大型环氧乙烷反应器关键制造点概述

大型环氧乙烷反应器关键制造点概述

蒋亚楠

一重集团大连核电石化有限公司   辽宁省大连市  116113

摘要：本文结合我公司多年大型环氧乙烷反应器制造经验，对SHELL技术和SD技术大型环氧乙烷管板制造过程中管板制造、支撑板加工以及管束平头等部分关键制造点进行了概述，为今后环氧乙烷反应器的制造提供了经验。

关键词：环氧乙烷反应器；管板制造；支撑板加工；管束平头

1.概述

环氧乙烷作为烃的含氧衍生物，是重要的有机合成原料之一，目前直接氧气法环氧乙烷设备主要采用SHELL和SD专利技术，两个专利的环氧乙烷反应器均为管壳式填料床反应器。随着石油化工行业对环氧乙烷衍生品需求量的增加，环氧乙烷设备逐渐趋于大型化/重型化发展，大型化/重型化的发展势必给设备制造过程带来更多的困难[1]~ [3]。以下将从大型环氧乙烷管板制造、支撑板加工以及管束平头等几个方面对其关键制造点进行介绍。

2.管板焊接及立车加工

SHELL技术环氧乙烷反应器管板材料一般为碳钢锻件（一般选用ASME材料SA-516 GR.70），而SD专利技术一般为镍钼铬合金锻件并在管程侧堆焊不锈钢层（一般选用ASME材料SA-508 GR.3 CL1+堆焊E309L+E308L）[4]。管板管程侧平面度是影响后续换热管孔深孔钻加工、管板孔倒角及管束平头的重要因素，因此在管板加工及焊接过程中均需严格控制管板平面度。以某SHELL技术环氧乙烷反应器管板为例，其直径达Φ8330mm，换热管孔加工前管板自重近220t，为二拼一结构。某SD技术环氧乙烷反应器管板直径达Φ8510mm，换热管孔加工前管板自重106t，为二拼一且管程侧带堆焊层结构。

1）因拼焊过程中横向收缩会造成管板拼焊处发生角变形，所以在拼焊前管板应预留足够余量，拼焊坡口采用双面不对称坡口，管板拼焊时应结合变形情况及时调整上下坡口焊接顺序，焊后立即进行中间消应力热处理。

2）拼焊后加工应注意粗精分开，精加工前振动时效以消除其内部残余内应力，加工时为防止芯部减薄结合超声波测厚技术对管板进行加工。

3）针对SD技术管板，在管程侧堆焊前应预留反变形量，壳程侧应保留最大余量，即凸肩部分不加工。堆焊时，SD上下管板壳程侧贴合进行堆焊，堆焊时应注意装配箍圈的牢固性，多次翻个进行堆焊，堆焊后立即进行中间消应力热处理。堆焊后的加工也应注意粗精分开，采用对称加工的方式并结合超声波测厚以避免芯部位置堆焊层减薄[5]。

3.管板深孔钻技术

管板管孔的加工是环氧乙烷反应器制造过程中的关键工序，其管孔质量对后续换热管装配等有直接影响。目前我司采用数控卧式三轴深孔钻床对管板管孔进行加工。为避免最终热处理对管孔造成变形及孔表面氧化皮难以清理的现象，一般管孔加工时机选在管板与管壳程侧筒节组焊热处理后进行。在大型管板深孔钻过程中，管板卧式装夹的稳定性以及二次装夹找正精度、管板钻孔过程中封油效果，切削参数等方面对管孔质量至关重要。

在管板卧式装夹时，采用V型铁背靠弯板的方式进行装夹。正式加工前会进行BOZA头顶紧试验，一方面验证孔系程序的正确性，另一方面对装夹稳定性进行验证，装夹无误后确认防油工装并在试验件上进行钻孔，用以确定切削参数、验证孔间距等。正式加工时采用由中心向两侧，由下往上，每班次对称加工的方式以最大程度减小管板自量对孔系造成的变形影响，针对管板直径超过机床Y向行程的管板孔加工，需要进行二次装夹，管板翻个后，需以已加工孔系为基准，因BTA机床无法圈孔定心，所以二次装夹后水平正需要借助找正销轴。因管板平面度直接影响钻孔过程中油密封效果，进而影响油液压力、进入孔内的油流量及排屑效果，所以管板精加工时的平面度应严格控制。管板加工时应根据管板材质结合切屑及功率曲线进行切削参数调整，以形成“C”型切屑为最佳切削状态，但还需结合实际加工时机床稳定性来考虑。针对带堆焊层的管板，应分层调整切削参数。钻孔过程中及钻孔后应采用内径百分表、孔径检棒及孔距检测仪对孔系进行100%检验。

4.管板换热管孔孔口倒角加工

管板两侧换热管孔孔口倒角，尤其是管程侧倒角质量对后续换热管—管板密封焊有很大影响。此外为防止带堆焊层的管板（SD技术管板）倒角加工过深造成倒角处堆焊层的减薄，应严格控制管程侧倒角深度。我司采用摇臂钻+专用倒角刀进行该位置孔口倒角的加工，首先在摇臂钻上安装定位装置，根据刀具长度及管板平面度情况分区调整定位装置以满足图纸倒角深度，并结合圆角专用检测工具实现加工过程中的深度控制和快速检验，最终深度公差可控制在±0.2mm。

5.支撑板加工

SHELL技术的支撑板为多层板制结构，其上分布有换热管孔及拉杆孔系，其支撑板层与层间孔系的位置度是制造的关键，经过多年制造经验，我司由原来传统的叠钻改为先单件钻孔然后叠镗的方式进行，加工精度及效率都得到了极大提高，此方式要求单件钻孔后应采用定位销将几层支撑板孔系进行校准及定位。SD技术采用的格栅支撑板，格栅开槽后相互交叉进行编织，点焊固定后形成支撑圈结构，所以开槽质量是编织成型的关键，开槽应采用冷加工方式避免激光切割等热加工方式造成格栅条变形。我司采用ISCAR锯片铣刀对格栅条进行成组加工，加工过程中借用胎具对格栅条进行装夹定位，可快速实现成组格栅条定位。

6.管束平头

由于环氧乙烷反应器吨位重、直径大，所以管束各段环缝对拢过程中势必会存在端面倾斜以及管板或管束变形而导致管束两端距离不一致的情况，因此穿管前应将管板按插工艺管确定的管板间距离进行分区，并提前根据管板分区情况使用带锯机对换热管进行长度切割工作，但因管板与换热管密封焊采用自动氩弧焊，其对管束伸出管板长度有要求（一般为5-9mm，以7mm为最佳），所以如果最终组焊口预装配后换热管穿入后长度过长还需进行换热管平头工作。使用管束平头采用坡口机+专用刀片对另一端管束长度进行加工，可根据换热管孔间距及孔径大小选择合适的坡口机完成小空间下的换热管平头作业。

7.结语

本文通过总结我司多年环氧乙烷反应器制造经验，并在制造过程中不断优化工艺方案，使得环氧乙烷反应器的制造不断创造世界之最。

参考文献

[1]朱海昌，耿鲁阳，巩建鸣，等.国产大型环氧乙烷反应器整体结构应力分析[J]. 南京工业大学学报，2014，36（3）：89~93.

[2]赵静玉，翟立宏，赵石军.环氧乙烷反应器国产化研制的意义[J]. 一重技术，2010（2）：13~16.

[3]郭盛恩.加氢环氧乙烷反应器管板锻件热处理工艺研究[J]. 大型铸锻件，2018（3）：35~37.

[4]李春会，张宗尧.SHELL和SD环氧乙烷反应器的对比[J]. 设计与计算，2018（3）：25~27，53.

[5]吕亚臣主编，重型机械工艺手册[M].哈尔滨出版社.