大型多股流缠绕管式换热器的制造.pdf

制 造 与 安 装 大型多股流缠绕管式换热器的制造 都跃良1 陈永东2 张贤安1 王健良1 陈 斌3 11 镇海炼油化工股份有限公司 浙江 宁波 315207 21 国家压力容器与管道安全工程技术 研究中心 安徽 合肥 230031 31 中国石油宁夏化工厂 宁夏 银川 750026 摘 要 多股流缠绕管式换热器是化肥装置中的关键设备 其国产化一直是我国机械制造业的一个 目标 本文介绍了循环甲醇冷却器 15E6 的国产化研究情况 包括传热工艺 设计标准 主材选择 焊接工艺 管束制造及控制等 关键词 多股流 缠绕管式换热器 国产化 中图分类号 TQ05115 TQ05016 文献标识码 B 文章编号 1001 4837 2004 06 0026 04 Domestic Manufacturing Research of Large Multi stream Spiral wound Heat Exchanger DU Yue liang1 CHEN Yong dong2 ZHANG Xian an1 WANG Jian liang1 CHEN Bin3 1 Zhenhai Refining and Chemical Co Ltd Ningbo 315207 China 2 China National Engineering Tech2 nology Research Center on Pressure Vessel and Pipe Safety Hefei 230031 China 3 Ningxia Chemical Works of CNPC Y inchuan 750026 China Abstract The large multi stream spiral wound heat exchanger is a key equipment in the fertilizer plant Its domestic manufacturing is the target of our machinery building This paper introduced the research of cycling methanol cooler Item No is 15E6 including heat transfer technology designing standard main material choice welding specification manufacturing of tube bundle and control of quality Key words multi stream spiral wound heat exchanger domestic manufacturing 1 前言 缠绕管式换热器不仅是大型石油化工工艺过程 重要的单元设备 而且还是一种节能设备 但由于该 设备工艺计算复杂 制造难度极大 工程技术一直被 国外林德等公司垄断 国产化进展较小 1997年以 来 镇海炼化检安公司 合肥通用机械研究所 镇海 炼化化肥厂三家单位联合攻关 开展了缠绕管式换 热器国产化的一系列研究 从第一台甲醇换热器成 功投入使用以来 已为国家 十五 重大装备国产 化依托工程 山东华鲁恒升化工股份有限公司大 型氮肥国产化装置陆续制造了数台大型缠绕管式换 热器 1 取得了初步成功 本文针对某化工厂化肥 甲醇洗装置循环甲醇冷却器 15E6 简单介绍我国 自行设计的第一台多股流缠绕管式换热器的国产化 过程 15E6缠绕管式换热器是化肥甲醇洗装置的 关键设备 设备如图1所示 其工艺流程见图2 2 流程和设备简介 15E6是甲醇洗装置酸性气吸收塔的中间换热 器 该换热器的型式为立式缠绕管式 换热面积 1449112 m2 设计温度 80 50 设计压力 管 62 程819 MPa 壳程018 MPa 该换热器管程有两股物 料 分别是来自甲醇洗涤塔精洗段和主洗段的富甲 醇液 在该换热器内这两股物料被壳程来自H2S浓 缩塔的甲醇液冷却 设置15E6的目的是 在酸性气 吸收塔中甲醇由上而下吸收工艺气中CO2和H2S放 出的大量溶解热 使富甲醇液温度升高 从而降低酸 性气在甲醇中的溶解度 影响甲醇的吸收效果 故在 洗涤塔精洗段和主洗段二次从塔盘上引出甲醇液进 行冷却 提高CO2在甲醇中的溶解度 这样既降低了 甲醇循环量 又充分利用了系统的低能位的冷量 壳程甲醇液温度升高 进入一闪蒸罐 再次解析出 CO2 增加了CO2的产量 15E6缠绕式换热器的技 术特性见表1 图1 15E6缠绕管式换热器简图 图2 15E6工艺流程图 3 热工工艺计算和技术标准 311 热工工艺计算 在研究了大量物性试验数据的基础上 对低温 甲醇洗的物性参数进行理论计算 确定缠绕管式换 热器的壳程流动的特性参数 并对缠绕管式换热器 芯体部分及壳程流体的错流进行了研究 拟合的相 关方程为工艺计算提供了输入保证 换热器内的两股管程介质都与同一壳程介质进 行换热 在热力模型上假设两股管程之间的介质不 进行热交换 并允许不同介质的换热管位于换热器 的同一层内 表1 15E6换热器技术特性 项目壳程管程1管程2 最高工作压力 MPa 014817164971659 工作温度 5217 34 1914 44 2612 44 设计压力 MPa 018819819 设计温度 80 50 80 50 80 50 介质循环甲醇甲醇甲醇 程数111 容积 m3 1311421983136 焊接接头系数0185110110 312 技术标准 缠绕管式换热器作为一种紧凑型高效换热 器 设计 制造尚处于起步阶段 由于其结构的特殊 性 目前的换热器标准尚不能涵盖 针对缠绕管式 换热器设计 制造 检验 验收中的诸多环节要素 镇海炼化检安公司编制了企业标准 缠绕管式换热 器技术条件 并得到全国锅炉压力容器标准化技术 委员会的认可 这也是全国第一家由容标委批准的 缠绕管式换热器标准 在此基础上 先后完成了多 台缠绕管式换热器的设计 制造 4 换热器的选材 表2为15E6进口与国产化设备的材质比较 进 口设备的壳体主要采用10Ni14 国产设备主要采用 0Cr18Ni9 相关材质的化学成分见表3 表2 进口和国产化设备材质对比 名称进口设备国产设备 壳体10Ni140Cr18Ni9 管板10Ni140Cr18Ni10Ti3 换热管TTSt35N321 支座10Ni140Cr18Ni9 中心管St35180Cr18Ni9 10Ni14是德国优质315Ni钢 它作为 100 80 级低温钢被广泛使用 目前 我国有不少低温 设备使用315Ni低温钢 已取得较好的效果 我国 低于 50 的低合金钢钢管 尤其是换热管 尚未 取得大面积成功 也未纳标 因此国产化中考虑到使 72 第21卷第6期 压 力 容 器 总第139期 用寿命 介质的腐蚀等因素 决定采用奥氏体不锈钢 替代 按照以往制造过的低温绕管换热器的经验 15E6国产化中使用奥氏体不锈钢作为壳体和管子 的材料是可行的 5 换热管的选用 缠绕管式换热器换热管一般比较长 有的换热 管长度达到200 m 因此国外均采用焊接管 但是 G B151 1999对焊接管的使用压力有明确的限制 这一点对缠绕管式换热器是否适用有待探讨 缠绕 管式换热器管程的压力一般都比较高 国产化采用 的管子一般有两种形式 一种是无缝管对接 有对接 环缝 第二种直接采用焊接管 第一种管子焊接时 必须采用对接自动焊 逐条对接接头都应进行无损 检测 确保管子焊缝性能良好 第二种管子纵向焊 缝长 焊缝的薄弱性相对大一些 因此经过在线固溶 处理后必须进行在线涡流检测 同时还要进行压扁 试验 扩口试验和其他力学性能试验 全部合格后 该管方可使用 图3 4分别为国产化过程中采用的 管子 在4111 E4高压循环氮换热器 管壳程的设 表3 有关材质化学成分 名称CSiMnCrNiPS 10Ni14 0115 0135013 018 3125 3175 0102 0101 0Cr18Ni9 0107 1100 2101710 1910810 1110 01035 0103 TTSt35N 0117 0135 014 0103 01025 321 0108 110 2101710 19109 13 01045 0103 计压力均大于1010 MPa 的国产化中采用了无缝管 对接的方法 两种管子均已多次使用 未发现泄漏 目前如何选择还没有一个明确的界定 但整体制造 工艺上采用焊接管比较合理 本次大型多股流缠绕 管式换热器换热管采用焊接管 图3 有纵缝的焊接管 图4 有环缝的换热管 6 制造工艺 611 管束的绕制 在缠绕管式换热器制造中 最主要的是管束的 绕制 见图5 管子绕制有较高的要求 1 间距均 匀 即每根管子在绕制后的相互间隙要控制在一定 的范围内 不能出现时大时小 否则会造成甲醇偏 流 影响换热效果 2 端部管子折弯要自然过渡 在穿管板前管子要经过多个折弯才能穿到管板 在 折弯过程中必须保证圆滑自然 以免管子产生较大 内应力或者影响外观 3 异形条起到管子的定位 作用 必须等分均匀 而且保持螺旋角跟管子相同 接触处圆滑过渡 4 由于管子供货是盘形的 因此 在进入盘管位置前 必须要设立校直机构 在校直 作用的同时 也能起到预紧作用 防止绕管出现回弹 现象 5 不同管程的换热管合理地引导至对应的 管板区 6 绕管中最常见的问题就是 哑铃 式管 束 出现两头大 中间小的情况 因此 在绕制中必须 预先防止两端管子外弹 造成穿芯困难 图5 15E6绕管式换热器管束图 612 管口焊接和胀接 该换热器管子规格为 18 118 与管板的焊接 采用自动焊 为加强焊接的可靠性 焊接采用两层 82 CPVT 大型多股流缠绕管式换热器的制造 Vol21 No6 2004 焊 第一层熔化焊 第二层填丝焊 焊接要求为 1 焊接接头的收口处尽量与管子纵缝避开 2 要控制 好电流 既要焊透 又不能使管壁熔穿 3 熔化焊后 进行着色 确认合格后再盖面 613 胀接 胀接也是接头密封的关键步骤 由于胀接的管 子是有缝管 因此对胀接压力的选择十分重要 过胀 容易造成焊缝开裂 在确定胀接数据前 用模拟试 样做试验 分别用80 100 1200 MPa不同的压力进 行胀接 所有胀接压力下拉脱力试验均合格 然后 从管子中间剖开 见图6 从图6可以看出 胀接压 力在120 MPa情况下 管子 最上面管子 和基体紧 密结合 其他两根管子分别用80 100 MPa压力胀 接 管子与管板贴合不紧 有间隙 因此选用120 MPa作为贴胀压力比较理想 且压力较低 不易破坏 管子 图6 管子管板胀接连接接头试样 614 试压 绕管前后均要对每根管子进行2倍设计压力的 试压 管束制造完毕后 再进行整个芯子试压 芯子 试压先进行水压试验 再用氨渗漏检查焊口强度和 密封性 615 壳体制造 壳体的材质是0Cr18Ni9 厚度为22 mm 焊接坡 口采用单面X形坡口 焊接时采用CO2气体保护 焊 焊接工艺见表4 表4 壳体的焊接工艺 焊接层次焊接方法焊材 焊接电流 A 焊接电压 V 焊接速度 mm s 基层FCAW药芯308L130 150 24 26 310 315 盖面FCAW药芯308L160 180 26 28 315 410 616 穿芯 由于15E6缠绕式换热器重量大 管程压力高 壳程压力低 因此 穿芯时必须采取措施 首先要防 止壳体变形 其次在穿芯时 由于该换热器没有设置 滑道 穿芯时阻力大 所以芯体的前端应增设小的支 撑装置 减小穿芯阻力 穿芯过程见图7 图7 绕管式换热器管束穿芯图 设备制造时还需注意以下两点 1 不锈钢收缩 量较大 制造时必须考虑总长的控制 2 管程两端 各有四只管箱 安装要求高 焊接时必须要采取反变 形措施 7 结语 1 由于某化工集团国外进口的换热器泄漏引 起停产 循环甲醇冷却器 15E6 制造完毕后安装并 投入运行 经过装置生产磨合后 该设备达到了设计 要求 表5为运行后工艺流程的一组测试数据 表5 进口设备与国产化设备换热性能比较 设备 测点 温度 位 置 TI 20TI 18TI 13TI 14TI 15TI 16 进口设备 48 30 25 41 20 43 国产设备 48 2819 24 40 23 38 2 循环甲醇冷却器 15E6 的制造成功 标志着 我国完全有能力实现大型多股流缠绕管换热器的国 产化 但由于工艺过程的复杂性 并涉及到