工裝立好,將隔板插入管板1殼程側榫槽內(見圖9),焊接角焊縫,焊腳腰高為5 mm,隔板長為7 170 mm,厚度為8 mm,安裝時為保證水平度,筒節工裝做臨時支撐;安裝折流板、定距管,穿282根換熱管,完成管束裝配。

圖9 管板與隔板焊接結構

4.2 殼程筒體

殼程設備直徑為700 mm,殼程筒體長為7 330 mm,壁厚為14 mm,筒體材料為S31703;筒體分5節筒節制造,縱環焊縫采用手工焊接,焊接方式:GTAW,焊材類別:FeS-8,焊材牌號為H022Cr19Ni14Mo3,焊材型號:S317L,焊材規格:Φ2.5,焊接預熱溫度:36 ℃,層間溫度為65 ℃;縱環焊縫各筒節全部焊接完成,縱環焊縫100%射線檢測合格,最后筒體內壁縱環焊縫打磨平整。

筒體內壁劃線,筒體內鉚接密封槽板,密封槽板為整板,長度為7 100 mm,寬為20 mm,厚為8 mm,為控制變形量,內壁設置安裝工裝,并分段進行角焊縫的焊接,完成全部角焊縫的焊接(見圖8),做水平度和尺寸檢驗至合格為止。設備外壁劃線焊接鞍座墊板,完成后再與鞍座進行角焊縫焊接。

筒體制造完成后和管板2焊接環焊縫(見圖2),然后將筒體內壁縱、環焊縫打磨平整,并按圖紙要求做100%射線檢測,合格后,對殼程內壁進行酸洗鈍化并清洗干凈。

4.3 殼程安裝

將管束全部推入殼體中,將換熱管從管板1中全部引出。管板1殼側凸臺與殼程筒體環焊縫焊接(見圖2),并采用本文2.2條款中解決辦法完成,檢測合格為止。再將換熱管從殼體中引出管板1,管板1鏜管頭至圖紙要求尺寸,根據管頭焊接工藝要求焊接管頭和脹接,然后按圖紙要求管頭進行無損檢測,至合格;管板2管頭制造過程按同樣方法完成。

殼程制造完成后,按液壓試驗規程進行試驗,壓力為1.5 MPa;液壓試驗結束,按圖紙要求的設備耐壓試驗合格后,殼程、管程焊接接頭(包括換熱管與管板的焊接接頭)及法蘭密封面應按NB/T4713.8—2012附錄D進行氦檢漏試驗(試驗壓力0.104 MPa,泄漏率≤1×10-6Pa·m3/s)。

4.4 管程制造

管程筒體焊接縱焊縫,100%射線檢測合格后與封頭焊接環焊縫,再與設備法蘭焊接環焊縫,焊接完成進行100%射線檢測。然后筒體接管組焊,并按圖紙要求做100%滲透檢測。安裝組焊管箱內隔板,全部焊接完成,兩側裝水進行盛水試驗;完成上述工作后,加工設備法蘭及隔板密封面,最后管箱部件的酸洗鈍化并清洗干凈(見圖6)。因不在制造工藝主線上,制造同步進行中,制造時間不影響設備組裝。

4.5 設備總裝、試驗、發運準備

管箱與殼程總裝,安裝墊片、螺栓、螺母,并緊固螺栓螺母。完成后按液壓試驗規程進行管程液壓試驗,液壓試驗壓力1.57 MPa;液壓試驗結束后,按圖紙要求的設備耐壓試驗合格后,殼程、管程焊接接頭(包括換熱管與管板的焊接接頭)及法蘭密封面應按NB/T4713.8—2012附錄D進行氦檢漏試驗(試驗壓力為0.104 MPa,泄漏率≤1×10-6Pa·m3/s)。試驗完成后,用車間壓縮空氣吹掃至管箱及換熱管內壁吹干。最后設備外部酸洗鈍化、管口工裝封口、塑料薄膜包裹外壁,做設備發運準備。按上述制造工藝,整臺設備的制造總耗時30 d左右。

5 結語

設備制造首先需要有合理、正確的制造工藝,才能保證設備制造的順利進行,并保證設備的制造質量和進度要求。本文介紹的小直徑換熱器的制造工藝,特別是管板與筒體最后一道環焊縫的100%射線檢測方案,既滿足了設計要求,同時也保證了設備的制造質量和制造進度。另外,一個合理、便于制造的設計結構會使設備制造過程的質量檢驗工作變得穩妥可靠,本文介紹的對小直徑管箱分程隔板結構進行優化的方法,也是保證設備制造過程順利實施的重要措施。