大型多股流缠绕管式换热器的制造

表3 有关材质化学成分
Cr Ni 3125～3175 810～1110 P S
≤ 0115 ≤ 0107 ≤ 0117 ≤ 0108
≤ 0135 ≤ 1100 ≤ 0135 ≤ 110
≤ 210 ≥ 014 ≤ 210
— 171Biblioteka Baidu～1910 — 1710～1910
≤ 0102 ≤ 01035 ≤ 0103 ≤ 01045
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
图5 15E6 绕管式换热器管束图
612 管口焊接和胀接
在缠绕管式换热器制造中 , 最主要的是管束的
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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
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
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
第 21 卷第 6 期 压 力 容 器 总第 139 期
4 换热器的选材
图1 15E6 缠绕管式换热器简图
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 壳体 管板 换热管 支座 中心管 进口设备
≤ 0101 ≤ 0103 ≤ 01025 ≤ 0103
—
9～13
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 。
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) 01481 71649 71659 ) 工作温度 ( ℃ - 5217/ - 34 - 1914/ - 44 - 2612/ - 44 设计压力 (MPa) 018 819 819 ( ) 设计温度 ℃ - 80/ + 50 - 80/ + 50 - 80/ + 50 介质 循环甲醇 甲醇 甲醇 程数 容积 ( m ) 焊接接头系数
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
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)
10Ni14 10Ni14 TTSt35N 10Ni14 St3518
国产设备
0Cr18Ni9 0Cr18Ni10Ti3 321 0Cr18Ni9 0Cr18Ni9
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
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
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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 。
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
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
( %)
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
名称
10Ni14 0Cr18Ni9 TTSt35N 321 C Si Mn 013～018
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
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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
CPVT 大型多股流缠绕管式换热器的制造 Vol21. No6 2004
Domestic Manufacturing Research of Large Multi - stream Spiral - wound Heat Exchanger
D U 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 , Yinchuan 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
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 。
3
1 13114 0185
1 2198 110
1 3136 110
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 。
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 H2 S 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 H2 S 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 。
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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 。