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高压加氢用螺纹环锁紧式换热器的介绍
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加氢裂化装置是石油炼制中的重要装置,该装置中用于反应物与进料、新氢循环氢等高温高压、含不凝气、两侧相变的换热器一般均采用螺纹环锁紧式换热器。该种换热器的传热技术是荷兰ABB鲁姆斯传热公司的专利。为了实现国产化要求,提高我国螺纹环锁紧式换热器设计和制造水平,在吸收国外设计和制造这类换热器经验基础上,中石化北京设计院和兰州石油化工机器厂协作,成功地为天 津石化设计和制造了3台高压双壳程螺纹环锁紧式换热器。文中以此为例介绍高压加氢螺纹环锁紧式换热器的结构及其制造情况。
1 设备技术参数
天津石化3台高压加氢螺纹环锁紧式换热器型式为双壳程双管程U形管式换热器,由管箱、壳体、管束、螺纹锁紧环、管箱压盖、分程隔板以及压环等组成。其结构示意见图1,设计参数为,壳程设计压力15.02 MPa,工作压力14. 3 MPa,试验压力20.08 MPa;设计温度370℃,工作温度334℃;内径Φ1 200 mm,壁厚(72 mm +6.5 mm)/(225 mm +6. 5 mm);介质为混合油。管程设计压力为13.8 MPa,工作压力为13. 0 MPa,试验压力为 19.0 MPa;设计温度420℃,工作温度391℃;内径Φ1 276 mm,厚度不等;介质为反应产物。单台换 热面积750m2,体积11.7 m3,设备质量79.25 t,U形换热管外径Φ19 mm,壁厚2.2~2.7mm,直段管长7500 mm,数量861根。
2 结构特点
(1)双壳程、双管程 换热器采用双壳程时的传 热效率高于单壳程。双壳程中的介质可实现全逆流 换热。由单壳程分成双壳程,换热器的流通截面积 减少一半,介质的流速可增加一倍,提高了传热效率。有资料显示,双壳程换热器的传热效率比单壳程换热器的传热效率约高20%。换热器结构采用双管程,在内套筒中设置有管程进、出口的分隔室, 室端用半圆盖将进、出口隔绝。双管程可以使换热管内、外传热接近纯逆流传热,温度校正系数接近 1.0。因此,可大幅减少传热面积。
(2)双密封 螺纹环锁紧式换热器比一般换热 器多了一个管板的内密封结构,密封力是通过分割 环、分程箱和管板逐件传递的。管程与壳程之间的 密封是用密封缠绕垫片由顶压螺栓通过管程内套 筒、盘根及管板压紧实现。管箱密封是通过外压紧 螺栓和外压杆压紧外密封圈实现。壳体程与程之间 设有密封隔板和垫片来密封。为避免长期高温条件 下使用导致不锈钢隔板变形而产生泄漏,管程均采 用平面密封,管箱程与程之间设有密封带或盘根。
(3)用大螺纹代替主螺栓 高压双壳程螺纹环 锁紧式换热器的壳体和管箱锻焊成一体,所以无大 型设备法兰和相应的大型螺栓-螺母连接,将普通换 热器的主螺栓结构改为管箱、承压环的大螺纹和小 规格的压紧螺栓结构,其中管箱及螺纹锁紧环采用 短齿梯形螺纹。从密封角度上,结构合理,压紧垫片 的螺栓只承受垫片压紧力,与内压几乎无关。因此, 密封有保证,减少了外漏的可能性,操作上安全可 靠,一旦运行过程中发现管程密封处泄漏或者管壳 程间串漏,设备可不停止运行,利用端面的外圈压紧 螺栓和内圈压紧螺栓进行紧固,即可消除泄漏,达到 密封要求[1]。上述结构使得换热器壳程出口接管可 以设置在尽可能靠近管板的地方,使换热管长度方 向的面积得到充分利用,降低单位换热面积的金属 耗量。
(4)机加工件多 螺纹环锁紧式换热器的结构 较复杂,机加工件多,加工量大。
(5)装配困难 结构复杂、零件数量多导致装配 困难,安装与拆卸均需要使用专用工装。
(6)其它 此换热器具有体积小、占地面积小、 结构紧凑、节省材料及泄漏点少等特点。
3 材料
该高压换热器管程和壳程介质均含氢气+硫化 氢气体,设计与制造要求与加氢反应器类同。选材 应考虑硫化氢的腐蚀,按温度不同而选择不同材 料。管、壳程壳体均选用2.25Cr-1Mo(SA-336)加 内部堆焊E309L+E347。管材一般选用TP321 (0Cr18Ni10Ti)。
对有硫化氢腐蚀的高温部位,应该在母材上堆 焊奥氏体不锈钢。
所有与介质接触的内件均采用SA-240 321奥 氏体不锈钢,内密封缠绕垫采用石墨带及321不锈 钢带制成,内部的顶压螺栓采用奥氏体高合金钢 SA-453 660B。
内、外压紧螺栓以及内、外压杆材质采用 25Cr2MoVA,换热管采用SA-213 TP321材质。
4 制造质量控制要点
螺纹环锁紧式换热器除具有高温高压临氢设备 的所有特点外,还具有前文所述的各种设计和结构 特点。因此,在其制造过程中,应根据这些特点制定 相应的控制措施,保证制造质量达到设计要求。
由于结构特殊、制造工序复杂及工艺要求高,所 以在设备制造中对焊接、热处理、机加工等必须实行 全过程监控,对设备质量有重大影响的主要环节和 那些易产生问题的危险点应制定相应的措施,努力 消除质量隐患。
4.1 材料
2.25Cr-1Mo应采用电炉冶炼,真空脱氧工艺, 使杂质及微量元素尽可能减少,以得到细晶粒的纯 镇静钢。对化学成分中微量元素的控制是降低回火 脆性的 有效途径。
现场监理人员除了见证冶炼、脱气、锻制、性能 热处理、审查材料质保书、检查外观质量以及核对材 料标记外,还必须见证按技术条件或图样规定进行 的各种复验。在复验中应注意取样位置、数量、试样 的模拟热处理状态以及J、X系数的计算复核。
4.2 焊接
产品正式施焊前,应核查工厂焊接工艺评定的 有效性和覆盖性、施焊焊工的资格、焊接材料的牌号 规格及其质保书。施焊中,应注意焊接工艺纪律的 执行,尽量避免返修。施焊后,焊缝金属化学成分、 堆焊层化学成分和铁素体数测定等都应列入检查内 容之中。
为防止2.25Cr-1Mo材料在焊接过程中出现马 氏体组织,导致产生冷裂纹,监造人员应时刻注意现 场施焊条件是否符合焊接工艺规程,尤其应注意焊 前预热和焊后消氢(或消应力)的实施。不锈钢堆焊 时要注意检查电流、电压、速度、层间温度、带极伸出 长度及焊道间的搭接量等,严格控制堆焊时的层间 温度,避免因温度过高产生热裂纹。
由于结构的特殊性,为保证壳程隔板密封的可 靠性,对板焊结构的壳程筒体应控制其圆度及环焊 缝错边量不大于1 mm。控制圆度就要严格控制下 料尺寸和基材焊缝棱角度,为此,可以在筒体堆焊后 对内壁和密封处上、下部位进行机械加工。
管箱接管与管箱筒体焊接以及筒体内部堆焊造 成的筒体变形只能用机加工的方法来解决。焊接该 类焊缝除应注意控制焊接时的热输入量外,还必须 采取防变形措施,如制备工装减少变形。其次,机加 工时以短轴作为加工基准,避免出现堆焊层厚度不 匀或不够的现象。
双联结构时,受焊接角度的影响,工艺连接管焊 接时不利观察。该焊缝为镍基焊材,施焊时应控制 线能量,严格控制层间温度不能超标。
4.3 热处理
在加氢设备的制造过程中,热处理必不可少,且 重复次数多。因此,应注意中间热处理是否有应该 热处理而没有热处理,即热处理工艺执行的情况。 对 终热处理,要检查热电偶内外壁布置情况,对于局部 终热处理,除要检查内外壁布偶情况外,还要 检查热处理的设备和保温措施。对于不锈钢焊接 件,其稳定化处理应当严格执行图样和工程标准的要求。
由于螺纹环锁紧式换热器管箱的梯形螺纹必须在 终热处理后加工,为了使已加工成型的管箱螺纹不再受热,对管箱筒体环向焊接接头应进行局部 终热处理。但管箱各部位壁厚不等,形状不规则, 因此,在热处理过程中必须注意升、降温速度应缓慢。局部 终热处理的设备采用中频感应加热装置效果比较理想。
不锈钢U形换热管固溶处理是为了避免管子弯曲部位在使用过程中引起应力腐蚀。因此,在进行热处理时,要检查热处理的工具,尤其是电夹卡具等,应查看是否对夹持部位有损伤,弯管水压试验时也要注意查看此部位有无异常。
4.4 无损检测
在加氢设备制造过程中,不同部位的无损检测方法不尽相同。主体焊缝甚至要求用多种方法进行检测,且在不同制造阶段要反复进行。所以,除了制造单位的质检、质管人员要严格按制造工艺检查外, 监理人员也要经常督促和查看工厂分阶段实施这些检查,并要求工厂及时提供检测报告。
对X射线检测,监理人员应逐张对底片进行确 认,重要部位的超声波检测,监理人员要到场见证 (如接管与封头或与筒体的焊缝),对有怀疑的部位 应要求工厂复检,对表面无损检测应尽量到场见证。 双联结构的工艺连接管焊缝的射线检测存在一 定的盲区,不能完全达到100%,盲区部位的焊接质 量只能以焊接工艺和焊工的技能水平来保证,但应 进行100%PT检测。
4.5 机械加工
管箱内螺纹、螺纹锁紧环外螺纹和管箱密封件的加工精度和配合尺寸将直接影响到换热器密封的可靠性和产品的安全性。因此,有关的加工精度及配合尺寸均需实测。加工后和试压前均需对密封面进行检查。
管箱具有直径大、长度长、内部密封件多及加工精度要求高的特点,加工时首先要确定基准,一次装卡定位进行加工。为保证管箱内、外螺纹加工的尺寸精度,一般采用数控镗铣加工中心加工。
管板两侧(管程侧、壳程侧)的2个密封面应完 全平行,管板、折流板、支持板等应采用同一数控钻床和同一编程钻孔,以保证孔间距的精度及相关零件同轴度。采用数控钻床加工管孔时,用数控钻床按管板孔的编程钻孔窝后再钻通孔。
折流板类型多、片数多,应整板下料,板面校平后进行钻孔。
壳程不锈钢分程隔板尺寸大、厚度小、加工易变 形、不易装卡。制造厂应制定合理的加工工艺,以保 证隔板的加工精度。隔板下料时应控制对角线长度 不大于1.5 mm,加工时注意泪孔不要遗忘。
4.6 部件装配
(1)管束装配 ①折流板、支持板管孔应无毛 刺,以防止划伤管壁。②穿管时不允许强行敲打,防 震杆应与换热管贴紧且两端与连接板焊接固定,连 接板与管束支持板也应焊接固定。③注意管束隔板 密封带应向壳体入口侧弯曲。④滑道板伸出折流板 和支持板的高度以及焊脚高度应符合图样规定。⑤ 管束装入壳体前必须酸洗钝化并检查定位管固定螺 母是否拧紧。⑥检查内部滑道尺寸及管束外圆和隔 板尺寸,滑道边缘应光滑无毛刺。
(2)内件装配 为了使设备内件能准确装入壳 体,应制备一定的组装胎具,如螺纹环装、拆工具及 螺纹保护胎具等,对各配合件逐件进行试组装。
4.7 检验
整体检验包括外观检查、组装检验、压力试验、 水压试验后的无损检测以及油漆、设备铭牌、包装发 运(和出厂文件)的审查。除了管口方位要在开孔前 进行方位、尺寸复核外,外观检查(包括预焊件检查)必须在设备 终热处理前进行,检查合格后,设备才 能进行 终热处理。
进行管壳程水压试验(即压差试验)时,由于管板是按差压设计的,所以试压程序必须严格按技术条件要求,管?壳程压力差始终小于图样规定的压力。压力试验时,要注意观察信号孔有无渗漏,注意压力表有无变化。
喷漆前应对壳体外表面进行喷砂除锈,并达到 有关标准对喷砂的级别要求。油漆牌号、层数、漆膜厚度均应符合图样或技术条件的要求。
设备方位和重心标记应清晰可见,符合技术协议的要求。所有接管应用防水材料遮盖密封包装, 盲板螺栓预紧。装箱备件型号、数量应与订货清单一致。
设备充分干燥后由开口接管充入一定压力的氮气进行保护。
5 结语
高压加氢裂化装置采用双壳程、双管程螺纹环锁紧式换热器,双壳程、双管程的设置可以达到减少换热面积和提高换热效率的目的,此2项可节约投 资20%~30%。因此,高压加氢裂化装置螺纹环锁紧式换热器的国产化及其采用双壳程、双管程具有重大的经济意义。目前,国内制造的 大螺纹环锁紧式换热器直径达Φ1 700 mm,已用于青岛大炼油项目。因此,掌握高压螺数环锁紧式换热器制造技术,提高其制造质量,是提高我国石化装备行业制造水平的重要内容。
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