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第4期
大型低温换热器的设计
刘锋
(中石化宁波工程有限公司,浙江宁波315103)
[摘要]一台大型低温换热器的直径及管板厚度已超出标准规范允许的最大值,设计及制造的难度较大。本文对该换热器
的超厚管板设计及制造中的技术难点迸行了详细阐述。该换热器的制造成功,为大型低温換热器的设计制造提供了可供借鉴
的经验
[关键词大型换热器;低温;09 MNNIDR;超厚管板;焊接与贴胀
近年来,随着国内炼油加氢裂化装置中原料
由于换热器的大型化,在设计中遇到多项超
氢资源优化以及甲醇合成装置的大型化,煤气化标准的内容,采取相应的非标设计方案,涉及设
技术在国内得到快速发展。从初期的几万标准立计标准规范的选定、材料的选择、结构的确定、
方米到10万标准立方米,再到20万标准立方米,设计计算、制造验收技术条件等多方面内容。
装置的压力等级从4.0MPa、6.5MPa到8.0MPa,装
本换热器主要执行标准如下:TSGR0004《固
置规模越来越大型化。作为装置中的主要设备一定式压力容器安全技术监察规程》,GB150-2011
换热器,同样也随着装置规模和压力等级的提《压力容器》,GB151-1999《管壳式换热器》,
高,而日趋大型化。换热器的大型化给设计和制JB/T4730-2005《承压设备无损检测》,NB/
造带来的首要问题是换热器主要受压元件一壳体T47014《承压设备焊接工艺评定》,NB/T47015-
和管板厚度的增加,特别是管板厚度的增加,已
《压力容器焊接规程》,NB/T47009-2010《低温
经超出标准规范允许的最大厚度。这给换热器的承压设各用低合金钢锻件》等
设计及制造带来了一定的难度。本文以某装置中
的换热器为例,对厚管板换热器的设计进行详细
表2大型换热器非标设计内容
介绍
GB151范围
大型换热器
1大型换热器的设计参数
筒体直径m
≤2600
2750
某装置的大型换热器,壳程筒体内径为
换热管外径偏羌m
土0.2
士0.1
换热管壁厚偏差m』+12%,-10%
+10%
Φ2750mm,材料为09 MNNIDR,换热管材质为
换热管与管板接头
S30403,换热面积为3520m2,设备净重约120吨。
检测
PT+氨检漏
换热器的设计参数见表1。
管板锻件要求「按常规锻件标浍补加凸缘拉伸试验
+1/2冲击试验
表1换热器设计参数
管板强度计算
常规计算
有限元应力分析
壳程
设计压力MPa
7.01
2大型换热器材料选择及技术要求
设计温度℃
70/-70
换热器管、壳程筒体基层材料为GB3531中
程数
的低温压力容器用钢板09 MNNIDR。因换热器设
焊接接头系数
1,0
计温度与钢板允许使用温度下限值相同,为了
「管子与管板连接形式「强度焊+贴胀
保证低温钢板初期就具有良好质量,对钢板中
换热管根数排列450u30
硫、磷含量提出更为严格的要求(质量分数)
换热管规格
19X2.0
「换热管管间距皿
作者简介:刘锋(1978-),男,甘肃人,大学本科,工程师。在
換热管直管长度m
6500
中石化宁波工程有限公司工作
石油和化工设备
14-口论文广场
2014年第17卷
P<0.015%,S≤0.008%;钢板使用状态为正火加满足A+C≤2.0,B+D<2.0。
回火;钢板逐张进行100%超声检测,合格级别
(5)锻件抗拉强度值为Rn430~580MPa
Ⅲ级。为使钢板具有良好的初性储备,提出相对
(6)锻件室温屈服强度下限值RL270MPa。
严格的要求:钢板逐张进行低温冲击试验,试样
取样位置为1/2板厚处,横向取样,冲击试验温度
(刃锻件端面收缩率A>23。
为-70℃,三个试样的冲击功平均值kv260J,允许
8)锻件-70℃低温冲击功值Kv2>60J。
其中一个试样的冲击功值小于平均值,但不得小
对于管板用锻件的取样部位,也提出更高要
于42J。
求。NB/T47009规定从距边缘大于或等于20mm
换热器管板材料为09MnND锻件。锻件使处向里取样,考虑到本换热器管板锻件厚度远超
用状态为淬火加回火,锻件级别为Ⅳ级。管板厚出标准规定,为了保证管板的力学性能,要求在
度计算采用SW6软件按GB151进行常规计算,再锻件心部I/2处和边缘大于或等于20mm处同时取
按应力分析进行核算,确定管板中心处基层厚度样。为了降低设备费用,锻件心部1/2处的取样,
为415mm,再加上管板两端与筒体对接焊接凸可以特别锻制一个直径为550mm,厚度为550mm
台,整个管板锻件厚度达到536m,远超出NB/的取样试件,取样试件的化学成分、锻造工艺和
T47009.2010标准中O9MnND锻件公称厚度≤300热处理工艺与管板锻件相同,通过检验取样试件
mm的规定。经过咨询国内多家相关单位,确定中的试件合格与否,确定管板锻件的力学性能。
目前这种锻件国内可以生产。为了保证锻件的质边缘大于或等于20mm处取样应在管板锻件上。两
量,经与多位专家讨论后,对换热器管板材料提处试样的检验结果应当相同。
出以下技术要求:
换热管材料选用S30403,除换热管的外径和
(1)锻件化学成分除P≤0.015%,S<0.008%外,壁厚偏差外,其余满足NBT47019,5-2011的规定即
其余符合NB/147009表1的规定。
(2)锻件的供货热处理状态为:淬火十回火。
换热器焊接材料:O9 MNNIDR(09 MNNID)
3)锻件要求具有7级或以上的晶粒度
之间以及09 MNNIDR(09 MNNID)与碳钢之间的
(4)锻件中非金属夹杂物按GB/T1056120068条牌号均为W707,其熔敷金属的力学性能和化
学成分应满足表3要求。
定的B法进行评定,总数A+B+C+D+DS<4.5,且应
表3焓数金属的力学性能和化学成分
R. Mpa.
Mpa
W707
≥490
≥390
22%
≥60(-70℃
≤0o5%≤0.00
焊接材料的型号、牌号、技术要求、试验个密封面,也就多了两个泄漏点;另外,夹持型
方法、检验规则及质量管理等,均应符合相应标换热器多了两块大法兰,不利于降低设备投资。
准规定。焊条应按批进行药皮含水量或熔敷金从国内外换热器的发展趋势看,高压力、大直径
属扩散氢含量的复验,熔敷金属扩散氢含量应换热器采用图2结构是发展趋势。本换热器管板与
1.5mL/100g,其检验方法按相应的焊条标准或技筒体的连接形式经综合考虑后决定米用图2结构
术要求。焊接材料还应满足NB/「T47018-2011《承
压设备用焊接材料订货技术条件》的规定
3管板与壳体连接形式
换热器管板是整台设备中受力最为复杂的元
件,是换热器设计的关键点和难点。本换热器为U
型管换热器,通常采用常规结构(见图1),这种
结构在压力及直径适中的情况下较为适用,但在
换热器压力较高、直径