不锈钢U型管式换热器设计与制造工艺分析

浙江至德钢业有限公司介绍下公司生产的不锈钢U型管式换热器的设计和制造工艺，着重阐述了材料的检验与验收，封头及筒体的成型，设备法兰的堆焊，管板的机加工，不锈钢U型换热管的弯制，换热管与管板的连接等重点设备的设计和制造工艺。

一、引言

  反应产物-原料热交换器(E-101C)是中国石化股份有限公司齐鲁分公司胜利炼油厂石脑油加氢装置炉前换热流程节能改造项目中的重要设备，换热器结构采用不锈钢U型管式换热器。

 1. 设备主要参数

 反应产物-原料热交换器设计依据的规程是TSG R0004—2009《固定式压力容器安全技术监察规程》，依据的规范主要是GB 150—2011以及GB 151—1999。主要设计参数见表。

 2. 设备结构型式

 该不锈钢换热器是典型的不锈钢U型换热器。前端管箱与壳体结构相似，由封头、筒体、设备法兰以及接管组成；管束结构为U型管束。设备净重24.76吨，总长8419mm，内径Φ1200mm。该换热器筒体、封头材料为S32168+15CrMoR(H)不锈钢-铬钼钢复合板，图纸要求名义厚度均为3+32mm。设备法兰材料为15CrMo(H)Ⅳ级锻件，且需要堆焊E309L+E347。管板材料为S32168Ⅳ级锻件，换热管规格为Φ19×2，材质为S32168。

 3. 设备的技术特性

 该换热器的特点是操作工作温度较高、临氢且处于硫化氢腐蚀环境，因此对材料的化学成分和力学性能提出了较高的要求，且制造中的检验项目繁多，指标大多高于标准要求。该设备制造的重点主要有：材料的检验与验收；封头及筒体的成型；设备法兰的堆焊；管板的机加工；U型换热管的弯制；换热管与管板的连接。

二、材料的要求及验收

 1. 基层材料的要求

 15CrMoR(H)钢板、15CrMo(H)锻件材料的化学成分及力学性能除符合GB 713—2008、NB/T 47008—2010的规定外还应符合以下规定。

 冶炼方法：采用碱性电炉冶炼、真空脱气(VCD)或碱性电炉及碱性平炉初炼、精炼炉精炼、真空脱气等工艺生产的本质细晶粒镇静钢。

 交货状态：钢板以正火(允许加速冷却)+回火状态交货。化学成分：应满足表2的要求。

 力学性能：模拟焊后热处理分为最大焊后模拟热处理(Max.PWHT)和最小焊后模拟热处理(Min.PWHT)两种情况。Max.PWHT：675±10℃×9h；Min.PWHT：675±10℃×3h.晶粒度(Max.PWHT)：晶粒度不低于5级。

 非金属夹杂物(Max.PWHT)：锻件中A、B、C、D类夹杂物均不得大于1.5级，且A+C、B+D均不大于2.0级，A、B、C、D类总和不大于4.0级。锻件的锻造比应大于3.5。

 钢板逐张进行100%超声检测，检测标准按JB/T 4730.3—2005,质量等级I级。锻件按JB/T 4730.3—2005进行超声检测，由缺陷引起的底波降低量、单个缺陷和密集缺陷均为Ⅱ级为合格。不允许存在裂纹和白点。

 2. 复合板

 复合板应符合NB/T 47002.1中B1级的规定。复合钢板的基层和复层之间的界面应为冶金结合。用于生产复合钢板的坯料，无论是基层还是复层均应为整张，不宜拼接。奥氏体不锈钢复层表面应进行酸洗钝化处理。复合板界面结合状态的要求。复合钢板界面结合部的超声检测应在热处理及校平以后进行，且应在全面范围内逐张进行，探头重叠部分不得小于15%。

 3. S32168锻件的要求

 管板用S32168Ⅳ级锻件应符合NB/T 47010《承压设备用不锈钢锻件》的规定。且应按GB/T 4334—2008《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》进行晶间腐蚀倾向试验。

 4. S32168换热管的要求

 换热管应符合GB 13296—2007中高精度级冷拔管的要求，不得拼接。换热管应逐根进行水压试验复验，水压试验压力为9MPa。换热管应逐根进行涡流检测，且应做压扁及扩口试验。换热管应按GB/T 4334—2008《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》中方法E进行晶间腐蚀倾向试验。换热管订货应按NB/T 47019—2011《锅炉热交换器用管订货技术条件》。

三、主要制造要点

 1. 封头

 该换热器封头型式：EHA600，名义厚度：δ=3+22mm。按设计要求采用整板热压成形。封头的冲压是一种拉延过程，金属材料将会产生复杂的变形，导致较大的局部减薄，为保证满足设计要求的壁厚，投料厚度δ=3+36mm，展开尺寸为Φ1580mm。封头热压成型后，为恢复母材性能，需对封头进行正火+回火热处理，且封头热成型不能替代正火热处理。其中正火处理要适当加快冷却速度，以细化晶粒，保证较高的冲击韧性，满足图纸技术要求。加热时有仪表曲线记录，控制加热炉内的磷、硫含量。正火热处理工艺：热处理保温温度910～930℃，升温速度55～170℃/h，保温45分钟，降温为环境温度<10℃时空冷，≥10℃时喷雾。回火热处理工艺：热处理保温温度660～680℃，升温速度55～170℃/h，保温80min，降温空冷。封头成型后，应按照有关标准和设计图样的要求进行外观质量、尺寸及形状检查以及超声波检测。封头验证试板在模拟热处理后，进行相应的力学性能试验。

 2. 筒体

 筒体共分3节。筒体的制作工艺流程为：下料—刨边—卷制—组对—焊接—单节校圆—探伤—筒体与筒体、筒体与法兰环缝组对—焊接—探伤—开孔与接管D类接头焊接—D类接头检测合格。

 筒体质量控制要求：复层错边量≤1mm；棱角度≤5mm；两端周长3990+5mm；圆度≤5mm。

 壳体、封头复合钢板的A、B类焊接接头应先焊基层后焊复层。当从复层一侧焊接基层时，要严格防止复层金属渗入基层焊缝中。尤其是纵缝两端部附近的复层焊缝(T型焊缝处)必须在环向基层焊缝焊完后再焊接。复合钢接管与设备壳体组焊时，应使接管端部与壳体复合板界面齐平，先焊接基层再焊接过渡层和复层，焊接复层时应将管端部堆焊成形。

 3. 管板

 该换热器管板材料为S32168Ⅳ级锻件，管板主要技术要求：管板钻孔应从管箱侧起钻。钻后终钻侧(出钻)100%检查孔桥宽度，100%孔桥宽度不得低于4.6mm；管孔应严格垂直于管板密封面，其垂直度允差为0.1mm,孔表面不允许存在贯通的纵向条痕。管板要求的精度比较高，厚度也比较厚，管板加工采用数控钻床划线钻引孔，配合摇臂钻孔加工。管板加工工艺流程为：车—划线—卷制—钻孔、倒角、攻丝—铣隔板槽。

 4. 不锈钢U型管

 不锈钢U型管弯制具体步骤如下：冷弯。弯管段圆度偏差不得大于1.9mm；不锈钢U型管在弯制过程中圆度已不难控制，但是由于回弹，往往弯制后的实际弯曲半径增大，造成穿管困难，甚至无法穿管。因此，应掌握好回弹规律，严格控制回弹。在制作弯管模具时，应该制作的偏小一些，从而使弯制后的尺寸符合图纸要求。

 对弯管段及至少300mm直边段进行固溶处理，固溶温度1050～1100℃；对弯管段及300mm直边段打硬度，硬度HRC不大于22；逐根单管水压试验。P=9MPa，保压时间不小于15秒；对靠近管板中心的3排换热管按JB/T4730进行100%PT，I级合格。

四、结语

 我公司严格按照工艺方案进行施工，成功地完成了该设备的制造。浙江至德钢业有限公司介绍了不锈钢复合板-不锈钢换热管这一种U型换热器，其他相同类型设备的制造也可以参考。