大型双层壳体球形冷却器现场制安工艺.pdf

施工技术与测量技术四川建筑第43 卷第4期大型双层壳体球形冷却器现场制安工艺蒲志木（四川省工业设备安装集团有限公司，四川成都6 10 0 14）【摘要】某科研试验装置设有一大型冷却器，用于高温燃气冷却降温。该冷却器壳体为双层球壳，内部安装大型换热管束组件，结构较为复杂，体形巨大，为非常见的需现场制作安装的大型换热器。总结了大型双层壳体球形冷却器的现场制造安装主要工艺方法。【关键词】球形冷却器；双层球形壳体；换热器；现场制安150kPa;冷却器内部燃气爆燃压力：3 0 0 kPa；冷却水进口压力：40 0 kPa（绝压）；冷却水进口/出口水温：3 0/6 0。换【中图分类号】TQ051.51工程概况某科研单的某型高空试验装置后段设有一座球形冷却器，用于将试验用航空发动机所排出的带压力的高温燃气从1427冷却、降温至2 0 0 并排入冷却器之后的灭焰段进一步降温到5 0 并去除油污，然后再排人大气。该球形冷却器为内置大型换热管束的双层球壳大型换热器。其结构较为复杂，主要由内球壳、外球壳、上水箱、下水箱、环水箱、弓形架、冷却隔板、换热管束、设备支座、检修人孔、进出水管路等组成，如图1、图2 所示。内外球壳分为左右2 个部分，由环形中间隔板（又称为环水箱右侧隔板）隔开。球壳靠中间隔板的一带球壳分别称为左右球环，其余分别称为左右半球壳。10968环水箱F2左外半球走左内球环左内半球壳冷邦隔板支堂4250(a)A-A图1球形冷却器结构(单位：mm)【文献标志码】Bm，内球壳壁厚3 6 mm，外球壳内径SD12.572m，外球壳壁厚20mm。内外球壳间形成间距10 0 mm的夹套，作为循环冷却水通道。球壳外设置外环水箱,直径为14.10m。在球壳内设置上水箱、下水箱，上下水箱间安装3 组换热器管束组件，每组换热管束组件尺寸为L3040mmW2990mmH7060mm（长宽高），每件重量41.3 5 t。换热管内为冷却水通道，换热管间为高温燃气通道。冷却水从下水箱注人，通过管束，从上水箱排出，冷却器水夹套的最高处设放气阀和安全阀。冷却器球壳板及结构件材料均采用Q345R。换热管共计6 8 2 5 根，每组2 2 7 5 根，单根长度7 0 6 0 mm，采用382.5mm的2 0 g无缝钢管。冷却器设备总重约45 5t,安装中心标高距0.0 0 6 5 m。710设计工况：进口燃气温度17 0 0 K（142 7），出口燃气右外球环环水箱右内球环右外半球光古内半球壳换热管束3630Z温度47 3 K(200）；内壁面平均温度：15 0；燃气压力：5 冷年隔板环水箱弓形水进水普(b)B-B热面积：5 7 0 4m,冷却水流量17 5 0 0 m/h。试验压力：P=0.55 MPa。主要施工技术要求：单片球壳板不允许拼接，内外球壳间距10 0 mm，允许偏差5 mm；内球壳体两极的净距与球壳设计内径之差、赤道截面的最大内直径与最小内直径之差均A应小于内球壳设计内直径的0.4%，且不大于5 0 mm；内壳体须进行组焊后的应力消除；换热管与管板的焊接采用胀一焊一胀焊接工艺；内球壳体焊接后消除应力热处理；壳体A、B类焊缝10 0%UT检测I级合格，2 5%RT检测I级合格。2制安重难点分析根据该球形冷却器的结构特点，其现场制作安装需解决重难点是：制定合理的总体组装工艺顺序，以解决球壳内换热管束等内部构件安装难以进人的难题；内外球壳的合理工艺分瓣与分段；双层球壳的现场组装工艺；内球壳定稿日期 2 0 2 3 -0 4-0 4图2 冷却器BIM模型剖视内外球壳为同心球壳，冷却器的内球壳内径为SD12.30214作者简介蒲志木（19 7 3 一），男，专科，工程师，主要从事机电安装工程工作。蒲志木：大型双层壳体球形冷却器现场制安工艺组焊后整体消除应力的措施；管束组件的管板胀焊胀连接。3总体思路与工艺流程总体工艺思路为：先组装就位球壳体（含中间隔板），再拆除顶部的部分球壳以安装内构件，最后恢复球壳。即内球壳先组装为一个整体，待整体内燃法退火消应热处理后，再暂时吊开右内球壳上部的壳体，创造出内部换热管束的吊装空间。管束等内构件安装完成后，恢复上部的内球壳，再安装外球壳。总体施工工艺流程如图3 所示。冷却器基础施工制安施工准备球壳球壳球壳到场右内球环钢平中间隔板与右内球排版压制检查验收球壳间距定位短管左内球环外部安装左右内球环开孔在左内球环外组焊左外球环和环水箱左侧板及支撑筋板右内球环安装临时支撑底部右外球环及筋板安装左内半球壳安装临时支撑弓形架安装冷却隔板安装右外半球壳安装五环形水箱盖冷印器前部段安装！水流通道板安装水流通道形成封闭水压试验图3 球形冷却器总体施工工艺流程冷却器球壳，由专业厂家按工艺分瓣压制，现场组装。为确保球壳整体成形精度控制，球壳的组装参照球形储罐施工规范采用环带法组装工艺，主要采取在地面钢平台上分别组装各球环及球壳，再分别整体翻身吊装就位的方法，同时球壳组装时，相关构件与其一道协同组装。由于场地限制，现场工艺构件及部段的翻身和就位吊装均采用汽车吊方式。如场地条件允许，可采用门式起重机来进行设备吊装。4冷却器球壳分瓣与分段球壳分瓣的尺寸，需考虑球壳厂家能够压制的板幅、球壳上的开孔及壳体焊缝错缝情况，合理确定分瓣数量和尺寸。开孔须避开焊缝，壳体纵向焊缝应错开壳体壁厚的3 倍以上，且不小于10 0 mml。按该原则,左右内外半球壳分别均分为16 瓣，如图4所示。左右内外球环分别分为4段，各段的弧长及圆心角如图5所示。左右内球环幅宽分别比左右外球环宽2 0 0 mm,以错开内外球壳与球环合拢组对的环焊缝。左内球环幅宽2 16 4mm,左外球环幅宽19 6 4mm;右内球环幅宽2 5 3 6 mm，右外球环幅宽2 3 3 6 mm。球环分段还需同时考虑安装就位后，在安装管束组件时拆除靠上部壳体时能创造出合适的开口空间。环水箱右侧板（中间隔板）左内球环【分为4辨）左内半球壳【均分为16 游）】（a）内球壳分瓣图4内、外球壳分瓣示意10.5089基础检查验收OS.S冷却器支座冷却隔板、弓形架、换热管束组件工厂制作为成品环水箱、上水箱、下水箱构件各类筋板、人孔在工厂加工预制环组对（仅点焊）中间隔板上组对左内球环并焊接分三段吊开除冷却器底部之外的左外球环左内球环中间隔板冷却器下部左外球环整体翻身，吊装到支座上安装就位固定左内半球壳平右内半球壳平台上组装焊接台上组对焊接右内半球壳内球壳保温安装热处理下水箱顶部右内球组对安装壳拆除吊开换热管束上水箱组件安装组对安装右外球环安装顶部右内球壳恢复安装壳体外部段部防腐验收右内球环5分为4糖）】右内半球壳【均分为16 期）1020台上组对焊接左内球环分游支座安装底板安装右外球环钢平台上组对焊接左、右外半球壳分别在钢平台上组焊左外球环与环形水箱左侧板分段安装左外半球壳安装环水箱右侧板（中间隔板左外球环（分4瓣）左外半球壳【均分为16 游】（b）外球壳分辉39106右内球环分辨左外球环分瓣10621641964右外球环分瓣内外球环宽度及错缝图5 内、外球环分瓣示意（单位：mm)各球壳分瓣由专业厂家压制，出厂时需按焊接工艺要求开好坡口，严格按照SH/T3512-2011石油化工球形储罐施工技术规程相关要求控制成型尺寸。5冷却器壳体组装壳体组装的主要施工顺序如表1所示。表1壳体组装主要顺序1.划线，安装垫块、挡块2.右内球环组对4.左内球环组对及开孔5.左外球环组对7.分别吊开3 段左外球环8.左内球环翻身成立式状态转人就位安装9.分别组对左右内外半球壳10.平台上组对右外外半球环球壳组装的主要施工方法如下述。5.1右内球环组装组装时右内球环大口端朝上，预留换热管束安装时需拆除的冷却器上部内壳板两端的焊缝不焊（仅点焊定位，保留相应的组对龙门卡具）。215右外球环【（分为4瓣）】右外半球壳【均分为16 瓣】253623363.中间隔板组对（仅点固）6.环水箱左侧板及筋板组对施工技术与测量技术在钢平台上划线安设垫块、挡块、支撑工装（胎具），将球环分瓣逐一吊装组对。采用龙门卡等工装卡具调整壳板对口间隙、错边量、棱角度、上下口环圆度、周长及上口水平度等，使其偏差符合SH/T3512-2011石油化工球形储罐施工技术规程要求。组对后上、下环口周长偏差不得大于10mm,圆度不应大于其直径的3/10 0 0,且不大于3 0 mm。组对好后内部加设米字撑。5.2中间隔板及左内球环组装右内球环焊接完成,并经检查合格后，将中间隔板与右内球环大口端组对，焊接定位挡块定位。在中间隔板上划定位线，将左内球环各壳板吊装到中间隔板上进行组对、焊接。中间隔板与左内球环需焊接为一体。组焊完成后，进行相应壳体开孔，在球环内部加设米字撑，如图6 所示。四川建筑第43 卷第4期$6483工装胎架中6 10 0壳体钢平台图8 半球壳组对工装胎架示意（单位：mm)（a）以左内球环为基础组对左内半球壳垫块挡板11379822CETT.121T（a）右内球环组焊图6 左右内球环组焊5.3左外球环及环水箱左侧板组焊在左内球环壳体外面安装定距短管，然后将左外球环各分段壳体吊装到中间隔板上以左外球环壳体为基准进行组装，同时安装焊接环水箱左侧板及相应加强筋板。除位于冷却器安装后靠下部的外球环壳体部分及水箱支撑板等需与内球环组焊为一体外，其余3 段左外球环分段相互间暂不焊接在一起，在组装合格后，分别吊放在一旁待安装，如图7 所示。（a）左外球环及支撑板组装（c）右内半球壳组焊图7 左外球环及右内、左外半球壳组焊5.4其余壳体组装在左右内球环安装就位腾出钢平台后，分别在钢平台上组装左内半球壳、右内半球壳、右外球环及左外半球壳、右外半球壳（图7）。半球壳组对时，内部设置工装胎架，如图8所示。5.5左内半球壳组装另一种方法以组焊完成的左内球环为基准,直接在其上组对左内球壳。左内半球壳与左内球环间的环缝不焊接。左内球壳组焊合格后，暂吊放一旁，待安装，如图9 所示。216（b）左内球壳吊开待安装（b）左内球环组焊图9 左内半球壳组焊6壳体及管束等内构件安装冷却器壳体及管束等内构件的安装按总体施工工艺流程所确定顺序，采用分段吊装就位的方式。根据各分段重量、吊装半径情况，经计算选用1台2 2 0 t汽车吊作为主吊，1台7 5 t汽车吊溜尾配合。首先将各分段由水平状态翻转成立式状态，然后由2 2 0 t汽车吊将各分段吊装就位。各分段由BIM模型精确测算出重心位置，按翻身与吊装需要计算选用和安装相应的管式吊耳。壳体及内构件主要安装顺序如表2 所示，主要相关实际施工照片如表3 所示。7内球壳消应退火热处理内球壳消除应力热处理借鉴球罐制安所采用内燃法退火热处理。燃烧器高压喷嘴装在球壳下部排污孔处，燃烧后（b）左外球环分段吊开待安装的烟气由装在球壳上部人孔处带蝶阀的烟卤排出（图10）。球壳上、下部其它接管孔除作为空气对流用外均用绝热材料封堵。按照GB150-2011压力容器GB/T30583-2014承压设备焊后热处理规程和GB/T12337-2014钢制球形储罐等规范相关要求，确定热处理工艺参数为：热处（d）左外半球壳组焊理温度：6 0 0 2 0；升温速度（/h）：40 0 以下，自然升温;40 0 以上，5 0 8 0/h；恒温时间（h）：2 h;降温速度(/h):40 0 以上,3 0 5 0/h范围,40 0 以下自然冷却 2 。40 0 以上升温和降温过程中,任意2 点的温差不得超过12 0 2 1,恒温期间，任意两测温点温差控制在8 0 以内。内球壳热处理前需拆除壳体内部所有临时设施，壳体外脚手架与壳体外表面应有充足的距离以满足保温和壳体受热膨胀要求。松开球壳下部临时支撑，切开球壳底板与支座间的点焊临时固定处，以使壳体在热处理过程中能自由膨胀。（c）左内球环+中间隔板翻身蒲志木：大型双层壳体球形冷却器现场制安工艺表2 壳体及内构件主要安装顺序排气烟肉控制蝶阀2.左内球环+中间隔板+底1.支座及底板安装部左外球环整体吊装就位3.右内球环整体安装（顶部球环分段暂不焊接）4.下部右外球环及支撑安装5.左内半球壳整体吊装就位6.右内半球壳整体吊装就位燃烧器7.内球壳进出端口临时封堵、保温，内燃法热处理8.拆除顶部的右内球环及球壳（整体吊离）9.左外球环及环水箱左侧板安装（分段吊装）图10 球壳内燃法退火示意1500mm。温度检测系统每3 s跟踪巡检每个测温点，返馈给燃烧器控制系统，过程中自动控制优化油气比。8管束组件管板胀焊胀连接工艺要点采用自动控制的燃烧器，燃烧器火焰长度控制在10 0 0 10.下水箱安装11.前后弓形架安装13.下水箱前后端板安装14.换热管束组件安装（先两边，再中间）15.上水箱现场组对安装16.顶部右内球壳恢复安装18.右外球环安装（顶部及前、后段）表3 壳体及内构件安装主要施工照片1.左内球环整体吊装就位2.左内半球壳吊装就位4.吊开顶部球壳5.左外球环安装7.冷却隔板吊装就位8.换热管束吊装采用热电偶测温，测温点均匀布置在球壳板外表面，相邻测温点间距不大于45 0 0 mm，距人孔与球壳板焊缝边缘200mm以内及产品焊接试板上必须设测温点。本内球壳热处理共计设置5 0 个测温点。热电偶的安装采用储能式热电偶点焊机将热电偶牢固点焊在壳体外表面上。温度记录采用连续自动记录仪表，仪表精度应达到1%。12.冷却隔板安装17.左外半球壳整体吊装20.环水箱盖板及左侧板19.右外半球壳整体吊装加强筋出口短管等安装3.内球壳内燃法退火热处理6.下水箱构件安装9.换热管束安装到位本换热管束组件其外形尺寸和重量均较大，运行时换热管受气流冲击振动较大。为保证换热管束组件安全运行和使用寿命，设计要求管板连接采用“胀一焊一胀”工艺。该工艺实质为：换热管穿装后，先进行贴胀以消除换热管与管板孔之间的缝隙 3 ,并达到管子定位作用；然后按照管板焊接工艺评定进行焊接，以保证管子和管板的密封和连接强度；焊接后再进行一次复胀，以在焊缝的拉伸残余应力场中，留下一个压缩残余应力体系。2 种残余应力相互叠加的结果，使其拉伸残余应力的峰值大减；二次应变又引起应力的重新分布,结果起到调整和均化应力场的效果，最终将残余应力的峰值削弱到预定限度以下 4。以此达到确保接头连接质量和提高接头的抗疲劳、抗应力腐蚀能力。为保证“胀一焊一胀”的工艺质量，正式施工前需使用与正式生产相同的管板和换热管材料加工制作工艺试件，进行相应的贴胀（即初胀）、焊接、复胀工艺试验和工艺评定，以确定2 次胀管的合适胀度。根据GB/T151-2014热交换器规范，强度焊加贴胀工艺的管板孔可不开槽，当采用先胀后焊制造工艺时不留不胀部分，即需胀接到坡口根部（图11）。根据工艺试验，换热管初胀以管壁减薄率计算的胀度控制在2%3%即可，焊后复胀以复胀后管子内径增加值控制在0.1 0.4mm即可。复胀后焊缝应无裂纹，探伤应合格，对接头解剖检查（图12），管子与管板间应无间隙，管壁减薄率应控制在10%以内，管子扩大部分的过渡区应无明显棱角。胀管可采用机械胀或液压胀均可，管板焊接采用专用管板自动氩弧焊机。要保证管板接头胀接质量，还要严格控制换热管材料质量和管板孔的加工质量，严格控制管孔与换热管的径向间隙。换热管采用定尺采购，其材质和性能应符合GB/T5310-2017高压锅炉用无缝钢管标准要求，质量证明文件应齐全。管217施工技术与测量技术130%130图11“胀-焊胀”管板孔结构（单位：mm)图12 复胀后接头解剖检查四川建筑第43 卷第4期子外表不得有重皮、裂纹、磨点、刻痕、压扁等缺陷。管外径偏差应符合GB/T151-2014热交换器规定的I 级管束换热管外径的允许偏差范围，即382.5mm管子外径允许偏差0.2 0 mm。最小壁厚偏差0 0.6 mm。每根换热管均须进行外观检查和液压试验合格后方可使用。管板和管子不得拼接。管板钻孔采用数孔机床叠板配钻，以保证两端管板对应管孔的同心度。管板管孔直径按GB/T151-2014热638.5+8:2交换器级管束规定取值为38.5mm，允许偏差-0.2 0 管板开孔尺寸+0.10 mm。9结束语上述主要制安工艺的实施，成功解决了该大型双层壳体球形冷却器制安重难点问题，保证了该冷却器保质保量按期顺利建成。现该冷却器投入使用已达2 年多，运行良好，业主对其建造和使用均非常满意。1国家质量监督检验检疫总局.球形储罐施工规范：GB50094-2010S.北京：中国计划出版社,2 0 11.2国家质量监督检验检疫总局.钢制球形储罐：GB12337-2014S.北京：中国标准出版社，2 0 15.3国家质量监督检验检疫总局.热交换器：GB151-2014S.北京：中国标准出版社，2 0 15.4李念慈.管子与管板“胀焊胀”工法.DB/OL.百度文库,2 0 2 3-02-18.https:/ 13 页）技术、边坡支护技术及哈芬槽施工技术等，通过技术创新运用，有效解决电力隧道防沉降、防水等问题，实现电力隧道绿色施工和科技施工，有效确保施工安全，同时缩短施工周期，相关技术已获得3 件国家实用新型专利、1件省级工法：（1）一种电力隧道沉降缝防水结构（ZL201921418883.2）。(2）一种建筑施工使用的可调式哈芬槽预埋机构(ZL201921415812.7)。（3）一种建筑用新型哈芬槽预埋件（ZL201921117719.8）。（4)绿色装配式可回收（GRF）岩石锚杆支护施工工法(SCGF269-2018)。4结论与讨论本文中电力隧道工程全长4.12 km，最大埋深处达11m,具有隧道结构长、基坑超深等特点；该隧道的修建过程中面临了复杂城市环境中修建城市电力隧道的问题和难点；通过采用沉降缝防水技术、跳仓法施工技术、边坡支护技术以及哈芬槽施工技术等创新运用；最终有效解决电力隧道防沉降、防水等问题。可以供以后类似城市电力隧道建设借鉴。1余晶，魏龙海大连某近接市政隧道施工力学行为及变形控制技术研究J.路基工程,2 0 17（6）：18 3-18 8.2周军生产厂房超长结构跳仓法施工技术J四川建材，2019(3):3.3胡明亮，周俊，段俊，等装配式可回收（GRF）岩石锚杆支护施工技术应用 J四川建筑，2 0 2 1，41（S1）：3.4林刚，袁琳琳，蒋超，等安装结构可调的哈芬槽预埋件：，CN208039481UP.2018.5北京市建筑工程研究院有限责任公司超大体积混凝土结构跳仓法技术规程：DB11/T1200-2015S.北京：北京市住房和城乡建设委员会，2 0 15.参考文献218