0 引言
合成塔进出口换热器为某化肥项目中关键设备之一, 系超长型列管式固定管板换热器[1]。其设计采用GB150-2011《压力容器》、GB151-1999《管壳式换热器》;制造及验收遵照GB150-2011《压力容器》、GB151-1999《管壳式换热器》和HG/T20584-2011《钢制化工设备制造技术要求》。
1 设计结构及工艺参数
1.1 产品结构如图1所示
1.2 产品制造技术要求
1A、B、D (DN≥80mm) 类焊接接头热处理前后及水压试验后均按JB/T4730.3-2005进行100%UT检测, 达Ⅰ—B级要求;A、B、D、E类焊接接头表热处理前后及水压试验后均按JB/T4730.4-2005进行100%MT检测, 达Ⅰ级要求。
2所有对接焊接接头及接管与筒体焊接接头均应采用全焊透结构, 焊缝与母材应圆滑过渡, 对接接头余量应尽量减少, 角焊缝外边应为凹形圆滑过渡;不得存在咬边, 不得存在裂纹, 未焊透等缺陷。
3管板与壳程筒体环缝为收口焊缝, 焊接接头在热处理前按JB/T4730.13-2010进行100%TOFD检测, 达Ⅱ级合格, 且热处理前后及水压试验后均应按JB/T4730.3-2005进行100%UT检测, 达Ⅰ—B级要求;外表面还应按JB/T4730.4-2005进行100%MT检测, 达Ⅰ级要求。
4左右管箱、壳程组件应分别进行炉内整体消除焊后应力热处理, 换热管与管板的焊接接头进行局部消应力热处理;管箱筒节、壳程筒体与管板之间的焊接接头进行局部消除焊后应力热处理。
5换热管与管板之间的焊接接头采用2层填丝焊, 换热管与管板之间的焊接接头焊完第一道后以及第二道后, 分别进行气密性试验, 并且验证合格;且换热管与管板质检的焊接接头在胀管前后及热处理前后均按JB/T4730.5-2005进行100%PT检测, 达Ⅰ级要求。
6设备管板按压差设计, 即壳程与管程同时受压;操作、开出、停车及水压试验中应严防超压现象发生, 在局部热处理和胀管完成后对壳程进行水压试验, 合格后进行氨渗漏试验, 检测管板与换热管之间的焊接接头合格后, 管程与壳程同时做水压试验, 且管壳程最大压差不得超过设计范围。
2 设备材料质量控制
化工生产的多样性以及操作条件与介质的复杂性决定了设备材料选择的重要性;合理选用化工设备材料是其设计与制造的重要环节[2]。
原材料到厂后, 应根据标准和技术协议要求审查质量证明书, 审查相关化学成分、力学性能、低温冲击、晶粒度、无损检测等是否达标。制造厂应根据标准和技术协议对入厂材料进行复验, 复验项一般包括:化学成分、常温 (最大、最小模拟热处理后) 力学性能、低温冲击试验、晶粒度、非金属夹杂物、超声波检测等。
3 制造与组装
3.1 筒节
下料过程中要保证下料尺寸的精确计算, 板材下料时检查线、切割线齐全, 保证板材对角线之差控制在1mm之内, 避免由于下料尺寸不精确导致环缝组对错边过大而导致的应力集中。
筒节采用温成型 (中间进行消除应力热处理) , 卷板前应进行刨边 (消除硬化层) , 且板边缘应进行打磨圆滑过渡并100%MT检测, 能有效的减少板材在卷制过程中在边缘尖锐部位产生的应力集中现象, 从而降低裂纹的出现几率。
3.2 锻件
锻件机加工过程中需严格按照图纸及标准要求进行加工, 控制尺寸偏差在范围之内。如果偏差超过一定数值, 在部件组装时, 会出现附加的组装应力, 并且过大的形状突变所引起应力集中对于设备的使用极为不利。
3.3 换热管与管板连接
连接形式:强度焊+贴胀 (管孔开弧形槽) 。
胀接与非胀接部分应圆滑过渡, 不得存在急剧的棱角, 以免划伤管束;胀接管端不应有起皮、褶皱、裂纹、切口、偏斜以及其他影响胀接的缺陷;在胀接过程中检查胀口的胀接质量;胀接接头管端应呈现金属光泽;管端清理长度不小于2倍的管板厚度;换热管的胀接必须在管板的焊接工作和热处理完成后进行。
3.4 组装
筒体排版尺寸尽量大, 且只允许1个纵缝, 筒体焊缝应避免鞍座区域;所有接管以及其他内外附件的焊缝相互避开, 且所有焊缝的最小间距不得小于200mm;A、B类焊接接头对口错边量:≤3mm (A类焊接接头) , ≤5mm (B类焊接接头) 。
4 Cr Mo钢的焊接
由于该设备主要材料为14Cr1Mo, 属于珠光体耐热钢;由于此类钢中含有一定量的Cr和Mo等合金元素, 具有较高的淬硬倾向, 对冷裂纹较为敏感。在各种弧焊法的冷却速度下都可能在热影响区内形成马氏体组织, 从而降低焊接接头的韧性。
因此, 在拟定该类钢种的焊接工艺时, 应以防止焊接接头各区马氏体组织和冷裂纹的形成为基本出发点。首先应适当预热, 降低焊缝和热影响区的冷却速度;其次是建立低氢的焊接条件, 包括采用低氢的焊接方法, 低氢的焊接材料, 药皮焊条和焊剂按规定进行烘干, 焊接区和焊丝表面的油垢和水分应清除干净;第三是焊接过程中控制层间温度;除此以外还应控制焊接热输入[3]。
4.1 焊材的选择
选用的焊材应保证焊缝金属的性能高于母材, 并严格控制有害杂质P、S、O、N等元素的含量。
4.2 采用小的焊接线能量, 控制层间温度
为了避免焊缝金属和热影响区形成粗晶组织而降低韧性, 焊接时应尽量采用快速多道焊以减少过热。焊接线能量小, 焊缝可形成柱状细小组织, 并且通过多层焊的重热作用细化晶粒 (后续焊道对前面焊道起正火作用) 。
4.3 焊前预热与焊后消氢
避免淬硬组织和减少焊接应力, 应做到焊前预热。预热温度不能过高, 否则会使热影响区晶粒长大, 在晶界可能析出氧化物和碳化物而降低韧性, 所以预热温度一般不能超过250℃。如不能及时进行焊后消应力热处理, 焊后应立即进行消氢处理, 消氢温度300~350℃, 保温不小于2h。焊缝冷却时, 氢气在钢中的溶解度急剧下降, 由于焊缝冷却较快, 氢来不及逸出而留在焊缝金属中, 经一段时间后会在焊缝和熔接区处聚集, 当聚集到一定程度后在焊接应力下导致焊缝热影响区产生裂纹, 所以焊后消氢对焊缝很重要。
5 焊后热处理
焊后热处理对于消除构件的焊接残余应力、改善焊缝和热影响区的力学性能、细化晶粒起到很大作用。由于Cr Mo钢中的合金元素都是碳化物形成元素, 焊缝金属及热影响区都有二次析出硬化倾向。因此, 焊后热处理不仅是为了消除焊接接头的内应力, 更重要的是使焊接接头各区组织稳定化[4]。制造厂在进行热处理之前, 应编制合理的热处理工艺, 热处理工艺参数要符合标准和技术条件要求。热处理工艺主要包括热电偶的布置、保温温度及时间、进出炉温度、升温降温速度等。设备出炉完成热处理后, 还应当审查热处理曲线及参数是否符合工艺要求;检测母材及焊缝硬度, 通过焊接试板的力学性能验证热处理工艺能否达标。
6 无损检测
无损检测是保证压力容器的质量的重要环节, 也是确保产品质量的重要手段。
对于化工设备用材料、设备上焊接接头的无损检测, 制造厂应根据图纸和技术协议编制合理的无损检测工艺。对无损检测工艺文件审查时还应对无损检测人员资质进行审查。针对容易出现再热裂纹倾向, 材料的热处理后无损检测以及可能会出现延迟裂纹的焊接接头的无损检测作为监造的重点。对返修和扩探部位以及可能影响制造进度的无损检测应特别注意。
监理人员应根据技术协议、图纸和标准要求, 对制造过程中各个环节进行无损检测跟踪, 对无损检测时机有明确认识, 对其相应检测过程给予见证, 对其报告进行审查, 对于有特殊要求的节点进行重点关注[5]。
7 压力试验
作为设备出厂前的验收是最后也是最重要的一个环节, 产品的压力试验的目的在于检验压力容器承压部件的强度和严密性。在试验过程中, 通过观察承压部件有无明显变形或破裂, 来验证压力容器是否具有设计压力下安全运行所必需的承压能力。同时, 通过观察焊缝、法兰等连接处有无渗漏, 检验压力容器的严密性[6]。
压力试验作为设备监理的一个H (停止) 点, 监理人员必须在设备压力试验前对包括热处理、无损检测、试件性能等报告审核完毕后, 认可设备具有试压的条件后, 对压力试验的试验压力、试验温度、保压时间、试验程序、试验用表等进行现场确认, 符合相关标准的要求。
8 结语
合成塔进出口换热器的制造工艺相对较为成熟, 但是随着技术的创新与发展, 设备结构的日趋复杂, 工况越来越高的要求情况下, 监造人员应当从材料、工艺、制造、热处理、无损检测等各方面严格把关, 确保设备制造质量满足设计及运行要求。
摘要：针对合成塔进出口换热器的制造要点, 从材料的选择与使用、组装制造、Cr-Mo钢的焊接、焊后热处理、无损检测、压力试验等方面阐述了对设备制造过程控制事项, 概述了监造过程中需要注意的关键要点。
关键词：换热器,焊后热处理,Cr-Mo钢焊接,无损检测,压力试验
参考文献
[1] 谭怀羲.121-C氨合成塔进出口换热器管系制造工艺研究和工艺[J].压力容器, 9 (4) :51-55.
[2] 李丕明.关于化工设备材料的选择[N].吕梁高等专科学校学报, 1996, 6 (15) 2.
[3] 王百森.Cr-Mo钢承压设备焊后热处理工艺的探讨[J].石油化工设备技术, 2009, 30 (4) :48.
[4] 陈裕川.钢制压力容器焊接工艺[M].北京:机械工业出版社, 2007, 371-373.
[5] 郭亮, 宋雅琦, 谢富治.浅谈做好无损检测监理的要点[N].科技创新导报, 2012, 07.
[6] 周夏, 孙新华.化工设备的监造实践与思考[DB].维普资讯http://www.cqvip.com Technology&Products技术产品版, 2011-12-20.