大型不锈钢冷凝器制造工艺方法

1/6大型不锈钢冷凝器制造工艺方法张建赵刚狄才法（江苏省溧阳市云龙设备制造有限公司，溧阳213311）摘要：通过对大规格薄壳不锈钢冷凝器结构的分析，对影响/整台设备制造质量的重要部件加工质量采取有效的措施，并在制造过程中加强过程控制、检验检测等方面的工作，从而保证了整台设备的最终产品质量。关键词：冷凝器制造工艺过程控制1、引言热交换器广泛应用于化工、石油、动力制冷等行业中，随着近年来装置大型化的发展，大规格换热器的需求在增加，其中设有大开孔薄壳冷凝器制造技术有一定的难度，我公司为某化工厂制造的设有大开孔薄壳不锈钢冷凝器，规格DN1800×11000×12/16，设备总重约44000kg，其中不锈钢42000kg，设备结构见图1，主要技术参数见表1表1：设备主要设计技术参数壳程管程设计规范GB151-1999设计压力(MPa)0.860.7设计温度(℃)10075程数14操作介质环氧乙烷循环水管子管板连接形式强度焊+贴胀焊接接头系数10.85管、壳程材料S30408Q245R，16MnⅡ2/62、设备结构特征：2.1冷凝器形式为BJM，容器类别为Ⅱ类；公称直径DN1800，换热管共4068根，规格φ19×2，长度为9000mm，换热面积2154.5m2；壳程中心入口处接管直径DN700，中间分流板一块，两侧折流板各11块，为加强壳体的刚度，壳程上增设了两道角钢外加强圈；管板、换热管、壳体等壳程材料为全不锈钢，材质S30408，管箱材料为16MnⅡ/Q245R，设备总重约44000kg，其中不锈钢42000kg。3、制造过程控制要点：针对设备结构特点，对影响设备制造质量的重要环节进行了分析：首先是控制壳体制造的圆度、直线度和两端面的平行度，以保证管束顺利装入；其次是减少管板与壳体、换热管焊接后的变形，保证管板与壳程筒体的垂直度、两管板的平行和同心符合图纸要求；第三是控制管子与管板的焊接质量以及所采用的检验、试验方法。通过以上的分析，有针对性的制定出合理的制造工艺和质量控制计划①，加强对各工序的质量控制和检验，以保证整台设备的制造质量。3.1壳体的圆度和直线度壳体制造公差（直径公差、圆度、直线度）和折流板的直径公差决定了管束能否顺利装入和保证设备的使用性能，为此我们采取了如下的工艺和检验措施，并加强制造过程中的质量控制：⑴按GB151－1999②严格控制每节筒体的下料尺寸。在下料时，按周长允许上偏差10mm的原则，确定下料、刨边尺寸，保证每节筒体板对角线误差不超过2mm；⑵所有的纵、环焊缝采用GTAW打底、SMAW中间层焊接，SAW盖面的焊接工艺，采用此焊接工艺，既可以减少焊接变形、又可以提高工效；纵、环焊缝组对时，保证对口错边量不大于0.5mm。⑶各筒节经卷圆、焊接、校圆、RT、组对、纵环焊缝磨平后，认真仔细的测量壳体的形位尺寸，经测量，壳体各截面的最大最小直径差测量结果见表2，测量位置见图2；壳体两端面平行度测量结果见表3，测量位置见图3；各段筒体的外周长测量结果见表4，测量位置见图4；各纵焊缝的棱角度为1~2mm，环焊缝的棱角度为2~2.5mm。通过沿圆周0°、90°、180°、270°四个方位测量，壳体直线度最大3mm，最小1mm。表2、各截面的最大最小直径差单位：mm测量点C1B1B2B3B4I1I2C20°-180°1795179017941792179417981798179545°-225°1799179717991799179918051803179790°-270°18011796180017971797180218011800135°-315°179517921795179117941797179817973/6最大最小直径差67675755平均直径1797.51794.817971794.817961800.518001797.3表3：筒体两端面平行度测量数据表测量位置尺寸(mm)J1－J1′9052J2－J2′9050J3－J3′9050J4－J4′9050表4：各段筒体外周长测量数据表截面Z1Z2Z3Z4Z5Z6周长573457355762576057355734壁厚121216161212当量直径1801.21801.51802.11801.51801.51801.2⑷4/6测量数据分析：从表2中可看出，各检测面的最大最小直径差均小于等于7mm，符合GB151－1999中不大于7mm的规定。比较表2和表4的测量数据，因焊缝收缩，环缝处的平均直径小于壳体按外周长测量换算的当量直径，这与环缝处棱角度测量数据相吻合。其他截面的测量值均在标准范围内。从表3中可以看出，壳体两端面的平行度误差仅为2mm，为管束装入后，另一侧管子的引出和管板定位后与壳程筒体的垂直度、两管板的平行和同心度提供了保证。从表4中可看出，各测量面外周长换算的壳体当量直径在GB151-1999标准所规定的范围内，且各当量直径最大最小偏差仅为0.9mm，说明各筒节制造过程中的质量得到了有效控制。3.2大开孔的工艺要求：为减少DN700大开孔接管焊接时，造成壳体变形超差而影响管束的安装，经讨论，采用了具有焊材填充量少、焊接变形小优点的不对称K形坡口焊接接头，见图5。焊前先在筒体内侧安装撑圆工装，防止筒体变形；焊接时，采用TIG方法，先焊接接头内侧焊缝，并经PT检测合格，焊后将焊缝磨至与母材平齐，待管束装入、管子与管板、管板与壳体等焊缝焊接结束后再焊接接管的外侧焊缝。接管内侧焊缝焊接前后筒体开孔处尺寸测量结果见表5，测量位置见图6。表5：大开孔焊接前后尺寸测量表测量点焊接前焊接后G117951794G217961795D117951791D2180017975/6对比焊接前后的测量数据，开孔处的筒体直径虽有减小，但不明显，表明所采用的工艺方法和防变形措施是可行且有效的。3.3管板和折流板的加工管板管孔采用数控钻床钻孔，严格控制管孔直径、垂直度及管孔间距。为利于穿管，管板和折流板的钻孔方向与穿管方向保持一致。按图样和ＧＢ151规定对每块管板的管孔进行检验。3.4折流板的加工⑴按图纸要求，折流板外径为φ1790，结合表2中对各环缝的测量结果，因环缝处的内径均偏小，为既能保证管束能顺利装入，又符合图纸中对折流板外径尺寸的要求，以保证换热器的使用性能要求，决定将折流板外径按φ1789.2尺寸加工，加工后经逐件测量，折流板外径尺寸在φ1789.2~1788.6之间，符合设计图纸要求。⑵因折流板数量较多，在加工折流板管孔时，需将折流板分成4次叠钻，按钻孔方向逐块做上顺序号和正、反面的标记。为防止穿管时损伤换热管的外表面和利于穿管，每块折流板正、反面的管孔均按0.5×45°要求倒角，清除毛刺；折流板外圆边缘打磨成0.5×45°的倒角，以利于管束装入并减轻折流板对壳体的磨擦损伤。3.5管束与壳体的组装由于换热管数量多，重量达35000Kg，如果将管束全部穿好后装入筒体，必将导致入筒困难，且在装入过程中易损坏换热管。因此在施工过程中，先将固定侧管板、拉杆、定距管和折流板先行固定，以梅花形将部分换热管先穿入，调整好折流板与管板的同心度，并保证整个管束有足够的刚度，再将管束装入壳体内，之后再穿剩余的换热管；因换热管超长，且是在盲穿状态下穿管，因此穿管时，在换热管入筒前端装上导向，以便于穿管。3.6管子与管板的焊接0-1.26/6管子与管板之间的焊接接头采用钨极氩弧焊。焊接时，采用分区梅花形焊接，以防止不锈钢管板的焊接变形。在焊接过程中加强对管板的温度测量，当管板温度超过100℃，立即停止焊接，直至冷却到室温后，再继续焊接。管头第1道焊缝焊接后，以0.05MPa压力的压缩空气对管头进行气密性试验，无泄漏后，再焊接第2道焊缝，管头焊缝表面进行100%PT检查。3.7管板与壳体连接焊缝的焊接管板与壳体之间的连接焊缝如图7所示。由于管板和筒体均为S30408不锈钢，线膨胀系数大，焊接后管板极易产生焊接变形，从而影响管板的密封性能，对此我们采用了如下焊接工艺：采用钨极氩弧焊打底焊接两道，以保证根部焊透；盖面采用药芯焊丝二氧化碳气体保护焊，相比焊条电弧焊，二氧化碳气体保护焊具有熔敷效率高，焊接应力和焊后变形小等优点③，且CO2气体对焊缝金属还具有冷却作用。焊后经测量，管板密封面平面度公差仅为0.5mm④。3.8管子与管板的帖胀管头焊缝焊接结束后，经外观和PT检查合格后，采用液袋进行液压胀接。胀接前，预先划出区域，分片胀接，对每一个胀过的管头，做好标记，防止因管头数量多而造成漏胀现象。3.9压力试验首先按图样压力进行壳程的水压试验，水压试验合格后，以氨渗漏试验替代气密性试验，即符合固容规中对高度危害介质进行泄漏检查的要求，又提高了对换热器管头焊缝检查的要求，最后对管程进行水压试验。4结论对于大规格薄壳不锈钢换热器，应预先制定详细的制造工艺和质量计划，对影响换热器制造质量的各个环节应加强过程控制和检验、测量，并对测量数据进行分析。管板与壳体之间的连接焊缝采用药芯焊丝二氧化碳气体保护焊，可有效的减少焊接变形。①TSGR0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程②GB151-1999管壳式换热器③刘云龙CO2气体保护焊技术机械工业出版社④ANSI/APISTANDARD660-2007Shell-and-tubeHeatExchangers