CN103240313B - 合成氨装置开工加热炉盘管制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种合成氨装置开工加热炉盘管制造方法，制造一台螺旋盘管机，先将多根材料直管逐一对接组焊起来，再用螺旋盘管机将所述组焊起来的材料直管加工成盘管。相对于现有单圈盘制再组焊的方法，极大地改善了加工质量，提高了工效，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种化工装置的制造方法，具体说，是一种合成氨装置开工加热炉盘管制造方法。
背景技术
在年产20-30万吨的大型合成氨装置中，开工加热炉是转化炉点火初期反应气进入合成塔之前的预加热装置，反应气体的加热和反应均在炉内盘管中进行，其特点是管壁温度高，管内压力大，炉管设计压力12.025MPa，设计温度565℃，顶部最大工作压力10.946 MPa，操作温度445℃，工艺介质为氢气和氮气，属易燃易爆介质，因此盘管材料的选择和盘管的制造质量，对于保证设备正常运行、防止事故发生等方面具有十分重要的意义。
参见图1，开工加热炉盘管系双程螺旋式管道结构，两进两出，由底部进，顶部出，管子外径为D=φ141.3mm，壁厚δ12.7mm，盘管中心圆直径φ3500mm，螺距t=508mm, 一组盘管14圈，展开长度L1=152100mm，另一组盘管14圈，展开长度为L2=151000mm，两组盘管嵌入式组装，盘管从炉底到炉顶共计28圈，总高度H=8312mm，盘管材料选用A271TP304H，均为ASTM标准材料，盘管部件总重13176kg。在炉底中心位置均布五个立式燃烧器，燃烧器喷射出的天然气火焰把反应气体加热，被加热的气体由最下面的盘管管口a1、a2进入，从顶部盘管管口b1、b2排出，气体在从下向上的流动过程中被加热，炉管设计温度565℃，操作温度445℃，实际运行中为提高工作效率，往往在超温50℃左右的情况下运行。
合成氨开工加热炉技术要求高：（1） 管子切口表面应平整、光洁，管子对接焊缝坡口尺寸应符合图纸要求，坡口必须进行100%渗透检测,不允许有任何缺陷存在；（2）管子的弯曲方式应为冷弯，弯管部分不允许有凸起、折皱、扭结和其他严重影响质量的缺陷，如有缺陷，修磨后的最小壁厚不小于管子名义厚度的90%，且不小于设计壁厚；（3）盘管的尺寸偏差应符合下列要求：
盘管外径偏差≤±10mm、管间距偏差≤±3mm、盘管高度偏差每米允许3mm，全长≤±6mm、盘管的个别管圈与盘管内径表面的偏差不大于5mm；（4）组对焊接时，应采取可靠的工艺措施，保证管子组对错变量，内外壁应做到平齐，内壁错变量不应超过壁厚的10%，且不大于1mm；（5）盘管B类焊缝全部按JB/T 4730.2-2005标准进行100%射线探伤, 合格等级为Ⅱ级。
由于目前尚无能够加工如此大型盘管的盘管机，只好采用单圈盘制、单圈组焊方法，即先用弯管机把管子弯成开口环管，再把开口环管扭成螺旋管，最后把所有螺旋管逐一对接组焊起来，这种方法的弊端很多：
（1）每一圈的制作都要经过盘圈、扭螺距、对接组焊3道工序，效率很低。
（2）组焊在螺旋形状下进行，焊接坡口无法机械加工，坡口形状难保证、氩气保护困难、焊接质量很难保证。
（3）弯制开口环管时，要根据其展开长度下料，并把两端口切成斜口，才能弯成弯成开口环管，扭成螺旋管后，盘管直径将缩小，故下料时必须留展开长度余量，使开口环管直径大于盘管直径，且要从新加工焊接坡口，长度余量很难把握，盘管直径、螺距尺寸难于达到设计要求。
（4）由于单圈盘制、单圈组焊劳动生产率低导致人工成本较高，组对工装多，焊接氩气消耗量大，现场探伤成本增加，制造成本高。
（5）焊接返修困难、探伤难度大。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种合成氨装置开工加热炉盘管制造方法，该方法有效地解决了上述问题，使盘管制造变得简便、经济，质量可靠，技术方案是：
一种合成氨装置开工加热炉盘管制造方法，该盘管为双程螺旋式管道结构，管子外径为D=φ141.3mm，壁厚δ12.7mm，盘管中心圆直径φ3500mm，螺距t=508mm, 一组盘管14圈，展开长度L1=152100mm，另一组盘管14圈，展开长度为L2=151000mm；制造一台螺旋盘管机，按如下步骤加工该盘管：
（1）、将多根材料直管逐一对接组焊起来；
（2）、用螺旋盘管机将所述组焊起来的材料直管加工成盘管。
上述方法的一种实用方案是，所述多根材料直管的总长度满足螺旋盘管的展开长度，将这些材料直管分成几组，每一组材料管逐一对接组焊起来，用螺旋盘管机将这些焊接起来的材料管分别加工成盘管段，再将所有盘管段组焊成盘管。
所述材料管对接组焊，采用V型坡口，单边角度30°±2.5°，钝边1.0±0.5mm，内壁错边量b≤1mm，组装对接间隙2.0－1mm，坡口用专用坡口机加工；所述盘管段组焊，采用U型坡口，坡口角度6°±2°，圆角半径R=6mm，钝边1.0±0.5mm，内壁错边量b≤1mm，组装对接间隙2.0－1mm，坡口采用镗床加工；焊接工艺是，采用氩弧焊打底，背压保护，焊丝选用H03Cr21Ni10Si，φ2mm，盖面采用电弧焊，焊条选用A102，φ3.2mm；无损检测，材料管及盘管段组对时应在坡口及其两侧30mm宽度范围内外表面按JB/T4730.5-2005标准进行100%渗透检测，无裂纹、夹层，Ⅰ级合格。
所述螺旋盘管机包括：
-弯管机，可将直管加工成曲管；
-顶轮装置，与弯管机配合，从轴向顶住弯管机弯出的曲管，使曲管发生轴向倾斜，成为螺旋状盘管，通过调整顶轮装置与弯管机的轴向相对位置，控制曲管轴向倾斜的角度，使螺距符合要求；
-盘管支架，用于支撑盘管；
-螺距定位装置，布置在盘管支架上，用于与顶轮装置配合，控制盘管的盘曲运动轨迹，使螺距始终保持一致，所述盘管支撑于螺距定位装置上。
所述弯管机包括顺序布置的驱动电机、减速器、齿轮箱、弯管轮组，所述弯管轮组具有一个主动固定轮、一个辅助固定轮、一个可升降的活动轮，所述主动固定轮固接齿轮箱的输出轴，该三个轮在同一平面上呈三角形布置，三个轮的旋转中心分别位于三角形的三个顶点，直管经该三个轮发生弯曲，通过调整活动轮的升降高度，可以设定弯曲半径，使盘管的直径符合要求。
所述顶轮装置由底板、转轴、滚筒、一对轴承及轴承座组成，轴承座的高度不大于滚筒高度。
所述盘管支架上设有一对千斤顶，所述螺距定位装置布置在该千斤顶上，用该千斤顶调节支架的有效高度，使盘管内圆柱面正好落在螺距定位装置上，盘管的内径符合要求。
所述螺距定位装置包括滚筒、转轴、轴承、轴承座，所述轴承座支撑于千斤顶上，所述滚筒的柱面上设有若干定距挡板，其间距等于盘管螺距。
所述螺旋盘管机还包括直管进料导向装置，布置在弯管机之前，对应弯管机的进料口，用于约束直管，避免在盘曲运动时尾部直管段发生摆动；该装置由底板、转轴、滚筒、一对轴承及轴承座组成，轴承座高度大于滚筒高度，形成一个“U”形轮槽，所述直管位于该“U”形轮槽内。
所述螺旋盘管机还包括盘管外径限位装置，顶住盘管的外圆面，与盘管支架及螺距定位装置配合，使盘管外径符合要求；该外径限位装置由底板、转轴、滚筒、一对轴承及轴承座组成，轴承座高度大于滚筒高度，形成一个“U”形轮槽，所述盘管位于该“U”形轮槽内。
本发明的有益效果：
（1）由于采用螺旋盘管机，可将盘管一次性加工成型，提高工效2倍以上；
（2）由于整圈绕制成型，用装备、工装能够较好的控制盘管直径、椭圆度、螺距等几何尺寸，产品制造质量得到保证和提升；
（3）将螺旋对接组焊改为直线对接组焊，焊接坡口机械加工成型，施焊条件大大改善，焊接质量容易保证；
（4）焊接返修及探伤难度降低，若出现焊接缺陷，在直段状态下更容量诊断和返修，而且直段状态下探伤也更为方便；
（5）制作成本降低。由于机械化自动化程度提高，人工成本降低；由于变螺旋对接组焊为直线对接组焊，焊接返修大幅减少，焊接和探伤费用降低；由于设计了氩气保护工装，氩气用量大幅降低。
附图说明
图1是盘管结构示意图；
图2是本发明的螺旋盘管机结构示意图；
其中，图2-1是主视图；
图2-2是侧视图；
图2-3是机头部分的俯视图；
图3是顶轮装置的结构图；
图4是螺距定位装置的结构图；
图5是直管进料导向装置的结构图；
图6是盘管外径限位装置的结构图。
具体实施方式
本发明的关键，是设计、制造出可以直接加工合成氨装置开工加热炉盘管的盘管机，该盘管机是在现有弯管机的基础上进行改进，增加了顶轮装置、盘管支架、螺距定位装置、盘管外径限位装置、直管进料导向装置，组合构成盘管机。
参见图2-1、图2-2、图2-3，所述弯管机包括顺序布置的驱动电机1、制动器2、减速器3、齿轮箱4、弯管轮组5，所述弯管轮组5具有一个主动固定轮5-1、一个辅助固定轮5-2、一个可升降的活动轮5-3，所述主动固定轮5-1固接齿轮箱4的输出轴，该三个轮在同一平面上呈三角形布置，三个轮的旋转中心分别位于三角形的三个顶点，材料直管经该三个轮发生弯曲，通过调整活动轮5-3的升降高度，可以设定弯曲半径，使盘管的直径符合要求。活动轮5-3具有一个升降装置6，该升降装置6由电机6-1、蜗轮蜗杆传动副6-2、活动轮升降丝杆6-3组成，可以调节活动轮5-3的升降高度。这是弯管机的基本结构和原理，为本领域技术人员所熟知，不再详述。
所述盘管支架7的两端设有一对千斤顶8，所述螺距定位装置9支撑于千斤顶8上，共同支撑盘管，用该千斤顶8调节支架7的有效高度，使盘管内圆柱面正好落在螺距定位装置9上。
参见图3，所述顶轮装置10由底板10-1、转轴10-2、滚筒10-3、一对轴承及10-4轴承座10-5组成，轴承座10-5的高度不大于滚筒10-3的高度。该顶轮装置10与弯管机配合，从轴向顶住弯管机弯出的曲管，使曲管发生轴向倾斜，成为螺旋状盘管，通过调整顶轮装置与弯管机的轴向相对位置，控制曲管轴向倾斜的角度，使螺距符合要求。该顶轮装置10可固定在齿轮箱4上，也可落地布置。
参见图4，所述螺距定位装置9包括滚筒9-1、转轴9-2、轴承9-3、轴承座9-4，所述轴承座9-4支撑于千斤顶8上，所述滚筒9-1的柱面上设有若干定距挡板9-5，其间距等于盘管螺距。螺距定位装置9与顶轮装置配合，控制盘管的盘曲运动轨迹，使螺距始终保持一致。
本螺旋盘管机还包括直管进料导向装置11，布置在弯管机之前，对应弯管机的进料口，用于约束直管，避免在盘曲运动时尾部直管段发生摆动。参见图5，该直管进料导向装置11由底板11-1、转轴11-2、滚筒11-3、一对轴承11-4及轴承座11-5组成，轴承座11-5高度大于滚筒11-3高度，形成一个“U”形轮槽，所述直管位于该“U”形轮槽内。
本螺旋盘管机还包括盘管外径限位装置12，顶住盘管的外圆面，与盘管支架及螺距定位装置配合，使盘管外径符合要求；该盘管外径限位装置12与直管进料导向装置11的结构相同，由底板12-1、转轴12-2、滚筒12-3、一对轴承12-4及轴承座12-5组成，轴承座12-5高度大于滚筒12-3高度，形成一个“U”形轮槽，所述盘管位于该“U”形轮槽内。该盘管外径限位装置12可以固定在支架7上，也可落地布置。
本盘管机的工作原理：
材料直管进入盘管机，经弯管轮组弯成曲管，同时，顶轮装置将曲管顶住，使曲管发生轴向倾斜，管子的运动是圆周运动与轴向直线运动的合成运动，运动轨迹就是一条螺旋线，从而将直管盘曲成螺旋盘管。
盘管的直径由弯管机活动轮高度确定，由支架7、千斤顶8、螺距定位装置9形成的有效高度限定内径，盘管外径限位装置12限定外径。
盘管的螺距由顶轮装置与弯管机的轴向相对位置确定，由螺距定位装置9保持螺距始终一致。
在管子盘曲运动时，由于顶轮装置顶住弯管机弯出的曲管，曲管发生轴向倾斜，在曲管倾斜的同时，尾部的直管段将发生摆动，在直管段增设两个直管进料导向装置11，以约束直管段，起到导向作用，避免其摆动。
本盘管机将另案申请专利，并与本申请同日提交。
用本盘管机加工合成氨装置开工加热炉盘管的步骤如下：
（1）、将多根材料直管逐一对接组焊起来；
（2）、用螺旋盘管机将所述组焊起来的材料直管加工成盘管。
考虑到加工现场的车间长度及盘管支架的结构尺寸和强度，上述方法的一种实用方案是，所述多根材料直管的总长度满足螺旋盘管的展开长度，将这些材料直管分成几组，每一组材料管逐一对接组焊起来，用螺旋盘管机将这些焊接起来的材料管分别加工成盘管段，再将所有盘管段组焊成盘管。例如，按盘管的展开长度备料，分成3组，每组3根14.5~15.5m长的钢管，先行对接焊接，无损检测合格后，磨平对接焊缝，形成约45 m的超长钢管，在盘管管机上一次性弯、扭、盘、旋成型，形成3个盘管段，然后再将3个盘管段组合焊接起来。
所述直管对接组焊，采用V型坡口，单边角度30°±2.5°，钝边1.0±0.5mm，内壁错边量b≤1mm，组装对接间隙2.0－1mm，坡口用专用坡口机加工；所述盘管段组焊，采用U型坡口，坡口角度6°±2°，圆角半径R=6mm，钝边1.0±0.5mm，内壁错边量b≤1mm，组装对接间隙2.0－1mm，坡口采用镗床加工；焊接工艺是，采用氩弧焊打底，背压保护，焊丝选用H03Cr21Ni10Si，φ2mm，盖面采用电弧焊，焊条选用A102，φ3.2mm；无损检测，材料直管及盘管段组对时应在坡口及其两侧30mm宽度范围内外表面按JB/T4730.5-2005标准进行100%渗透检测，无裂纹、夹层，Ⅰ级合格。
Claims (9)
1. 一种合成氨装置开工加热炉盘管制造方法，其特征在于，该盘管为双程螺旋式管道结构，管子外径为D=φ141.3mm，壁厚δ12.7mm，盘管中心圆直径φ3500mm，螺距t=508mm, 一组盘管14圈，展开长度L1=152100mm，另一组盘管14圈，展开长度为L2=151000mm；制造一台螺旋盘管机，按如下步骤加工该盘管：
（1）、将多根材料直管逐一对接组焊起来；
（2）、用螺旋盘管机将所述组焊起来的材料直管加工成盘管；
所述螺旋盘管机包括：
-弯管机，可将直管加工成曲管；
-顶轮装置，与弯管机配合，从轴向顶住弯管机弯出的曲管，使曲管发生轴向倾斜，成为螺旋状盘管，通过调整顶轮装置与弯管机的轴向相对位置，控制曲管轴向倾斜的角度；
-盘管支架，用于支撑盘管；
-螺距定位装置，布置在盘管支架上，用于与顶轮装置配合，控制盘管的盘曲运动轨迹，使螺距始终保持一致，所述盘管支撑于螺距定位装置上；
-盘管外径限位装置，顶住盘管的外圆面，使盘管外径符合要求；
-盘管内径限位装置，顶住盘管的内圆面，使盘管的内径符合要求。
2.如权利要求1所述的合成氨装置开工加热炉盘管制造方法，其特征在于，所述顶轮装置由底板、转轴、滚筒、一对轴承及轴承座组成，轴承座的高度不大于滚筒高度。
3.如权利要求1所述的合成氨装置开工加热炉盘管制造方法，其特征在于，所述螺距定位装置包括滚筒、转轴、轴承、轴承座，所述轴承座支撑于千斤顶上，所述滚筒的柱面上设有若干定距挡板，其间距等于盘管螺距。
4.如权利要求1所述的合成氨装置开工加热炉盘管制造方法，其特征在于，所述盘管外径限位装置由底板、转轴、滚筒、一对轴承及轴承座组成，轴承座高度大于滚筒高度，形成一个“U”形轮槽，所述盘管位于该“U”形轮槽内。
5.如权利要求1所述的合成氨装置开工加热炉盘管制造方法，其特征在于，所述盘管内径限位装置包括一对千斤顶，所述螺距定位装置布置在该千斤顶上，用该千斤顶调节支架的有效高度，使盘管内圆面正好落在螺距定位装置上，盘管的内径符合要求。
6.如权利要求1所述的合成氨装置开工加热炉盘管制造方法，其特征在于，所述弯管机包括顺序布置的驱动电机、减速器、齿轮箱、弯管轮组，所述弯管轮组具有一个主动固定轮、一个辅助固定轮、一个可升降的活动轮，所述主动固定轮固接齿轮箱的输出轴，该三个轮在同一平面上呈三角形布置，三个轮的旋转中心分别位于三角形的三个顶点，直管经该三个轮发生弯曲，通过调整活动轮的升降高度，设定弯曲半径，使盘管的直径符合要求。
7.如权利要求1所述的合成氨装置开工加热炉盘管制造方法，其特征在于，所述螺旋盘管机还包括直管进料导向装置，布置在弯管机之前，对应弯管机的进料口，用于约束直管，避免在盘曲运动时尾部直管段发生摆动；该直管进料导向装置由底板、转轴、滚筒、一对轴承及轴承座组成，轴承座高度大于滚筒高度，形成一个“U”形轮槽，所述直管位于该“U”形轮槽内。
8.如权利要求1所述的合成氨装置开工加热炉盘管制造方法，其特征在于，所述多根材料直管的总长度满足螺旋盘管的展开长度，将这些材料直管分成几组，每一组材料管逐一对接组焊起来，用螺旋盘管机将这些焊接起来的材料管分别加工成盘管段，再将所有盘管段组焊成盘管。
9.如权利要求1所述的合成氨装置开工加热炉盘管制造方法，其特征在于，所述材料直管对接组焊，采用V型坡口，单边角度30°±2.5°，钝边1.0±0.5mm，内壁错边量b≤1mm，组装对接间隙2.0－1mm，坡口用专用坡口机加工；所述盘管段组焊，采用U型坡口，坡口角度6°±2°，圆角半径R=6mm，钝边1.0±0.5mm，内壁错边量b≤1mm，组装对接间隙2.0－1mm，坡口采用镗床加工；焊接工艺是，采用氩弧焊打底，背压保护，焊丝选用H03Cr21Ni10Si，φ2mm，盖面采用电弧焊，焊条选用A102，φ3.2mm；无损检测，材料管及盘管段组对时应在坡口及其两侧30mm宽度范围内外表面按JB/T4730.5-2005标准进行100%渗透检测，无裂纹、夹层，Ⅰ级合格。
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