浮头式冷却器的组装工艺设计

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【摘 要】浮头式冷却器的组装工艺设计包括管箱、管束、壳体和总装配工艺设计，并确定用水压试验来检测质量的方案。

【关键词】浮头式；冷却器；制造工艺；质量控制

冷却器是国民生产中的重要设备，其应用遍及化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工、海水淡化等各工业部门。例如，锅炉热力系统中的过热器、省煤器、空气预热器、凝气器、除氧器、给水加热器、冷却塔等；金属冶炼系统中的热风炉、空气或煤气预热器、废热锅炉等；制冷及低温系统中的蒸发器、冷凝器、回热器等；石油化工工业中广泛采用的加热及冷却设备等，制糖工业和造纸工业的糖液蒸发器和纸浆蒸发器，这些都是冷却器应用的大量实例。它不但是一种广泛应用的通用设备，并且在某些工业企业中占有很重要的地位。例如在石油化工工厂中，它的投资要占到整个建厂投资的1/5左右，它的重量占工艺设备总重的40%；在年产30万吨的乙烯装置中，它的投资占总投资的25%。

冷却器的工作任务，不外乎冷却热流体或加热冷流体，包括有相变时的让蒸汽冷凝或者让液体蒸发成蒸汽。于是换热器被划分为加热器，冷却器，冷凝器和蒸发器。例如锅炉就是在一个砖砌耐火墙体围成的箱形大壳体内有省煤器（给水预热器），蒸发器和烟道中蒸汽过热器串联组成的换热器联合体。当今换热器技术的发展以CFD、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系。

冷却器的制造工艺过程是保证设备完好运行的关键过程，而制造过程则是由原材料到各零部件经铆焊、组装成整体设备的制造过程。一般包括：浮头式冷却器的概况与准备制造工序、焊接工艺的确定、零部件成型质量控制及加工工艺的设计（封头、筒体、管板、折流板）和各部件的组装等几个关键工序。

浮头式换热器结构特点是一端管板与壳体固定，而另一端的管板可以在壳体内自由浮动。壳体和管束对热膨胀是自由的，故当两种介质的温差较大时，管束与壳体之间不会产生温差应力。浮头端设计成可拆结构，使管束可以容易地插入或抽出，这样为检修和清洗提供了方便。这种形式的换热器特别适用于壳体与换热管温差应力较大，而且要求壳程与管程都要进行清洗的工况。浮头式换热器的缺点是结构复杂，价格较贵，而且浮头端小盖在操作时无法知道泄漏情况，所以装配时一定要注意密封性能。因此要针对此换热器的特点及使用情况来设计。了解浮头式换热器的作用和使用特性以及结构特点，对其工艺设计有所了解，在生产中有更好的应用[1]。

该设备为Ⅰ类浮头式压力容器，规格φ900×12×6200，材质Q345R；换热管Φ19×2，材质10#；工作介质壳程焦化富气，管程水；A、B类焊缝检测RT20%。

1、管箱的组装焊接与加工工艺设计

先将焊好并经检验合格后的筒节，转机加车间吊装、找正、卡紧，与封头焊接的一侧环缝车削边，GB150中规定削边长度L≥3（δ1-δ2），即L=3X（16-12）=12mm。管箱法兰粗加工，管箱法兰密封面与隔板端面焊后加工，其余尺寸车达图。短节利用支撑胎找正，管箱法兰吊装并与短节组对，组对间隙由3块2mm的铜片确定后即可点焊，法兰密封面与短节轴线不垂直度≤1mm，焊接方法见第3章壳体纵环缝焊接工艺设计内容，待环焊缝检验合格后再部分打磨平焊缝并装焊分程隔板，分程隔板密封端留3-5mm加工余量。划各接管位置线，割磨接管口，组焊接管及接管法兰[2]。

由于管箱部分焊缝布置较密集，因而焊接应力亦相应较大，当投入使用后，随着高温下应力松弛的变形和操作压力的作用，往往会出现密封面连接的泄漏。故在管箱制作时通常应在做好消除应力的退火处理后再加工管箱的密封，车管箱法兰及分程隔板密封面。热处理曲线见图1-1所示。

管箱热处理：碳钢、低合金钢制的焊有分程隔板的管箱和浮头盖以及管箱的侧向开孔超过1/3圆筒内径的管箱，在施焊后作消除应力的热处理，设备法兰密封面应在热处理后加工。

管箱组装技术要求：

（1）隔板与法兰形成的缺口处要焊平。

（2）必须在环缝焊完检查合格后再组对隔板。

（3）法兰螺孔跨中装配，允许中心线旋转1°。

焊后热处理应优先选用在炉内加热的方法，其操作应符合如下规定：

（1）焊件进炉时炉内温度不得高于400℃。

（2）焊件升温至400最小可为50℃/h。加热区升温速度不得超过5000/δS℃/h，且不超过200℃/h，最小可为50℃/h。

（3）升温时，加热区内任意5000mm长度内的温差不得大于120℃。

（4）保温时，加热区内最高与最低温度之差不宜超过65℃。

（5）升温及保温时应控制加热区温度，防止焊件表面过度氧化。

（6）温度高于400℃时，加热区降温速度不得超过6500/δS℃/h，且不得超过260℃/h，最小可为50℃/h。

（7）焊件出炉时，炉温不得高于400℃，出炉后应在静止空气中继续冷却[3]。

机械加工法兰密封面：

本设备容器法兰密封面共两件，一件是管箱法兰，另一件是浮头盖法兰，所以要对两件法兰的密封面进行加工。管箱法兰密封面尺寸不车，其余尺寸车达图，法兰密封面深度为6mm，转组焊车间按图与其件组焊。

密封面的加工分粗加工和精加工两步。管箱组件，浮头盖组件采用精车，浮头盖法兰密封面及隔板密封精车，终极加工精度为6.3级精度。管箱法兰密封面与隔板端面应进行焊后加工，加工前进行焊后热处理。

具体加工步骤为：

转划线工序按图划管箱法兰螺栓孔位置线36-19，吊装卡立车工作台，钻孔36-19。

2、浮头盖和外头盖的加工与组装

浮头盖与浮头法兰之间的焊缝见附图1-2所示[4]。焊后应做整体的热处理，方法同上。浮头法兰密封面也要加工，加工方法为精车。精度等级为6.3，加工方法同上。

外头盖法兰与短节及箱体之间的焊接方法与壳体的环焊缝的焊接相同。外头盖上有接管，接管孔的划线方法用直交管的延长划线法。外头盖与箱体的组装与封头管箱组装工艺相同。外头盖组装技术要求：法兰螺孔跨中装配，允许中心线旋转1°。

3、壳体的组装和焊接

筒体装焊两端法兰时，除注意使筒体纵缝的布置符合卧式容器规定外，还必须以法兰端面为基准来保证法兰与筒体轴线的垂直度与法兰螺孔方位。法兰螺孔除图样另有规定外，一般应以纵轴对称跨中分布，其偏差不得大于5度角。当两法兰间的形位公差符合要求即可点固定位。

按图划筒体上各接管、补强圈、鞍座等件位置线，割磨各接管孔，按图组对、焊接各零件[5]。

4、管束的组装

浮头式热交换器的管板连接与固定管板换热器不同，它是依靠列管来连接固定的。因此要保证两管板的平行度和同轴度以及对轴心线的垂直度的偏差在要求范围内较为困难。为此，组装管束时一般可按下述方式进行。即先在平台上根据划线位置分别装置好一个固定两管板的支架，并按预先选定的方位将固定管板装在支架上，当装进拉杆后就可依次的装入定距管、折流板、紧固螺栓等。待穿入一定数量的管子后，即可在支架上将浮动管板借助于这些管子而予以固定[6]。组装图见图1-3所示。

E0403浮头式冷却器管束的组装要求

（1）检查换热管有无伤痕。

（2）检查管板孔有无纵向沟痕。

（3）防冲板如焊接在换热管上时，不得烧伤管外。

（4）换热管端头2倍管板厚度长内除锈，去油等孔擦洗干净，无毛刺。

（5）滑道要平直，无棱角。

（1-管子，2-支座，3-固定管板4-定距管，5-折留板，6-螺母，7-拉杆，8-浮头管板，9-浮头定支架）

本设备中折流板与定距管、管板、拉杆相互之间连接情况见图1-4。

5、壳体与管束的装配

管束装入筒体常用的有卧式与立式两种装配方法。

这里采用的是占地少、操作简便的附加装置卧式牵引法。这种附加装置由一个短节容器法兰和一个小型的卷扬机组成。容器法兰和卷扬机分别装焊在短筒节的端口上和筒内中心位置上。需将这种附加装置的端法兰对准热交换器的浮头端大法兰上，并且用几只螺栓连接即可。然后将卷扬机的钢丝绳一端连接在管束上，开动卷扬机后便可将管束顺利牵入。利用附加装置牵引不仅使牵引方向一致而不会拉损表面，而且效率高，不需要较大的占地面积和行车配合。

由于换热器的安装是以卧式容器的标准进行的，为防止接管部发生泄漏，在搬运和安装时应注意不要冲击换热器。而且换热设备要考虑热膨胀的问题。要将一侧的鞍孔制成椭圆形的使其能吸收延伸量，所以对地角螺栓的位置和螺母的紧固情况要加以注意。

在钢构架内安装时，需要进行将设备搬入构架内的作业。搬入的方法除滚道搬运外，还有取下上部低面后用两台起重机边交替起吊边移动的方法[7]。

6、换热器的总装配

（1）卧式设备的安装：

①多数设备安装高度较低，因此使用短起重臂可以最大限度的发挥起重机性能；

②它起吊的设备发生旋转或振动时，与起重臂接触的危险性大；

③由于多数场合没有吊耳，因此对于起吊点的滑动要格外注意；不需要铺吊起重机；

④万不得已而进行两端对吊时，计划中的作业最好不改变起重臂倾角；

⑤对于重心和起吊点要特别注意。

（2）找正

在卧式槽类及换热器的找正作业中，要进行水平调整。设备为卧式时，在设计上为了使鞍座能随着设备的热膨胀而滑动，必须考虑将接触鞍座下面整个面的滑板插入垫块和设备鞍座之间，水平调整结束后焊接垫块和滑板，使设备的垫块和滑板经常保持自由状态，以致不对设备产生热应力。

（3）总组装技术要求

①装前止口要检查，除掉毛刺，垫片放平。

②螺栓两头长度相等，螺母对称均力把紧。

③凡有泄露经修后要重做试验。泄压后吹干，接管孔盲封。

④换热器组装的尺寸允许偏差如图1-5。

封头管箱与筒体组装时须注意法兰螺栓的紧固程序，尤其是高压大直径的换热器，必须均匀的按图1-6所示，沿直径方向相对错开上紧，这一点很重要。否则很难保证水压试验时达到严密不漏[8]。总装配工序过程如表1-1。

表1-1总装配工序

序号 工序名称 工序内容 工序要求

1 装配 管束卧式装入壳体内，装浮头，法兰等。

2 试压 进行壳程试验，试验压力：0.55MPa，检查焊缝有无泄漏后拆浮头 按LPM/QBG18-2001进行

3 装配 装管箱、浮头盖等。

4 试压 进行管程试验，试验压力：0.69

Mpa。检查焊缝和密封面有无泄漏。试后泄压。 按LPM/QBG18-2001进行

5 装配 装外头盖，盲板等。

6 试压 （1）再进行壳程试验，试验压力：0.55Mpa。检查焊缝和密封面有无泄漏。

（2）补强圈应由信号孔进行0.4～0.5MPa气密试验，检查焊缝有无泄露。 按LPM/QBG18-2001进行

7、浮头式冷却器最终检验

必须用两个量程相同的且经过校正的压力表。压力表的量程在试验压力的两倍左右为宜，但不能底于1.5倍和高于4倍。试验时容器顶部应设排气口。充液时应将容器内的气体排空。试验过程中应尽量保证容器表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达到规定的试验压力后保压足够长时间，对所有焊接接头和连接部位进行泄漏检查。

浮头式冷却器的水压试验按下列程序进行：

（1）管子与管板连接处的试压：为便于水压试验时的检漏，必须依据浮头式换热器的不同规格，设计相应的试验夹具。试压前先将管束穿入筒体，再将夹具法兰固定在固定端筒体上并将固定管板夹紧，然后将浮头套的法兰端对装在浮动端法兰上，并装好密封垫圈和压盖法兰圈，此后可按试压要求进行水压试验，见图1-7。

当壳程与管程的压差较大，而且管程的压力高于壳程的压力时，可以在校核壳体的一次薄膜应力的条件下，用提高壳程压力至管程压力的水压试验，来检验管子与管板的连接强度与密封性能。

（2）管箱和浮头端盖的试压：试压前将管箱和浮头端盖分别安装在固定端法兰和浮头上，然后通过管程试压来检验焊缝和连接部分的渗漏情况。

（3）壳程的整体试压：这式换热器的最后试压检验阶段，常称为整体试压。试验检验要求与压力容器要求相同。

试验结束后，立即将水排放干净，并且用压缩空气将夹套内部的表面吹干，防止积水和水气腐蚀。

设备在组装完成后应该进行外观的检查，包括外形尺寸检验，连接尺寸检验和特性尺寸检验。

（1）外形尺寸的检验：分别以筒体的中心轴线和右侧法兰端面为长度和高度的定位基准，测量各接管及其它附件的装配尺寸是否满足图纸的设计要求，基本偏差为±3mm。焊缝外观尺寸检查是否有飞溅、凹坑、棱角度超差。

（2）设备的连接尺寸检验：属于连接尺寸的有法兰螺孔与安装支座支座位置和其它连接件位置尺寸，连接尺寸直接影响到设备的安装就位可能性，精度等级较高的连接尺寸不仅有利于设备的安装和检修，而且可以节省检修时间。

①接管法兰：当无特殊要求时，接管法兰的螺孔不应与壳体主轴中心线重合，而应对称分布在轴线的两侧，见图1-8。这样有利于改盖螺栓的受力状况。法兰面应垂直于接管或筒体的主轴中心线，法兰面的水平或垂直偏差，一般不超过法兰外径的1%，且不大于3mm。

②支座位置：支座直接与基础连接，设备的基础施工往往先于设备，如果支座位置偏差较大，不仅会影响到设备的基础就位，而且当检修更换设备时，还要受到连接管线的限制。因此支座位置的尺寸的检验实际上包括了支座连接尺寸和支座与开口接管间的相应位置尺寸的检验。本设备为卧式容器，但只有一个鞍座，由于很多重量集中在支座上，支座间的跨距以及距端部间的距离对受力的合理性影响很大。设备上有较多开孔时，支座的位置与尺寸精度也相应要求较高。要求支座间的跨距以及支座距法兰端的距离偏差必须小于±3mm，支座的基准面到壳体主轴中心线间的位置偏差不得大于0～-5毫米。

（3）特性尺寸检验：设备的特性尺寸是指影响强度安全性和使用性能的尺寸。最终检验时要依筒体直线度和圆度等形状公差的检验。筒体的直线度的检验是通过容器中心线的水平和垂直面，沿圆周0°、90°、150°和270°角四个部位拉0.5mm细的钢丝测量。为防止钢丝弯曲带来的误差，钢丝应该布置在容器的水平位置上测量容器的四个部位的偏差，测量时要求测量位置离纵焊缝的距离不小于100mm。本设备长度L≤6米，所以公差数值不得超过5mm。

设备制造完毕后，其外表面涂1～2道铁红酚醛底漆，涂1道灰酚醛防锈漆，其油漆、包装、运输按JB/T4711-2003《压力容器涂敷与运输包装》中规定。

8、结语

目前冷却器的基本发展趋势：提高传热效率，提高紧凑性，降低材料消耗，增强承受高温、高压、超低温以及耐腐蚀能力，保证互换性及扩大容量的灵活性。随着现代工业的高速发展，能源短缺问题越来越突出，开发新能源和节约能量的消耗已受到世界各国的广泛重视，设计和制造高性能的换热设备成为开发和利用能源的重要手段之一。