朱思建
中科（广东）炼化有限公司 广东湛江
摘要:针对环氧乙烷/乙二醇装置EO反应器进出料换热器E-101在制造的热处理过程中发生消音板变形问题，通过对换热器的结构分析、消音板弯曲试验结果制定相应的应对措施，对换热器已弯曲或者在使用过程中可能受到影响的换热管进行了抽管、堵管处理，实际使用情况良好，为装置的安全平稳运行创造了条件。
关键词:换热器消音板 变形 分析 弯曲试验 抽管 堵管
中科（广东）炼化有限公司环氧乙烷/乙二醇装置EO反应器进出料换热器E-101结构为立式固定管板式换热器，其作用是利用EO反应器出口较高温度的循环气对反应器入口的循环气进行预热，管程和壳程的介质都是循环气，其主要工艺参数见表1：
表1 E-101主要工艺参数
项目 壳程 管程
换热器介质 CH4、C2H4、
O2 EO、CH4、
C2H2、O2
设计温度(℃) 260 260
平均工作温度(℃) 106.8 125.8
设计压力(MPa) 2.05 2.05
工作压力(MPa) 1.70 1.48
E-101的规格为Φ4400×20431×42mm,主体材质为Q345R,其主要设备参数见表2：
表2 E-101主要设备参数
项目 材质/数据
壳体材质 Q345R
换热管材质 S30403
管板材质 16Mn+堆焊E309L
消音板材质 S30408
换热管数量（根） 20510
换热面积（m2） 16628
壳程程数 1
管程程数 1
焊后热处理 是
1 制造过程中存在的问题
为了消除换热器在制造及焊接过程中的应力，需要对换热器进行热处理，但由于换热器体积太大，制造厂不具备整体热处理的条件，只能进行局部热处理[1]。而在对换热器热处理后进行质量检查时，发现上管板与支持板之间的一块消音板产生了塑性变形，且变形的消音板对旁边的换热管产生了挤压，导致131根换热管产生了变形（见图1）。
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2 消音板变形原因分析
E-101的上、下管板及支持板之间全部采用消音板焊接固定，在对换管箱筒体与管板的焊缝进行局部热处理时，由于热传导使得消音板温度升高产生膨胀，而由于管束重量过大，支持板相对于壳体在换热器卧式状态下无法自由移动，致使消音板无法自由膨胀，最后导致消音板发生挠曲变形，并挤压一侧的换热管产生塑性变形，在热处理结束后，该塑性变形无法恢复。
3 换热器E-101结构分析
针对E-101消音板及换热管变形的情况，采用了有限元[2]的方法对其管束结构进行了应力分析，该分析分别对应消音板无弯曲、有弯曲两种情况下换热器的预燃、尾烧和正常三种工况，并得出以下结论：
（1）消音板无弯曲情况：预燃工况消音板受轴向压缩应力，压缩应力约为143MPa，该温度下消音板的屈服强度为113MPa，消音板会发生塑性变形；尾烧和正常工况消音板受轴向拉伸应力，应力值约为64 MPa和40MPa，消音板不会发生塑性变形，在换热器降温后消音板不会有更大变形。
（2）消音板有弯曲情况：在管板附近的消音板预加弯曲的情况下，消音板在支持板位置增加Y向约束后，变形仅发生在已弯曲的消音板上。对预燃工况，该消音板受压，变形加剧，在弹塑性模型下侧向变形量约为25～31mm，会对该消音板附近的换热管产生挤压；尾烧和正常工况该消音板受拉，在发生弯曲的突变位置局部发生表面屈服，使板伸直，对该消音板附近换热管无影响。
实际制造出的换热器的消音板或多或少会发生微量变形，因此不存在消音板绝对无弯曲的情况，对于预燃工况，将不会只是管板相邻的消音板发生弯曲，在有其他消音板同时弯曲时，管板相邻的消音板弯曲程度会小于模拟结果；对于尾烧和正常工况，除管板相邻的消音板外，其他有弯曲的消音板也会一同被拉直。因此各个工况下，E-101的实际使用情况会好于模拟结果。
4 消音板弯曲试验
出于对换热器在使用过程中弯曲消音板与管板及支持板之间的焊缝可能会产生裂纹的担忧，制造厂根据换热器实际弯曲的消音板的尺寸、弯曲度、焊接形式及焊接工艺等情况制作了一块试验板，并对弯曲消音板在实际工况中的受力情况进行了模拟试验，消音板弯曲试验过程示意图见图2。
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试验时，将试验件的模拟管板端固定，模拟支持板端采用千斤顶对试验件进行拉伸和压缩，并在拉伸和压缩后保持一定的时间，然后撤销相应的外力，重复多次并记录相应的数据。经过弯曲试验后，对模拟消音板两侧焊缝及消音板变形部位进行了100%PT检测，确认无裂纹产生，该试验结果对换热器的安全使用提供了依据。
5 应对措施
E-101壳程及管程介质均为易燃易爆的甲烷、乙烯、氧气等，换热管变形将会改变流经介质的流速，流速过大可能会造成变形的换热管失稳，如果变形的换热管发生失稳与消音板或者其他换热管碰撞产生火花，将会酿成严重的事故，所以为了保证换热器的安全使用，必须对E-101消音板变形采取应对措施。
按照堵管数量最少为原则，对弯曲的换热管采取了隔一根抽出一根的方式以保证所有剩余换热管与换热管之间以及换热管与消音板之间都留有足够的间隙，并对抽出的换热管的管板处用专用堵棒进行堵管（堵棒材质S30403，焊材WELTIG308L，手工氩弧焊，100%PT检测，Ⅰ级合格）[3]，由于在抽管过程中对附近的换热管产生了影响，最后该换热器抽管284根，堵管率为1.38%，而该换热器在工艺设计时就有10%的余量，所以堵管后的换热面积可以满足工艺生产的要求。
6 结论
通过对换热器的结构分析、消音板弯曲试验等情况，制定并实施了对变形换热管进行抽管及堵管的措施，为装置按期开工创造了条件，且实际使用情况良好，说明对该换热器的分析、试验及应对措施是有效的。
参考文献
[1] GB/T 151-2014 热交换器[S].北京：中国标准出版社，2014.
[2]尹飞鸿，有限元法基本原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2010.
[3]NB/T 47013.5-2015 承压设备无损检测第5部分：渗透检测[S].北京：中国标准出版社，2015.