合成气废热回收加热器关键制造技术

(高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室(哈尔滨锅炉厂有限责任公司)，哈尔滨 150046)

0 引言

合成气废热回收加热器是Cassle合成氨装置中关键的配套换热设备，它长期处于高温、高压的苛刻工况下运行[1]。为某出口合成氨项目制造的合成气废热回收加热器，是按照ASME Ⅷ-Div.2和API 934标准体系制造的化工换热器产品，技术要求严格，制造难度大，对此，结合该设备的结构特点和制造厂的设备能力，制定了切实有效的制造工艺和措施[2]，并进行技术攻关，最终解决了多个制造工艺难题，为该种设备的国产化制造积累了经验。

1 合成气废热回收加热器的结构

1.1 结构形式

合成气废热回收加热器结构见图1。

1.2 结构特点

合成气废热回收加热器是典型的折流杆式换热器，主要由壳程组件，管系组件和管箱组件及附件组成，其主要特点如下：

(1)管系由30组折流栅组成管架，外部使用不锈钢夹套包裹，结构紧凑；

(2)管系采用先进的防振设计，结构精巧；

(3)管子与管板的连接采取胀焊结构;

(4)管束尾部设置双防震支架，将其运行期间的振动减到最小。

图1 合成气废热回收加热器结构简图

2 主要技术参数及零部件规格

主要技术参数见表1，主要零部件材料及规格,见表2。

表1 主要设计参数

表2 主要零部件材料及规格

3 主要制造难点和重点制造技术

该台设备国产化的难点和重点在制造技术，N3接管的装焊与机加工精度控制，折流杆管系的制造过程是整台设备制造的关键。

3.1 N3接管的装焊与整体机加工

壳程组件主要材料为SA-336M F22Cl.3，由壳程反向法兰、壳程筒体Ⅰ,Ⅱ构成，其中壳程筒体Ⅰ的厚度达到220 mm，壳程筒体Ⅰ上有4个接管法兰组件。

3.1.1 N3装配位置精度控制

N3接管法兰直接与氨塔对接，将在现场安装氨塔内件，尺寸精度要求极高，如图2所示。由于氨合成塔由国外厂家供货，相关接口安装存在困难。为保证氨塔内件能在现场顺利安装，N3接管的装焊位置控制和N3接管内壁的加工精度都极为重要。

为了从源头开始保证N3接管的装配位置精度，在外壳组件热处理之后,壳程筒体Ⅰ上的开孔及坡口经数控机床加工成型，保证坡口的角度及与N3接管的间隙一致。N3接管与外壳装焊时，当壳体上的4个中心点到N3接管外壁的尺寸偏差不超过1 mm后，使用4块L形拉筋板焊接固定，考虑SA-336M F22 Cl.3的焊接性能及焊接工作量，当焊接工作量完成达到壳程筒体Ⅰ壁厚的1/2时进行中间热处理消除应力，所有焊接工作量完成后再进行一次热处理，最后去除L形拉筋板，以减小焊接和热处理过程中N3接管的变形。

3.1.2 N3接管法兰与外壳的焊接

由于N3接管和壳程筒体Ⅰ的材料完全是SA-336M F22Cl.3，这种2.25Cr-1Mo材料中含有的Cr,Mo等合金元素为强碳化物形成元素，在较大焊接应力的存在情况下能使焊接接头的过热区存在再热裂纹倾向；焊接接头中的P,S元素及残余元素Sb,Sn,As的含量超过容许极限时会出现回火脆性，影响其焊接性能和焊接接头的力学性能及使用性能[3-5]。

壳程筒体Ⅰ的厚度220 mm，内径仅为1 260 mm，而N3接管法兰外径为846 mm，受尺寸结构影响，焊接质量稳定的自动焊接设备无法应用于该接管的焊接，而只能使用全手工焊的方式来完成这种大淬硬倾向的合金材料，焊接难度极大。

为防止N3接管在焊接过程中出现裂纹，制造过程中采取了严格的预热、层间温度的控制和焊后立即消氢及中间热处理等工艺措施，具体如下。

(1)选用低氢焊材，以降低熔敷金属中的扩散氢含量，焊前焊材按要求进行烘干，使用过程中严格保温。

(2)严格限制焊接材料中S,P及Sb,Sn,As等元素的含量，具体数值见表3，保证影响焊缝回火脆性的系数X=(10P+5Sb+4Sn+As)×10-2≤15 ppm，同时通过进行多项焊接工艺评定，对焊材、焊缝和产品试板进行加速脆性试验-回火脆化倾向性评定试验，验证焊缝对回火脆性的敏感性，所有工艺评定合格后才能进行焊接。

表3 熔敷金属中微量元素的化学成分 %

(3)焊接中断或焊接完成后，保持预热温度直至进行消氢热处理，在N3接管焊接至1/2的厚度时进行620±15 ℃的中间热处理，N3接管焊接完成后再进行一次620±15 ℃的中间热处理，外壳所有焊接完成后进行690±10 ℃的最终热处理，以消除焊缝金属中的扩散氢和部分焊接接头残余应力。

(4)由于壳程筒体Ⅰ和N3接管的壁厚都特别厚，常规散烧嘴的预热方式无法保证待焊区域的预热温度均匀，故本设备焊前高温预热使用热处理炉加热至300 ℃并保温一段时间，使工件整体预热均匀，减少材料内部的温度梯度。预热出炉后，对壳程筒体Ⅰ内外表面全方位保温，并设计在外壳内部专用的火焰加热工装，用于焊接过程中的保温，保证焊接过程中温度梯度合适。采取多人并行手工电弧焊，焊接过程中控制层间温度(如图3所示)，焊接完成后保持预热温度至消氢处理。

图3 N3接管焊接操作

在上述控制措施基础上，进行了严格的焊接工艺评定和焊工考试，调整焊接参数、提高焊工技能水平，以保证N3接管的最终焊接质量。

3.1.3 外壳主螺栓孔及N3接管法兰的整体加工

设计要求壳程组件整体热处理后，再加工反向法兰16个M130×4螺纹孔和周向的16个∅8 mm孔，以及N3接管法兰的内壁，位置如图4所示。在热处理之后需要二次机加工的位置较多。

图4 外壳需整体机加工部位示意

为保证整体加工精度，专门制定了加工方案，首先将壳程组件装卡在数控机床的回转台上，使N3接管的中心线与数控机床的主轴中心线平行，加工N3接管法兰内表面和密封面；完成后旋转回转工作台90°至外壳中心线与数控机床主轴平行，使用专用螺纹铣刀加工反向法兰的16个M130×4螺栓孔;最后使用垂直铣头加工反向法兰周向的16个∅8 mm孔，如图5所示，反向法兰上16个M130×4的螺纹底孔优先使用其他设备加工，以降低数控机床的工作量，提高加工效率。使用上述工序，保证了外壳组件仅经过1次装卡后，实现了所有部位的机加工，减少了因多次装卡引起的加工偏差，从而保证外壳整体及N3接管的加工精度。

图5 外壳组件整体加工

3.2 折流栅管系的制造

合成气废热回收加热器的管系由管板、U形换热管，不锈钢折流栅、不锈钢内套筒、定位支撑条、定距管及拉杆等组成，其中管系中共有4种不同形式的折流栅30个，各种折流栅交错间隔布置，管系结构详见图6。

图6 合成气废热回收加热器管系结构示意

合成气废热回收加热器的折流栅管系的制造难点主要集中在折流圈[6]、折流杆的加工与组装和管系的最终组装等方面。

3.2.1 折流栅的制造

折流栅由折流圈和折流杆组焊而成。折流圈内径、外径为∅1 0940+0.8mm，∅1 060 mm，材料为SA-240M 321，厚度为δ20 mm；折流杆直径为∅5 mm，材料为SA-479M 321。折流栅分为4种，其中2种折流栅的折流杆为竖向布置;另外2种折流栅的折流杆为横向布置，如图7所示。同向布置的折流杆与中心距离不同，4种折流栅按顺序依次布置，每个折流栅之间的间距为310 mm，每两个折流圈形成20.4 mm×20.4 mm的方形栅格，如图8所示，使每个折流杆均能起到支撑换热管的作用。

图7 折流栅结构示意

图8 折流栅与换热管的支撑形式

折流圈单边宽度最小处为17 mm，如图9所示，厚度为δ20 mm，热切割下料后极易产生变形。同时折流圈材料为不锈钢，装焊时焊接收缩量大，变形量大且控制难度大。每个折流栅在圆周上和中间横杆上共有13个∅11 mm的拉杆孔，四象限上还有4个12 mm×20 mm的方槽缺口。拉杆孔和定位方槽位置精度不合适将直接导致定距连接板组装困难，影响最终管系的组装。

折流杆直径仅为∅5 mm，且折流杆长度较长(最长达到1 058 mmm)，折流杆横向布置的折流栅中间部位没有任何搭接部分，焊接后折流杆极易产生变形，折流栅的网状管孔定位精度很难保证，这将直接影响管架立装精度和穿管难易程度。

图9 折流圈结构示意

为了保证折流栅的成型和组焊质量，同时考虑到合成气废热回收加热器的折流圈轮廓是异形的结构件，无法通过条料卷制并机加工成型[7-8]，确定将折流栅的制造分为折流圈的预制和折流栅的组焊及加工两部分。折流圈按1/3冷切割下料，减少原材料消耗和变形[9]，如图10所示。

图10 折流圈分段图

折流圈在平台上装焊成一体后，将每个折流圈使用专用工具悬空，在控制焊接参数的基础上交替焊接，减小折流圈拼焊过程中的变形；逐件校平折流圈后，多块叠装，数控机加工折流圈的内外轮廓，用以保证折流杆装焊前折流圈的尺寸精度。

为提高折流栅组对精度，根据图纸结构，优化设计一组装配胎具[10](见图11)，在装配胎具上控制折流杆开槽间隙公差，弓形挡板完全机械加工成型，保证与折流圈组对时，间隙合适，使焊接后的收缩在预期范围内。组对过程中控制折流的平直度，以保证所有折流圈穿管时的同轴度。折流杆与折流圈间的焊缝采用焊接线能量较小的氩弧焊进行，控制焊接过程中的热输入，减小焊接对整个折流栅变形的影响，待整体完全冷却后，再将折流栅组件从工装脱模，最大限度地降低焊接残余应力的影响。

图11 折流杆与折流圈在胎具上组装

每个折流栅冷精校合格后，使用数控机床一次加工成型折流圈圆周上的缺口和拉杆孔，有效地保证方槽和拉杆孔的相对位置误差[6]，折流圈加工完成后效果如图12所示。

图12 加工完成的折流栅

通过上述工艺流程和加工质量控制措施，除了有效地降低了原材料成本外，还保证了折流栅的成型和组焊质量，折流栅最终的尺寸精度完全符合图纸要求，减少了后期管系组对调整的难度。

3.2.2 管架的组装

合成气废热回收加热器管系中折流栅数量达到30块，且折流栅之间的间距很近，其间距为130 mm；换热管外径∅19.05 mm，折流杆形成的栅格为20.4 mm×20.4 mm，换热管外壁与折流杆外壁的理论距离为0.675 mm，如图13所示，管架立装的精度要求非常高。

图13 换热管外壁与栅格间距示意

为保证管架立装的最终质量满足穿管要求，将管系分为4部分分别立装，见图14，分段处的拉杆使用螺纹套筒连接，分段如图15所示。第1部分：将第1段拉杆与管板装配好，在壳程筒体Ⅲ外部整体立装1#～6#折流栅，使用定位管固定，待管架调整后，整体将1#～6#折流栅整体推入壳程筒体Ⅲ中，并将一些工艺用换热直管引入管板对应管孔中定位；第2部分：在圆圈区域逐块立装7#～12#折流栅，并调整定位；第3部分：由于相邻折流栅之间的间距只有130 mm，拉杆拼接处的操作空间会非常小，拉杆连接处的螺纹上紧很困难,所以为了留出拉杆拼接处的操作空间，将最后3块折流栅，即28#～30#折流栅先不装，将13#～27#折流栅组件，由于少了3块折流栅，拉杆留出的长度为450 mm，拉杆拼接处有足够的操作空间;第4部分：待13#～27#折流栅组装完成之后，最后立装28#～30#折流栅[11]。

图14 管架分段组装

图15 管系分段组装示意

通过上述分段工序制作，再进行总体组装的工艺，既降低了制造难度，又保证了管板与所有折流栅轴线的同心度和垂直度，顺利完成了这种折流栅式管系的组装，为最终顺利穿管奠定了基础，完成效果见图16。

图16 管架组装效果

4 结语

该合成气废热回收加热器的折流栅式管束的制造完成，打破了国外厂家对此种换热器生产制造的技术垄断。实践证明针对这种结构换热器采取的制造工艺和改进措施是切实有效的，对保障产品质量和提高生产效率起到了关键作用。使用的折流栅制作和管系立装的工艺技术，为提升折流杆换热器的装配质量积累了宝贵经验，也可以为其他结构换热器的制造工艺和质量的改进提供借鉴和参考。