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    高壓加氫用螺紋環鎖緊式換熱器的介紹
    www.6418707.com  2018-08-01 11:53  

      摘要:介紹了螺紋環鎖緊式換熱器的設計、結構特點、制造工藝以及典型的螺紋環鎖緊式換熱器的主要技術參數,闡述了產品制造過程的質量控制。

      關鍵詞:高壓換熱器;加氫;螺紋環鎖緊式;設計;制造;質量

      中圖分類號:TQ 050.6; TQ 051.3 文獻標志碼: B

      加氫裂化裝置是石油煉制中的重要裝置,該裝置中用于反應物與進料、新氫循環氫等高溫高壓、含不凝氣、兩側相變的換熱器一般均采用螺紋環鎖緊式換熱器。該種換熱器的傳熱技術是荷蘭ABB魯姆斯傳熱公司的專利。為了實現國產化要求,提高我國螺紋環鎖緊式換熱器設計和制造水平,在吸收國外設計和制造這類換熱器經驗基礎上,中石化北京設計院和蘭州石油化工機器廠協作,成功地為天 津石化設計和制造了3臺高壓雙殼程螺紋環鎖緊式換熱器。文中以此為例介紹高壓加氫螺紋環鎖緊式換熱器的結構及其制造情況。

      1 設備技術參數

      天津石化3臺高壓加氫螺紋環鎖緊式換熱器型式為雙殼程雙管程U形管式換熱器,由管箱、殼體、管束、螺紋鎖緊環、管箱壓蓋、分程隔板以及壓環等組成。其結構示意見圖1,設計參數為,殼程設計壓力15.02 MPa,工作壓力14. 3 MPa,試驗壓力20.08 MPa;設計溫度370℃,工作溫度334℃;內徑Φ1 200 mm,壁厚(72 mm +6.5 mm)/(225 mm +6. 5 mm);介質為混合油。管程設計壓力為13.8 MPa,工作壓力為13. 0 MPa,試驗壓力為 19.0 MPa;設計溫度420℃,工作溫度391℃;內徑Φ1 276 mm,厚度不等;介質為反應產物。單臺換 熱面積750m2,體積11.7 m3,設備質量79.25 t,U形換熱管外徑Φ19 mm,壁厚2.2~2.7mm,直段管長7500 mm,數量861根。

      2 結構特點

      (1)雙殼程、雙管程 換熱器采用雙殼程時的傳 熱效率高于單殼程。雙殼程中的介質可實現全逆流 換熱。由單殼程分成雙殼程,換熱器的流通截面積 減少一半,介質的流速可增加一倍,提高了傳熱效率。有資料顯示,雙殼程換熱器的傳熱效率比單殼程換熱器的傳熱效率約高20%。換熱器結構采用雙管程,在內套筒中設置有管程進、出口的分隔室, 室端用半圓蓋將進、出口隔絕。雙管程可以使換熱管內、外傳熱接近純逆流傳熱,溫度校正系數接近 1.0。因此,可大幅減少傳熱面積。

      (2)雙密封 螺紋環鎖緊式換熱器比一般換熱 器多了一個管板的內密封結構,密封力是通過分割 環、分程箱和管板逐件傳遞的。管程與殼程之間的 密封是用密封纏繞墊片由頂壓螺栓通過管程內套 筒、盤根及管板壓緊實現。管箱密封是通過外壓緊 螺栓和外壓桿壓緊外密封圈實現。殼體程與程之間 設有密封隔板和墊片來密封。為避免長期高溫條件 下使用導致不銹鋼隔板變形而產生泄漏,管程均采 用平面密封,管箱程與程之間設有密封帶或盤根。

      (3)用大螺紋代替主螺栓 高壓雙殼程螺紋環 鎖緊式換熱器的殼體和管箱鍛焊成一體,所以無大 型設備法蘭和相應的大型螺栓-螺母連接,將普通換 熱器的主螺栓結構改為管箱、承壓環的大螺紋和小 規格的壓緊螺栓結構,其中管箱及螺紋鎖緊環采用 短齒梯形螺紋。從密封角度上,結構合理,壓緊墊片 的螺栓只承受墊片壓緊力,與內壓幾乎無關。因此, 密封有保證,減少了外漏的可能性,操作上安全可 靠,一旦運行過程中發現管程密封處泄漏或者管殼 程間串漏,設備可不停止運行,利用端面的外圈壓緊 螺栓和內圈壓緊螺栓進行緊固,即可消除泄漏,達到 密封要求[1]。上述結構使得換熱器殼程出口接管可 以設置在盡可能靠近管板的地方,使換熱管長度方 向的面積得到充分利用,降低單位換熱面積的金屬 耗量。

      (4)機加工件多 螺紋環鎖緊式換熱器的結構 較復雜,機加工件多,加工量大。

      (5)裝配困難 結構復雜、零件數量多導致裝配 困難,安裝與拆卸均需要使用專用工裝。

      (6)其它 此換熱器具有體積小、占地面積小、 結構緊湊、節省材料及泄漏點少等特點。

      3 材料

      該高壓換熱器管程和殼程介質均含氫氣+硫化 氫氣體,設計與制造要求與加氫反應器類同。選材 應考慮硫化氫的腐蝕,按溫度不同而選擇不同材 料。管、殼程殼體均選用2.25Cr-1Mo(SA-336)加 內部堆焊E309L+E347。管材一般選用TP321 (0Cr18Ni10Ti)。

      對有硫化氫腐蝕的高溫部位,應該在母材上堆 焊奧氏體不銹鋼。

      所有與介質接觸的內件均采用SA-240 321奧 氏體不銹鋼,內密封纏繞墊采用石墨帶及321不銹 鋼帶制成,內部的頂壓螺栓采用奧氏體高合金鋼 SA-453 660B。

      內、外壓緊螺栓以及內、外壓桿材質采用 25Cr2MoVA,換熱管采用SA-213 TP321材質。

      4 制造質量控制要點

      螺紋環鎖緊式換熱器除具有高溫高壓臨氫設備 的所有特點外,還具有前文所述的各種設計和結構 特點。因此,在其制造過程中,應根據這些特點制定 相應的控制措施,保證制造質量達到設計要求。

      由于結構特殊、制造工序復雜及工藝要求高,所 以在設備制造中對焊接、熱處理、機加工等必須實行 全過程監控,對設備質量有重大影響的主要環節和 那些易產生問題的危險點應制定相應的措施,努力 消除質量隱患。

      4.1 材料

      2.25Cr-1Mo應采用電爐冶煉,真空脫氧工藝, 使雜質及微量元素盡可能減少,以得到細晶粒的純 鎮靜鋼。對化學成分中微量元素的控制是降低回火 脆性的最有效途徑。

      現場監理人員除了見證冶煉、脫氣、鍛制、性能 熱處理、審查材料質保書、檢查外觀質量以及核對材 料標記外,還必須見證按技術條件或圖樣規定進行 的各種復驗。在復驗中應注意取樣位置、數量、試樣 的模擬熱處理狀態以及J、X系數的計算復核。

      4.2 焊接

      產品正式施焊前,應核查工廠焊接工藝評定的 有效性和覆蓋性、施焊焊工的資格、焊接材料的牌號 規格及其質保書。施焊中,應注意焊接工藝紀律的 執行,盡量避免返修。施焊后,焊縫金屬化學成分、 堆焊層化學成分和鐵素體數測定等都應列入檢查內 容之中。

      為防止2.25Cr-1Mo材料在焊接過程中出現馬 氏體組織,導致產生冷裂紋,監造人員應時刻注意現 場施焊條件是否符合焊接工藝規程,尤其應注意焊 前預熱和焊后消氫(或消應力)的實施。不銹鋼堆焊 時要注意檢查電流、電壓、速度、層間溫度、帶極伸出 長度及焊道間的搭接量等,嚴格控制堆焊時的層間 溫度,避免因溫度過高產生熱裂紋。

      由于結構的特殊性,為保證殼程隔板密封的可 靠性,對板焊結構的殼程筒體應控制其圓度及環焊 縫錯邊量不大于1 mm。控制圓度就要嚴格控制下 料尺寸和基材焊縫棱角度,為此,可以在筒體堆焊后 對內壁和密封處上、下部位進行機械加工。

      管箱接管與管箱筒體焊接以及筒體內部堆焊造 成的筒體變形只能用機加工的方法來解決。焊接該 類焊縫除應注意控制焊接時的熱輸入量外,還必須 采取防變形措施,如制備工裝減少變形。其次,機加 工時以短軸作為加工基準,避免出現堆焊層厚度不 勻或不夠的現象。

      雙聯結構時,受焊接角度的影響,工藝連接管焊 接時不利觀察。該焊縫為鎳基焊材,施焊時應控制 線能量,嚴格控制層間溫度不能超標。

      4.3 熱處理

      在加氫設備的制造過程中,熱處理必不可少,且 重復次數多。因此,應注意中間熱處理是否有應該 熱處理而沒有熱處理,即熱處理工藝執行的情況。 對最終熱處理,要檢查熱電偶內外壁布置情況,對于局部最終熱處理,除要檢查內外壁布偶情況外,還要 檢查熱處理的設備和保溫措施。對于不銹鋼焊接 件,其穩定化處理應當嚴格執行圖樣和工程標準的要求。

      由于螺紋環鎖緊式換熱器管箱的梯形螺紋必須在最終熱處理后加工,為了使已加工成型的管箱螺紋不再受熱,對管箱筒體環向焊接接頭應進行局部最終熱處理。但管箱各部位壁厚不等,形狀不規則, 因此,在熱處理過程中必須注意升、降溫速度應緩慢。局部最終熱處理的設備采用中頻感應加熱裝置效果比較理想。

      不銹鋼U形換熱管固溶處理是為了避免管子彎曲部位在使用過程中引起應力腐蝕。因此,在進行熱處理時,要檢查熱處理的工具,尤其是電夾卡具等,應查看是否對夾持部位有損傷,彎管水壓試驗時也要注意查看此部位有無異常。

      4.4 無損檢測

      在加氫設備制造過程中,不同部位的無損檢測方法不盡相同。主體焊縫甚至要求用多種方法進行檢測,且在不同制造階段要反復進行。所以,除了制造單位的質檢、質管人員要嚴格按制造工藝檢查外, 監理人員也要經常督促和查看工廠分階段實施這些檢查,并要求工廠及時提供檢測報告。

      對X射線檢測,監理人員應逐張對底片進行確 認,重要部位的超聲波檢測,監理人員要到場見證 (如接管與封頭或與筒體的焊縫),對有懷疑的部位 應要求工廠復檢,對表面無損檢測應盡量到場見證。 雙聯結構的工藝連接管焊縫的射線檢測存在一 定的盲區,不能完全達到100%,盲區部位的焊接質 量只能以焊接工藝和焊工的技能水平來保證,但應 進行100%PT檢測。

      4.5 機械加工

      管箱內螺紋、螺紋鎖緊環外螺紋和管箱密封件的加工精度和配合尺寸將直接影響到換熱器密封的可靠性和產品的安全性。因此,有關的加工精度及配合尺寸均需實測。加工后和試壓前均需對密封面進行檢查。

      管箱具有直徑大、長度長、內部密封件多及加工精度要求高的特點,加工時首先要確定基準,一次裝卡定位進行加工。為保證管箱內、外螺紋加工的尺寸精度,一般采用數控鏜銑加工中心加工。

      管板兩側(管程側、殼程側)的2個密封面應完 全平行,管板、折流板、支持板等應采用同一數控鉆床和同一編程鉆孔,以保證孔間距的精度及相關零件同軸度。采用數控鉆床加工管孔時,用數控鉆床按管板孔的編程鉆孔窩后再鉆通孔。

      折流板類型多、片數多,應整板下料,板面校平后進行鉆孔。

      殼程不銹鋼分程隔板尺寸大、厚度小、加工易變 形、不易裝卡。制造廠應制定合理的加工工藝,以保 證隔板的加工精度。隔板下料時應控制對角線長度 不大于1.5 mm,加工時注意淚孔不要遺忘。

      4.6 部件裝配

      (1)管束裝配 ①折流板、支持板管孔應無毛 刺,以防止劃傷管壁。②穿管時不允許強行敲打,防 震桿應與換熱管貼緊且兩端與連接板焊接固定,連 接板與管束支持板也應焊接固定。③注意管束隔板 密封帶應向殼體入口側彎曲。④滑道板伸出折流板 和支持板的高度以及焊腳高度應符合圖樣規定。⑤ 管束裝入殼體前必須酸洗鈍化并檢查定位管固定螺 母是否擰緊。⑥檢查內部滑道尺寸及管束外圓和隔 板尺寸,滑道邊緣應光滑無毛刺。

      (2)內件裝配 為了使設備內件能準確裝入殼 體,應制備一定的組裝胎具,如螺紋環裝、拆工具及 螺紋保護胎具等,對各配合件逐件進行試組裝。

      4.7 檢驗

      整體檢驗包括外觀檢查、組裝檢驗、壓力試驗、 水壓試驗后的無損檢測以及油漆、設備銘牌、包裝發 運(和出廠文件)的審查。除了管口方位要在開孔前 進行方位、尺寸復核外,外觀檢查(包括預焊件檢查)必須在設備最終熱處理前進行,檢查合格后,設備才 能進行最終熱處理。

      進行管殼程水壓試驗(即壓差試驗)時,由于管板是按差壓設計的,所以試壓程序必須嚴格按技術條件要求,管?殼程壓力差始終小于圖樣規定的壓力。壓力試驗時,要注意觀察信號孔有無滲漏,注意壓力表有無變化。

      噴漆前應對殼體外表面進行噴砂除銹,并達到 有關標準對噴砂的級別要求。油漆牌號、層數、漆膜厚度均應符合圖樣或技術條件的要求。

      設備方位和重心標記應清晰可見,符合技術協議的要求。所有接管應用防水材料遮蓋密封包裝, 盲板螺栓預緊。裝箱備件型號、數量應與訂貨清單一致。

      設備充分干燥后由開口接管充入一定壓力的氮氣進行保護。

      5 結語

      高壓加氫裂化裝置采用雙殼程、雙管程螺紋環鎖緊式換熱器,雙殼程、雙管程的設置可以達到減少換熱面積和提高換熱效率的目的,此2項可節約投 資20%~30%。因此,高壓加氫裂化裝置螺紋環鎖緊式換熱器的國產化及其采用雙殼程、雙管程具有重大的經濟意義。目前,國內制造的最大螺紋環鎖緊式換熱器直徑達Φ1 700 mm,已用于青島大煉油項目。因此,掌握高壓螺數環鎖緊式換熱器制造技術,提高其制造質量,是提高我國石化裝備行業制造水平的重要內容。

      參考文獻:

      [1] 吳 淳,張永梅.螺紋鎖緊環式換熱器的制造[J].石油化工設 備,2007,36(增):50-52.

      [2] 王金光.大型高溫高壓螺紋鎖緊環式雙殼程換熱器的設計[J]. 壓力容器,2002,19(4):8-10.

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