铬钼钢堆焊换热器的设计及制造

铬钼钢堆焊换热器的设计及制造

刘瑞发 ,张倩

无锡化工装备股份有限公司  江苏无锡  214100

摘  要：论述了铬钼钢堆焊换热器材料选择、设计计算、制造过程中遇到的一些问题；

关键词：铬钼钢堆焊、选材、设计、制造；

概述：石化生产过程中，需要经历很多物理、化学过程和传质、传热单元操作，一些过程控制条件异常苛刻，如高温、高压，低温、真空等,对石化生产设备的制造、维护以及人员素质都提出了严格要求。换热器作为最常用的传热单元是必不可少的装置。本次以我公司之前的一台高温高压铬钼钢堆焊换热器为例，谈谈设计、制造过程中的一些考虑。

1. 位号为15-1301-01的换热器的技术参数
   1. 该换热器为2管程U型管结构；管箱和管板焊接连接，管箱端部用平盖密封，螺柱连接；壳程法兰和管板用螺柱连接，壳程封头采用半球形封头 (如图1)。

图1  15-1301-01换热器示意图

1－管口组件   2－管束组件   3－壳体组件   4-－鞍座组件   5－铭牌组件

1.2换热器规格：

壳程内部直径DN 1270mm，壁厚90+5（堆焊）mm，管箱直径DN 1270mm，壁厚90+5（堆焊）mm，总长度约10520mm。设备内表面及管板两面都采用堆焊。换热管规格为：

外径φ25.4，壁厚2.11mm和2.77mm（最中间两排换热管加厚）两种，直边长度L=7315.2mm，数量513的U形管，45°布管，间距31.75mm。

1.3换热器主要技术参数见表1.

表1  换热器主要技术参数

注： 1、设计标准：ASME规范SECTION VIII p.1 2013版；

2、特殊工况：氢工况；

3、设计管板承受最大压差为134.448 Bar (G)，换热管承受最大外压差为44.816 Bar (G)。水压时壳程压力不能超过管程压力 68.948 Bar (G) 。

2. 换热器的设计

2.1 选材

    因为用户（买方）要求使用堆焊而不是复合板，而且设计温度446°C及氢工况，故堆焊层选择SS347不锈钢,基材选用铬钼钢，抗氢腐蚀且抗高温。但是2.25Cr-1Mo、3Cr-1Mo、和3Cr-1Mo-0.25V等铬钼钢长期在370℃~595℃的温度范围内操作会产生冲击韧性下降，韧脆转变温度升高的现象，即回火脆性。另外铬钼钢又是强度高、淬硬倾向大，易产生氢致裂纹（即延迟裂纹）的钢种。为了解决回火脆性和氢致裂纹敏感性问题，故须控制钢材的化学成分，提高冲击韧性要求，并在制造过程中对焊接、热处理、检验等提出了相应的一系列特殊要求。本次设计中材料的组分、性能和探伤等要求按照API规范 934-A《应用于高温，高压氢工况的2 1/4Cr-1Mo，2 1/4Cr-1Mo-1/4V，3Cr-1Mo以及 3Cr-1Mo-1/4V 材料的厚壁压力容器的材料和制造》来执行，要做模拟焊后热处理和步冷试验。

2.1.1 板材，如筒体、封头

选用ASME 规范SECTION II Part A 里的材料SA-387 Gr.22 Cl2，供货状态为正火+回火+细晶化。

2.1.2锻件，如管板、管箱法兰、壳体法兰等

选用ASME 规范SECTION II Part A 里的材料SA-336 F22 CL.3，供货状态为正火+回火+细晶化。

2.1.3锻件，如管法兰、锻管、弯头等

选用ASME 规范SECTION II Part A 里的材料SA-182 Gr.F22 Cl3，供货状态为正火+回火+细晶化。

2.1．4换热管

  选用ASME 规范SECTION II Part A 里的材料SA-213 TP347供货状态为固溶退火。

2.1．5紧固件及垫片等

管箱法兰、壳体法兰的连接螺柱按照ASME B18.2.1-2012标准选用强度相对较高的抗高温的材料SA-193 Gr.B16；螺母符合ASME B18.2.2-2010，材料采用SA-194 Gr.7。管箱平盖与管箱法兰及壳体法兰与管板之间均采用齿形金属+柔性石墨垫片密封，垫片型号Kammpro LP-1 with APX 2 graphite。

设备内部的分程隔板箱，考虑到抗腐蚀，螺柱/螺母选用SA-193 Gr.B8C/ SA-194 Gr.8C。垫片选用波形金属+柔性石墨垫片，垫片型号Lamons CMG-EX 1/16” thick 347SS with APX-2 grafoil facing。

2.2设计计算：

2.2.1管板计算：

按ASME规范SECTION VIII p.1 2013版中管壳式U型管换热器的计算方法；因为管箱与管板焊在一起，根据ASME规范计算模型可以选用简支可以降低管板厚度。

因设计条件中管板和换热管是压差设计，管板计算输入壳程设计压力44.816 Bar，管程设计压力134.448 Bar (G)。

通过计算发现是由管箱筒体膜应力+弯曲应力这个数据限制了管板的计算。通过加厚管箱筒体厚度可有效改善管板的计算。

2.2.2管箱法兰及壳体法兰

按ASME规范SECTION VIII p.1 2013版中高颈法兰计算。

2.2.3壳体及封头

按ASME VIII-1  UG-27 （c）(1)，筒体厚度计算公式：

 =

其中 P：设计压力；   R ：所计算的壳体内半径； S：材料许用应力； E ：焊接接头系数；

按ASME VIII-1  UG-27 （d）封头厚度计算公式：

 =

其中 P：设计内压；   R ：所计算的壳体内半径； S：材料许用应力； E ：焊接接头系数；

决定筒体厚度的因素不只是上面的公式，此外还有开孔补强、管口载荷计算和管板计算等。在本次设计中管箱筒体由上面的公式计算出来的厚度比90mm小很多，为了满足开孔补强和管板计算才加厚至90mm。

2.3结构设计

2.3.1筒体

由于筒体基材较厚90mm，内径1270mm，用板卷筒体可能有问题。我向厂里采购人员和工艺人员询问过，得到肯定的答复，实际最终也做出来了。否则筒体不能用板卷，只能用锻件了，成本会更高一些。

2.3.2壳程筒体与封头连接

壳程筒体比壳程封头厚很多，要削边。但要注意只削到属于封头的部分，详见图2

图2  壳程筒体与封头连接示意图           图3  接管与筒体连接示意图

2.3.3接管与筒体连接

管法兰尽量选用LWN（长高颈）型式，免去一条管法兰与接管的焊缝。为了应用于高压环境，接管与筒体的接头做成对接接头，详见图3。这样设计可以保证结构连续性，降低局部应力。焊接质量和无损检测容易达到全熔透效果。此接头采用了全自动相控阵超声波探伤（PAUT）。但有个缺点，就是由于不是轴对称结构，接管零件加工不太方便。

2.3.4水压顺序

因为本设备采用压差设计，水压时壳程压力不能超过管程压力 68.948 Bar (G)，所以要特别注意。水压试验按照如下顺序：

a. 管束拖出壳体外水压，压力190 Bar (G)。

b. 移除平盖，安装管束到壳体，壳程水压68.948 Bar (G)。

c. 装上平盖，管程打压190 Bar (G)。

d. 壳程升压至235 Bar (G)，管程保持190 Bar (G)。

e. 壳程先卸压，然后管程。无论何时壳程压力不能超过管程68.948 Bar (G)。

2.3.5管子-管板连接形式

本设备是高温高压氢工况，故采用强度焊+强度胀，管板开两个槽，以保证连接强度及密封性。详见图4。 对于换热管与管板的接头，在最终胀接之后，应以0.35 Bar (G)的压力在壳程侧进行氦检漏。

图4  换热管与管板连接详图

2.3.6 运输支座的设计

由图1可知设备重心非常靠近左边的鞍座，运输时会晃动，很不安全。故有必要在管箱平盖的位置再设置一个临时鞍座。

3. 换热器制造过程中发现的问题

该换热器的制造、焊接、热处理、无损检测等的要求基本上是按照API 934-A来执行，限于篇幅，不多做介绍。这里只说说换热器制造过程中发现的问题。

3.1 分程隔板箱的垫片

垫片详图见图5。最早的时候选用的是纯石墨垫片，垫片型号Garlock Graph-Lock 3125 OR EQUAL。后来垫片厂反映容易散掉，后按他们的建议改成带金属丝加强的石墨板，结果没有太大的改善。最终经过和用户讨论改用了波形金属石墨垫。

图5  分程隔板箱垫片详图

3.2 弯头的制作

弯头（见图6）的制作流程是我厂准备好锻管给弯头厂，弯好后发回我厂继续堆焊内表面及与法兰、接管焊接。弯头厂要求弯制前内径尺寸放大20mm，图纸要求276mm，送至弯头厂前我们的尺寸为296mm，弯制后发现内径为266mm，而我们要求是的276mm，这样会直接影响我们的弯头与法兰及锻管的组对，将造成5mm的错边，导致无法焊接。经过和用户协商，在核算过传热流量变化和弯头壁厚满足设计要求后，用户同意继续进行制造。弯头与法兰及锻管连接处有错边的地方削边堆焊。

图6  弯头（件3-22）详图

4. 结束语

这种高温高压堆焊铬钼钢设备我是第一次设计，我厂也是第一次制造。期间遇到过很多困难，也犯了些错误，我厂各部门通力合作，最终都克服过去了。这些经历教训也使我自身得到了加强。

参考文献

[1]  ASME规范SECTION VIII p.1 2013版；

[2]  ASME规范SECTION II Part A 2013版；

[3]  美国石油协会标准API 660 第9版；

[4]  美国石油协会标准API 934-A 2008版；

[5]  美国管式热交换器制造商协会标准TEMA,R级第9版；

1