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【摘 要】 花鳍片管是外取热器管束中重要换热元件——取热管的一部分，其系列结构参数及典型材料的焊接工艺为行业应用标准化的制定提供了良好的应用案例。
【关键词】 外取热器 花鳍片管 研制
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2015.04.008
1 研制的目的与意义
花鳍片管是外取热器换热管束中的重要换热元件——取热管的一部分，是主要的换热部分。它是将催化剂中的高温热量通过带有花鳍片管的取热管的换热，将常温水转化成为饱和蒸汽，并入生产工艺需要的管网中。实现了工艺上的催化剂降温的同时，也实现了节能减排的作用。它是石油化工装置中重要的不可或缺的关键装备。花鳍片管是主要的换热部件，其制造难度大，易变形、脱焊等现象，其制造的质量好坏决定了该设备的换热效率和寿命是否能够达到工艺设计的要求，因此，研制该花鳍片管有着重大的意义。
2 花鳍片管的用途
催化剂从外取热器的上部入口进入并向下流经光管、花鳍片管外壁向下流动，与花鳍片管内水循环形成热交换，最后催化剂从下部出口流出，实现换热的目的的一种装置，称为外取热器。
光管的长度、花鳍片管的结构等参数、以及根数的确定是根据催化剂、水的物性而由设计确定的，目的是增加外表面的换热面积，尽可能合理地吸收催化剂的温度，实现节能减排、降低成本、满足工质催化剂、水的工艺要求。
3 花鳍片管的结构
图1 花鳍片管结构示意图
如图1所示为外取热器取热管，由导向管（1）、挡板（2）、椭圆封头（3）、导向架（4）、花鳍片管（5）、内管（6）、外管大小头（7）、内管大小头（8）、衬管（9）、三通（10）、端盖（11）、进水管（12）组成，其中钢管带鳍片部分（5）称之为花鳍片管。
案例中，花鳍片钢管直径325mm，壁厚14mm，长度（带鳍片部分）7340mm，材料为15CrMo。扁钢宽30mm，厚8mm，长300mm，材料为15CrMoR。
4 花鳍片管的换热面积计算
[S][=2（πr+hn）]
式中：[S]——换热面积/米；mm2/m；[r]——花鳍片管钢管外径；mm；[h]——鳍片（扁钢）的宽度；mm；[n]——鳍片（扁钢）圆周方向的排数。
从上述公式可以看出，花鳍片管的换热面积与鳍片的厚度无关，其厚度的选择依据焊接工艺方法的可行性而确定。
5 花鳍片管焊接方法的确定
花鳍片管焊接方法有多种形式，表1《花鳍片管焊接方法选用表》列出四种方法。由表1可以看出，根数越多，自动化焊接方法越受到限制，对于文中案例直径为325mm，鳍片根数为44根的花鳍片管的焊接方法只有手工电弧焊。对于鳍片根数不同的花鳍片管的焊接方法可以参照表1的条件做相应的选择。
表1 花鳍片管焊接方法选用表
6 制造与质量要求
（1）用于制造鳍片管的钢管的拼接应符合有关技术文件和图样的要求，原则上不得拼接。
（2）施焊前钢管和扁钢的表面应先除去油污、铁锈等，且其相互焊接部位必须光洁。
（3）管子表面不应有明显的机械损伤，当机械损伤深度不大于管子壁厚的十分之一，且又不呈尖锐状，则允许仔细磨去；但大于十分之一且小于三分之一时，应补焊并磨光；当大于或等于三分之一时，则为不合格钢管，应调换。
（4）管子与扁钢施焊前必须进行焊接工艺评定，合格后方可投入焊接。
（5）焊接鳍片管的焊接工作应由经考试合格的焊工进行，操作中必须严格执行焊接工艺规程，并按规定做好施焊记录。
（6）鳍片管的直线度每米不大于2mm，且全长范围内不超过6mm。
（7）鳍片管的旁弯度每米不大于2mm，且全长范围内不超过6mm。
（8）长度小于9m的鳍片管的扭曲值其全长范围内不大于3mm。长度大于或等于9m的鳍片管的扭曲值其全长范围内不得超过4mm。
（9）鳍片管应对管子逐根按JB1612有关规定进行水压试验检查，合格后方可进入下道工序施工。
（10）焊接返修处，在管子侧不允许有裂纹、气孔、夹渣以及深度大于0.5mm的焊接咬边。咬边总长度不大于管子长度的25%。
（11）扁钢与管子焊接时不得烧穿管子。如有烧穿，则该部位必须用相同材料、规格的管子替换之。且替换长度不得小于300mm。替换部位的所有环焊缝均应按JB1613的有关规定进行无损探伤合格。
（12）焊后做PT检查。
（13）15CrMo材料焊接后应立即进行280±20℃X2h消氢处理；若焊后可立即进行消除应力热处理，可免除消氢处理。
7 花鳍片管焊接工艺规程
（1）焊前清理水锈、油污等杂物，焊件预热。用第1层规范进行定位焊，焊点长20mm～30mm间距100mm～200mm。
（2）预热温度>120℃，层间温度120℃～300℃。
（3）组对检查，两人同时采用SMAW方法斜向对称焊接角缝各层。第1片焊后旋转钢管180[°]焊接第2片。焊后旋转钢管90[°]焊接第3片。焊后再旋转钢管180[°]焊接第4片。然后同种方式依次焊接其它片。焊缝外观检查。鳍片焊接顺序如图3所示，焊接顺序为1—2；3—4；5—6；7—8。
（4）焊接位置：平焊；（5）连续操作；（6）焊后单根加热垫280℃±20℃X2h消氢处理；7）焊后热处理：660℃±20℃X1h去应力；（8）焊材及尺寸：R307，Ф3.2；（9）电流种类及极性：DC+；（10）焊接电流：100A～130A；（11）电弧电压：22V～24V；（12）焊接速度：（10～14）cm/min。
图2 焊接接头示意图
图3 花鳍片管鳍片焊接顺序示意图
8 花鳍片管制造工艺（如图4）
图4 花鳍片管制造工艺流程图
9 应用实例
一种外取热器用于某公司汽柴油质量升级和常减压装置改造工程中70万吨催化裂化装置改造设备之一。催化剂从外取热器左上方入口进入，流经取热管后，经外取热器左下口流出。上部延伸出封头外的取热管进出口为高中低排列，有利于外部管线的合理的空间连接；共分为三圈分布，低位外圈均布16个取热管，中位中圈均布12个取热管，高位内圈均布5个取热管，合计33个取热管。其中，花鳍片管为同一长度、同一直径、同一规格；仅光管部分长度不同，又不同于图1中的大小头过渡的套管型式，而为内外直管套管型式。表2为外取热器参数表。
由花鳍片管组成的外取热器管束及外取热器的制造满足各项技术指标和图纸、工艺的要求，经第三方检验合格，用户使用效果良好，值得推广。
表2 外取热器参数表
作者简介
钱成伟，工程师，毕业于沈阳大学，长期从事压力容器设计研发和管理工作。
（责任编辑：张晓明）
【关键词】 外取热器 花鳍片管 研制
【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2015.04.008
1 研制的目的与意义
花鳍片管是外取热器换热管束中的重要换热元件——取热管的一部分，是主要的换热部分。它是将催化剂中的高温热量通过带有花鳍片管的取热管的换热，将常温水转化成为饱和蒸汽，并入生产工艺需要的管网中。实现了工艺上的催化剂降温的同时，也实现了节能减排的作用。它是石油化工装置中重要的不可或缺的关键装备。花鳍片管是主要的换热部件，其制造难度大，易变形、脱焊等现象，其制造的质量好坏决定了该设备的换热效率和寿命是否能够达到工艺设计的要求，因此，研制该花鳍片管有着重大的意义。
2 花鳍片管的用途
催化剂从外取热器的上部入口进入并向下流经光管、花鳍片管外壁向下流动，与花鳍片管内水循环形成热交换，最后催化剂从下部出口流出，实现换热的目的的一种装置，称为外取热器。
光管的长度、花鳍片管的结构等参数、以及根数的确定是根据催化剂、水的物性而由设计确定的，目的是增加外表面的换热面积，尽可能合理地吸收催化剂的温度，实现节能减排、降低成本、满足工质催化剂、水的工艺要求。
3 花鳍片管的结构
图1 花鳍片管结构示意图
如图1所示为外取热器取热管，由导向管（1）、挡板（2）、椭圆封头（3）、导向架（4）、花鳍片管（5）、内管（6）、外管大小头（7）、内管大小头（8）、衬管（9）、三通（10）、端盖（11）、进水管（12）组成，其中钢管带鳍片部分（5）称之为花鳍片管。
案例中，花鳍片钢管直径325mm，壁厚14mm，长度（带鳍片部分）7340mm，材料为15CrMo。扁钢宽30mm，厚8mm，长300mm，材料为15CrMoR。
4 花鳍片管的换热面积计算
[S][=2（πr+hn）]
式中：[S]——换热面积/米；mm2/m；[r]——花鳍片管钢管外径；mm；[h]——鳍片（扁钢）的宽度；mm；[n]——鳍片（扁钢）圆周方向的排数。
从上述公式可以看出，花鳍片管的换热面积与鳍片的厚度无关，其厚度的选择依据焊接工艺方法的可行性而确定。
5 花鳍片管焊接方法的确定
花鳍片管焊接方法有多种形式，表1《花鳍片管焊接方法选用表》列出四种方法。由表1可以看出，根数越多，自动化焊接方法越受到限制，对于文中案例直径为325mm，鳍片根数为44根的花鳍片管的焊接方法只有手工电弧焊。对于鳍片根数不同的花鳍片管的焊接方法可以参照表1的条件做相应的选择。
表1 花鳍片管焊接方法选用表
6 制造与质量要求
（1）用于制造鳍片管的钢管的拼接应符合有关技术文件和图样的要求，原则上不得拼接。
（2）施焊前钢管和扁钢的表面应先除去油污、铁锈等，且其相互焊接部位必须光洁。
（3）管子表面不应有明显的机械损伤，当机械损伤深度不大于管子壁厚的十分之一，且又不呈尖锐状，则允许仔细磨去；但大于十分之一且小于三分之一时，应补焊并磨光；当大于或等于三分之一时，则为不合格钢管，应调换。
（4）管子与扁钢施焊前必须进行焊接工艺评定，合格后方可投入焊接。
（5）焊接鳍片管的焊接工作应由经考试合格的焊工进行，操作中必须严格执行焊接工艺规程，并按规定做好施焊记录。
（6）鳍片管的直线度每米不大于2mm，且全长范围内不超过6mm。
（7）鳍片管的旁弯度每米不大于2mm，且全长范围内不超过6mm。
（8）长度小于9m的鳍片管的扭曲值其全长范围内不大于3mm。长度大于或等于9m的鳍片管的扭曲值其全长范围内不得超过4mm。
（9）鳍片管应对管子逐根按JB1612有关规定进行水压试验检查，合格后方可进入下道工序施工。
（10）焊接返修处，在管子侧不允许有裂纹、气孔、夹渣以及深度大于0.5mm的焊接咬边。咬边总长度不大于管子长度的25%。
（11）扁钢与管子焊接时不得烧穿管子。如有烧穿，则该部位必须用相同材料、规格的管子替换之。且替换长度不得小于300mm。替换部位的所有环焊缝均应按JB1613的有关规定进行无损探伤合格。
（12）焊后做PT检查。
（13）15CrMo材料焊接后应立即进行280±20℃X2h消氢处理；若焊后可立即进行消除应力热处理，可免除消氢处理。
7 花鳍片管焊接工艺规程
（1）焊前清理水锈、油污等杂物，焊件预热。用第1层规范进行定位焊，焊点长20mm～30mm间距100mm～200mm。
（2）预热温度>120℃，层间温度120℃～300℃。
（3）组对检查，两人同时采用SMAW方法斜向对称焊接角缝各层。第1片焊后旋转钢管180[°]焊接第2片。焊后旋转钢管90[°]焊接第3片。焊后再旋转钢管180[°]焊接第4片。然后同种方式依次焊接其它片。焊缝外观检查。鳍片焊接顺序如图3所示，焊接顺序为1—2；3—4；5—6；7—8。
（4）焊接位置：平焊；（5）连续操作；（6）焊后单根加热垫280℃±20℃X2h消氢处理；7）焊后热处理：660℃±20℃X1h去应力；（8）焊材及尺寸：R307，Ф3.2；（9）电流种类及极性：DC+；（10）焊接电流：100A～130A；（11）电弧电压：22V～24V；（12）焊接速度：（10～14）cm/min。
图2 焊接接头示意图
图3 花鳍片管鳍片焊接顺序示意图
8 花鳍片管制造工艺（如图4）
图4 花鳍片管制造工艺流程图
9 应用实例
一种外取热器用于某公司汽柴油质量升级和常减压装置改造工程中70万吨催化裂化装置改造设备之一。催化剂从外取热器左上方入口进入，流经取热管后，经外取热器左下口流出。上部延伸出封头外的取热管进出口为高中低排列，有利于外部管线的合理的空间连接；共分为三圈分布，低位外圈均布16个取热管，中位中圈均布12个取热管，高位内圈均布5个取热管，合计33个取热管。其中，花鳍片管为同一长度、同一直径、同一规格；仅光管部分长度不同，又不同于图1中的大小头过渡的套管型式，而为内外直管套管型式。表2为外取热器参数表。
由花鳍片管组成的外取热器管束及外取热器的制造满足各项技术指标和图纸、工艺的要求，经第三方检验合格，用户使用效果良好，值得推广。
表2 外取热器参数表
作者简介
钱成伟，工程师，毕业于沈阳大学，长期从事压力容器设计研发和管理工作。
（责任编辑：张晓明）