论文部分内容阅读
摘 要：本文对大型顺酐反应器管束制造的技术特点及关键路线进行阐述，并对保证管束制造中管板、折流板管孔加工新方案进行了分析，提出了管束制造中使用自动氩弧焊保证焊接质量需解决的一些问题及改进措施，从而解决了整个顺酐反应器制造的难点，顺利完成了反应器的制造任务。
关键词：大型顺酐反应器管束制造；管孔加工； 管束自动焊接组对 ；改进措施
目前，随着石油化工装置的大型化，在各工艺系统中使用的反应器设备的规格也随之增大。我们与某设计院长期合作的顺酐反应器项目，由2006年的直径2.8米上升至今的5.6米，其型式为立式固定管板式大型换热器，设备净重281吨，其中管束制造是该设备制造中的关键点，而管束制造中的关键为管板和折流板的加工以及换热管头的焊接，技术协议要求管头焊接采用自动氩弧焊，这就对管板和折流板的加工提出较高的要求，并且由于以往换热器管头锪平后长短不一也为实施自动氩弧焊带来一定困难，本次设备管束加工周期较短，基于以上原因本文主要阐述对该管束制造关键工序进行制造技术攻关，进而形成大型换热器设备管束制造的新技术，为公司今后此类大型设备的制造市场作好技术支持。
1 大型顺酐反应器的技术特点及攻关关键路线
该大型顺酐反应器的结构技术特点是设备直径大、反应器中心直径1150范围内不钻孔，换热管数量多，壳程介质为熔盐，渗透性强；管程为正丁烷，易爆，管束需经400℃热循环试验无渗漏为合格，管头焊接要求为自动氩弧焊，大型顺酐反应器的主要技术参数见表1
针对该设备的技术特点，课题组决定将根据公司设备能力及以往制造工艺经验，确定将解决以下问题，作为攻关关键路线。
（1）人工划线过程精度不高、划线累积误差大且打中心冲眼定位精度不高，造成钻孔后孔桥宽度误差超差，不能较好满足使用自动氩弧焊接要求。
（2）打破常用的单台摇臂钻钻孔方式，结合以往施工经验，实行多台钻床钻孔的新方法，既保证质量又满足工期要求。
（3）控制折流板拼接后的平面度，保证折流板管孔与管板孔同心，减少穿管困难。
（4）解决以往换热管头锪平后长短不齐，影响自动氩弧焊接质量和进度。
2 攻关的关键技术方案与创新点
针对以上需攻关的关键路线设计出如下攻关技术方案及创新点。
2.1利用模板定位打底孔配钻技术，提高管孔位置精度，减小孔桥误差。即用折流板中的一块作模板，采用小型数控钻床打φ5底孔形成钻模以代替人工划线及打冲眼，从而保证底孔孔桥宽度均大于5.64mm，避免产生4%允许最小孔桥的可能。
2.1.1 模板的制造
由于厂内数控钻能力有限（工作宽度2800），模板采用先1/2分型加工好底孔后拼接的形式制造；为节约成本及提高效率，用折流板中的一块作模板，模板用于每台设备的管板和折流板加工，以保证各管孔同心。
2.1.2 模板的使用
（1）使用时将模板平铺于待钻管板之上，调整模板位置，使模板基准外圆线与待钻管板的基准外圆线对齐。
（2）利用管孔位置钻出多点定位孔，采用定位销及螺栓紧固定位，将模板与管板把合牢固，利用模板在管板上钻φ5底孔以代替人工打冲眼，然后拆下模板后按底孔位置钻孔。
（3）模板与其他折流板成摞把合牢固后一起钻孔。
2.2创新出多台小型摇臂钻固定在管板上分区域钻孔的方法，解决大型摇臂钻摇臂回转直径不能覆盖管板管孔加工范围的问题。即采用在管板上固定安装4台Z3050摇臂钻同时钻孔的方法施工，保证钻孔质量及满足进度要求。
常用的钻孔方法是摇臂钻固定在设备基础上，工件固定在方箱上找正工件平面后按划线的位置钻孔，工件固定位置应在摇臂钻摇臂的工作范围之内，国内最大的Z30100摇臂钻的摇臂的工作范围是3150，而管板直径为5640，无法做到一次装夹钻孔，应需多次装夹找正工件，并且一台机床钻孔效率较低，若按每天钻孔150个计算，钻完一块管板需6个月，无法满足工期3个月要求，经攻关小组研究决定，以管板为工作平台在其上面同时安装4台Z3050摇臂钻进行钻孔，并在管板上设定4个测量点利用红外线测量仪跟踪检查管板表面的变形情况，从而解决钻孔效率低的问题。
2.3折流板拼板前一次校平，拼板后在工装平台上进行二次校平，使其平面度控制在3mm以内。
折流板由于受板幅限制采用1/2分型数切下料，每块板面平面度不大于3 mm，且无影响质量的塑性变形，若超差应在滚床上进行一次校平，拼接成型时保证错边量不大于1mm，并将中心φ1150范围内（不钻孔区域），进行预开φ1000孔以利于进行应力释放和校平。拼板后在工装平台上，采用风镐等方式对焊缝进行应力释放，并进行二次校平达到平面度要求，这样每台折流板在工装平台上组合成摞检查合格后与模板一起钻孔。
2.4换热管锪平限位工装设计，作为机械限位来保证换热管露出管板的长度一致，以满足自动氩弧焊接焊接参数的选择。
以往锪管主要采用万向摇臂钻和管端平口机，均是以内孔定位锪平管头，长度方向无限位，长度尺寸主要靠目测，由于顺酐反应器换热管头数量多，换热管伸出管板高度的一致性决定了焊接参数的选择及管头焊缝的质量。为此设计出外套管式限位卡环，以管板平面为基准，能够有效地控制换热管伸出管板高度。
3、实施效果：
（1）分型模板底孔孔桥检查在6.2～6.4之间，高于图纸要求。
（2）采用在管板上固定安装4台50摇臂钻同时钻孔的方法施工，并利用红外线测量仪对放置的管板的平面跟踪检测，平面度在1 以内，钻孔后管孔与板面垂直度在0.12以内符合图纸要求，钻孔效率提高2倍以上。对管板的成品孔桥尺寸进行了1000个孔桥的随机抽样检查，孔桥均在5.6。能够满足自动焊接要求。图1为第一台顺酐反应器施工现场自动氩弧焊接完的管束管孔图片。
（3）设计制作的锪管限位工装，作为机械限位保证了换热管露出管板的长度一致，公差在0.2以内，使换热管头焊缝质量及外观显著提高，如图1管束图片所示，保证了管头焊接质量和进度要求。
（4）顺酐反应器施工现场的项目经理反映，由于折流板拼板后平面度合格，利用模板钻孔后折流板与管板孔同心，穿管困难问题解决，穿管时间节省了7天。
图1 管束自动焊后管头图片
4、结束语
该大型管束的加工制造新技术是公司首次开发和使用，国内没有经验借鉴和应用，比较适合没有大型数控钻的公司，利用普通摇臂钻设备加工大直径高质量的管板和折流板。若采用自动氩弧焊接工艺焊接管头，需控制孔桥尺寸且应高于GB151-1999及图纸要求，利用小型数控钻打底孔制作模板来加工，可实现优质高效的加工管板和折流板满足生产工期要求， 还有管板或折流板（成摞后）的厚度必需要足够厚，应具有一定刚性使固定在上面钻床钻孔时不变形，否则应采取加固措施。同时应有跟踪监测管板变形的仪器如红外线测量仪，本次攻关的管束加工制造新技术在生产中应用， 解决了大型顺酐反应器管束制造的关键质量问题，解决了大型管束中管板（折流板）加工周期长以及影响管头焊接质量等生产瓶颈问题，同时节约了费用也缩短制造工期，在用户现场熔盐热试时无管头泄漏，受到用户好评，为公司今后大型顺酐反应器的制造打下了坚实的基础。
参考文献
[1]GB151-1999，《壳管式换热器》
[2]吴宗泽，主编，化学工业出版社，第三版《机械设计实用手册》。
作者简介
郭传东（1969年12月-），汉族，男，大学，吉林省吉林市人，工程师、注册设备监理师。主要从事压力容器及通用机械设备的工艺设计工作。工作单位：中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林机械制造分公司
关键词：大型顺酐反应器管束制造；管孔加工； 管束自动焊接组对 ；改进措施
目前，随着石油化工装置的大型化，在各工艺系统中使用的反应器设备的规格也随之增大。我们与某设计院长期合作的顺酐反应器项目，由2006年的直径2.8米上升至今的5.6米，其型式为立式固定管板式大型换热器，设备净重281吨，其中管束制造是该设备制造中的关键点，而管束制造中的关键为管板和折流板的加工以及换热管头的焊接，技术协议要求管头焊接采用自动氩弧焊，这就对管板和折流板的加工提出较高的要求，并且由于以往换热器管头锪平后长短不一也为实施自动氩弧焊带来一定困难，本次设备管束加工周期较短，基于以上原因本文主要阐述对该管束制造关键工序进行制造技术攻关，进而形成大型换热器设备管束制造的新技术，为公司今后此类大型设备的制造市场作好技术支持。
1 大型顺酐反应器的技术特点及攻关关键路线
该大型顺酐反应器的结构技术特点是设备直径大、反应器中心直径1150范围内不钻孔，换热管数量多，壳程介质为熔盐，渗透性强；管程为正丁烷，易爆，管束需经400℃热循环试验无渗漏为合格，管头焊接要求为自动氩弧焊，大型顺酐反应器的主要技术参数见表1
针对该设备的技术特点，课题组决定将根据公司设备能力及以往制造工艺经验，确定将解决以下问题，作为攻关关键路线。
（1）人工划线过程精度不高、划线累积误差大且打中心冲眼定位精度不高，造成钻孔后孔桥宽度误差超差，不能较好满足使用自动氩弧焊接要求。
（2）打破常用的单台摇臂钻钻孔方式，结合以往施工经验，实行多台钻床钻孔的新方法，既保证质量又满足工期要求。
（3）控制折流板拼接后的平面度，保证折流板管孔与管板孔同心，减少穿管困难。
（4）解决以往换热管头锪平后长短不齐，影响自动氩弧焊接质量和进度。
2 攻关的关键技术方案与创新点
针对以上需攻关的关键路线设计出如下攻关技术方案及创新点。
2.1利用模板定位打底孔配钻技术，提高管孔位置精度，减小孔桥误差。即用折流板中的一块作模板，采用小型数控钻床打φ5底孔形成钻模以代替人工划线及打冲眼，从而保证底孔孔桥宽度均大于5.64mm，避免产生4%允许最小孔桥的可能。
2.1.1 模板的制造
由于厂内数控钻能力有限（工作宽度2800），模板采用先1/2分型加工好底孔后拼接的形式制造；为节约成本及提高效率，用折流板中的一块作模板，模板用于每台设备的管板和折流板加工，以保证各管孔同心。
2.1.2 模板的使用
（1）使用时将模板平铺于待钻管板之上，调整模板位置，使模板基准外圆线与待钻管板的基准外圆线对齐。
（2）利用管孔位置钻出多点定位孔，采用定位销及螺栓紧固定位，将模板与管板把合牢固，利用模板在管板上钻φ5底孔以代替人工打冲眼，然后拆下模板后按底孔位置钻孔。
（3）模板与其他折流板成摞把合牢固后一起钻孔。
2.2创新出多台小型摇臂钻固定在管板上分区域钻孔的方法，解决大型摇臂钻摇臂回转直径不能覆盖管板管孔加工范围的问题。即采用在管板上固定安装4台Z3050摇臂钻同时钻孔的方法施工，保证钻孔质量及满足进度要求。
常用的钻孔方法是摇臂钻固定在设备基础上，工件固定在方箱上找正工件平面后按划线的位置钻孔，工件固定位置应在摇臂钻摇臂的工作范围之内，国内最大的Z30100摇臂钻的摇臂的工作范围是3150，而管板直径为5640，无法做到一次装夹钻孔，应需多次装夹找正工件，并且一台机床钻孔效率较低，若按每天钻孔150个计算，钻完一块管板需6个月，无法满足工期3个月要求，经攻关小组研究决定，以管板为工作平台在其上面同时安装4台Z3050摇臂钻进行钻孔，并在管板上设定4个测量点利用红外线测量仪跟踪检查管板表面的变形情况，从而解决钻孔效率低的问题。
2.3折流板拼板前一次校平，拼板后在工装平台上进行二次校平，使其平面度控制在3mm以内。
折流板由于受板幅限制采用1/2分型数切下料，每块板面平面度不大于3 mm，且无影响质量的塑性变形，若超差应在滚床上进行一次校平，拼接成型时保证错边量不大于1mm，并将中心φ1150范围内（不钻孔区域），进行预开φ1000孔以利于进行应力释放和校平。拼板后在工装平台上，采用风镐等方式对焊缝进行应力释放，并进行二次校平达到平面度要求，这样每台折流板在工装平台上组合成摞检查合格后与模板一起钻孔。
2.4换热管锪平限位工装设计，作为机械限位来保证换热管露出管板的长度一致，以满足自动氩弧焊接焊接参数的选择。
以往锪管主要采用万向摇臂钻和管端平口机，均是以内孔定位锪平管头，长度方向无限位，长度尺寸主要靠目测，由于顺酐反应器换热管头数量多，换热管伸出管板高度的一致性决定了焊接参数的选择及管头焊缝的质量。为此设计出外套管式限位卡环，以管板平面为基准，能够有效地控制换热管伸出管板高度。
3、实施效果：
（1）分型模板底孔孔桥检查在6.2～6.4之间，高于图纸要求。
（2）采用在管板上固定安装4台50摇臂钻同时钻孔的方法施工，并利用红外线测量仪对放置的管板的平面跟踪检测，平面度在1 以内，钻孔后管孔与板面垂直度在0.12以内符合图纸要求，钻孔效率提高2倍以上。对管板的成品孔桥尺寸进行了1000个孔桥的随机抽样检查，孔桥均在5.6。能够满足自动焊接要求。图1为第一台顺酐反应器施工现场自动氩弧焊接完的管束管孔图片。
（3）设计制作的锪管限位工装，作为机械限位保证了换热管露出管板的长度一致，公差在0.2以内，使换热管头焊缝质量及外观显著提高，如图1管束图片所示，保证了管头焊接质量和进度要求。
（4）顺酐反应器施工现场的项目经理反映，由于折流板拼板后平面度合格，利用模板钻孔后折流板与管板孔同心，穿管困难问题解决，穿管时间节省了7天。
图1 管束自动焊后管头图片
4、结束语
该大型管束的加工制造新技术是公司首次开发和使用，国内没有经验借鉴和应用，比较适合没有大型数控钻的公司，利用普通摇臂钻设备加工大直径高质量的管板和折流板。若采用自动氩弧焊接工艺焊接管头，需控制孔桥尺寸且应高于GB151-1999及图纸要求，利用小型数控钻打底孔制作模板来加工，可实现优质高效的加工管板和折流板满足生产工期要求， 还有管板或折流板（成摞后）的厚度必需要足够厚，应具有一定刚性使固定在上面钻床钻孔时不变形，否则应采取加固措施。同时应有跟踪监测管板变形的仪器如红外线测量仪，本次攻关的管束加工制造新技术在生产中应用， 解决了大型顺酐反应器管束制造的关键质量问题，解决了大型管束中管板（折流板）加工周期长以及影响管头焊接质量等生产瓶颈问题，同时节约了费用也缩短制造工期，在用户现场熔盐热试时无管头泄漏，受到用户好评，为公司今后大型顺酐反应器的制造打下了坚实的基础。
参考文献
[1]GB151-1999，《壳管式换热器》
[2]吴宗泽，主编，化学工业出版社，第三版《机械设计实用手册》。
作者简介
郭传东（1969年12月-），汉族，男，大学，吉林省吉林市人，工程师、注册设备监理师。主要从事压力容器及通用机械设备的工艺设计工作。工作单位：中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林机械制造分公司