换热器管子和管板焊接接头浅见分析

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1、换热器管子和管板焊接接头浅见分析史建涛（江苏省特种设备安全监督检验研究院苏州分院 ,江苏 苏州 215128） 摘要:通过对管板换热器设计参数、介质特性、使用环境以及承载情 况的分析研究 ,比较不同焊缝接头形式以及焊接工艺过 程的选择对 最终焊接质量的影响,同时阐述了合理的焊缝检验工艺对于确保在焊 接前、焊接过程中以及焊接完成之后保证焊接质量 的重要意义,总结 出管板换热器管子和管板焊接接头在制造过程中的关键控制点。 关键词:管板换热器;焊接接头;焊接质量;焊接检验工艺 管板换热器是利用传热原理,通过对冷、热物料与被加热或 冷却的介 质进行逆向流动,即热交换,从而达到物料被冷却或加 热作用1。

2、由 于其结构简单 ,制造成本低,能得到较小的壳体直 径,管程可分成多 样,壳程也可用纵向隔板分成多程,规格范围 广,可用作蒸发器、加热 器、冷凝器和冷却器等,在工程中应用十 分广泛。作者在参与某德国 U 公司石化项目过程中,有幸作为现场 监造到广 东省茂名重力石化机械制造厂进行制造过程的质量监 检。由于此项 目合同中要求设计由德国公司负责，图纸细化则 由CPM（重力石化机 械制造厂简称）完成, 且 CPM 负责全程的制 造质量, 而且该德国公司 此次采购的主要设备为管板式换热器 ， 设计中采用了德国公司的企 业标准，因此对于制造厂而言，要准 确理解德国公司的企业标准，并 且利用现有的设备及人员

3、完成 不同于国标要求的石化设备相应难度 加大。而在管板换热器的 制造过程中,换热管与管板的连接是整个制 造过程中的关键环节。1 管子- 管板连接型式 换热管与管板的连接方式有胀接、焊接、胀焊并用等型式。 常用的 工艺制造方法有强度胀接、贴胀、强度焊以及密封焊。强 度胀接指 为保证换热管与管板连接的密封性能以及抗拉脱强度 的胀接;贴胀 指为消除换热管与管孔之间缝隙的轻度胀接 ;强度 焊指保证换热管 与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接 ; 密封焊指保证换热管 与管板连接密封性能的焊接2。目前对常 规的换热管通常采用“贴 胀+强度焊”的模式;而重要的或使用 条件苛刻的换热器则要求采用 “强度胀+

4、密封焊”的模式。胀、 焊并用结构按胀接与焊接在工序中 的先后次序可分为先胀后焊 和先焊后胀两种。对于常规设计的“贴 胀+强度焊”可采用先胀 后焊的方式,而对特殊设计的“强度胀 +强 度焊”则可采用先贴 胀,再强度焊,最后强度胀的方法。对于先焊后 胀工艺,控制管 子与管板孔的精度及其配合为首要的问题。当管子与 管板腔的 间隙小到一定值后 ,胀接过程将不至于损伤到焊接接头的 质量。此次该德国公司在 CPM 采购的九台固定式管板换热器筒 体最高工作 压力为6MPa,最高工作温度为265C ;换热管最高工作压力为076, 最高工作温度为385C，介质均为无毒石化行业 反应物料，故该批换 热器设计上采用

5、了换热管与管板焊接的连 接工艺。2 管子-管板焊接接头换热器由于处于受压、介质有腐蚀性、流动磨蚀,尤其是固 定管板换 热器,还有温差应力 ,管板与换热管联接处极易泄漏 , 导致换热器失 效。目前,管板与换热管联接有三种方式:焊接、 胀接、胀接加焊接 焊接因管板加工要求低 ,制造工艺简便,有 较好紧密性,应用较为普 遍。而换热管与管板的焊接接头质量 好坏,将直接影响换热器制造质 量。21焊缝接头形式焊缝接头形式有对接接头、角接接头、塞焊接头和T型接 头。这些 接头可采用各种坡口形式，如I型、v型、半v型，x型或K型、J型 和 U 型。在两种或多种接头中选择一种接头, 一般取 决于设计需要, 但也

6、应考虑焊接成本。由于设计采用的德国公 司的企业标准， 故该标 准中管板与换热管焊接接头的相关规定 就相当重要。以下几种接头 型式为德国公司标准中推荐的焊接 接头型式， 同时该标准还规定， 若 选择其他类型的焊接接头型 式， 需得到德国公司的书面批准。T1t-閤1下同焊缝接头形式其中图1a所示的焊接接头适用于换热管壁厚S为1 2mm且管端伸出 长度X为01mm,或者S为226mm且管端伸出 长度X为23mm的 薄壁换热管焊接,并且推荐在焊接之前对 换热管管端进行轻微的胀 接（胀管率W1% ）;图1b所示焊接接 头连接型式适用于换热管壁厚 S26mm且管端伸出长度X$ 15S（若焊缝高度达到换热管

7、管端， 则管端伸处长度至少为6mm）;图1c所示焊接接头型式中，焊缝坡口 角度为60,坡口深 度与换热管壁厚相同，且管端伸处长度为01mm; 若采用图 1d 所示的换热管内陷的焊接接头型式，则焊缝坡口角度为 45，坡口深度a为换热管壁厚S+1mm，换热管内陷深度X为坡口深 度a-1mm;图1e所示焊接接头型式采用U形坡口 ,坡口深度a上 l5mm，换热管壁厚S$25mm，换热管管端伸处长度X2S，并且 此 类焊接接头型式适用于承受高压的换热器。图 1f 所示焊接接头型式 适用于钛及其合金制造的换热器,其换热管壁厚SW l5mm，管板开 槽深度 a 为换热管壁厚的 12 倍, 且开槽边缘与换热管

8、外边沿距离 d 等于换热管壁厚 S。由于角焊缝的优点是熔深较深 , 熔敷层均匀, 外观优美, 故 采用角焊 缝焊接时, 尽可能置于平焊、船形焊位置, 可使焊缝表 面平或微凹。 减少角焊缝的凸出高度, 既节约焊材, 又提高构件 的疲劳性能。凹形 角焊缝具有最小的外部缺口效应, 因此优先 用于承受动载的构件中, 但一般只能在船形焊位置焊接时用到。 而不等腰角焊缝常用于端面 焊缝的焊接, 目的是减少缺口效 应3。按照设计图纸要求并参考制 造单位设备情况选择焊接接 头之后, 还要使用专业的计算软件对设 备整体受力进行力学性 能计算, 待计算结果合格之后方可下料, 在相 应的焊接性能试验通过之后即可安排

9、现场制造。如图 2 所示, 采用自 动焊机, 管板 与换热管在工装上固定, 焊接操作者需具备相应资质方 可操作。图图 3 所示为现场焊接情况, 考虑到开孔距离以及焊接过程 的 热影响, 制造厂需合理安排焊接顺序 , 尽可能避免焊接过程中相 邻焊缝之间的热影响以及应力过度集中情况。22管板与换热管焊接的质量问题管板和换热管焊接接头受力情况复杂 ,并且换热器本身在 制造中工 序多,要求高,有些方面常被忽视,容易产生缺陷,在次 数少的超压检 验难发现。由于焊接缺陷极易诱发扩展,故制造 过程中的焊接质量问 题对于换热器极为重要。常见的质量问题 有以下几类:(1) 焊接长度不符合规定 制造时管板加工坡口

10、常偏小,当壁厚增加还须适当增大,而 实际却往 往达不到。另外换热管伸出长度也无法准确达到设计 要求。实际制 造过程中由于组装、下料控制不好等因素,甚至有 些焊工焊接习惯原 因,也经常达不到所要求尺寸。这样焊接长 度必然小于规定要求,其 承载能力下降。(2) 焊接前处理方法不好 在制造过程中常见碳钢换热管管端清理不彻底或管头清理 后较长时 间搁置导致生锈,从而导致焊缝中杂质增多,极大影响 了焊接质量。(3) 焊接方法不当 采用手工电弧焊时,引弧和熄弧直接发生在角焊缝上,或者 在管板垂 直位置焊接使焊缝一次成形,都会直接导致夹渣和气 孔缺陷的产生。 为了有效防止在制造过程中产生的相关缺陷,针对上述

11、问 题,必须采 用合理的加工工艺和时间安排。首先,需严格保证管 板开孔尺寸符合 设计要求,在完成管板加工之后立即进行组对 焊接;要认真测量换热 管伸出长度,不符合要求的需立即调整 ; 其次,在施焊前用钢丝刷清 理或压缩空气吹净等方法,使待焊接 区域露出金属光泽,做好焊前清 理工作以待施焊。在手工焊接 过程中,需严格按照焊接工艺卡中要求 的焊接参数,选择合理的 焊接电压、焊接电流和焊接速度,并且在焊 接操作过程中使每根 焊条焊完整条焊缝后在四孔中间三角区引弧和 熄弧;对于自动 焊接需严格确保不同层焊缝起止点不得重叠,以避免 焊接缺陷 和应力集中情况的产生。对于碳钢换热器应采用双层焊接, 即 在完

12、成管板和换热管的第一层焊缝之后 ,清理焊缝表面 ,根据工 艺要求采用直接肉眼检查或着色等方法检查 ,确保无缺陷后再 进行 第二层焊缝的焊接。采用合理的焊接工艺过程,一方面可 以使焊接接 头尺寸达到设计要求,通过中间检查,还可以有效地 消除隐藏的焊接 缺陷,从而保证换热器和管板焊接接头质量。对于一些耐蚀性能好的 不锈钢材质并且需要用氩弧焊来保证焊缝质量的换热器,也应选择合 理的焊接工艺和来保证焊接接头质量。3 管子- 管板焊接接头的检验 换热管和管板焊接接头受力情况比较特殊 ,除了受管程和 壳程压力 差外,还有管板变形,特别是固定管板换热器还有温差 应力。另外由 于角焊接头本身具有应力集中 ,存

13、在焊接热应力 , 虽有自限性,但管 板为密集开孔 ,焊接时热影响大 ,应力集中点 多,微裂纹产生可能性 大4。制造时虽有一段时间超压试验检 漏,但在实际使用中,承受管 程和壳程升卸压等压力波动和温度 变化,焊接产生的气孔、夹渣、微 裂纹在类似疲劳载荷作用下 ,会 迅速扩展,造成泄漏,特别当焊缝厚 度薄时,承受能力更为不足。因此对于换热管和管板焊接接头的检查 就极为重要,实际制造 过程中的检验可分为焊前检验、焊中检验和焊 后检验三个阶段。31焊前检验主要检验内容有:尺寸公差检验、清洁度检验、管子伸出高 度检验和 点固焊检验。32焊中检验检验内容为:焊接起弧与收弧点检查、焊接规范检验以及第 一道焊

14、道 与第二道的熔深与成型情况检查。33焊后检验其主要的检验内容有:焊缝的外观与成型检验、换热管与管板接头的 气密试验或渗漏检验、表面MT或PT检验、射线无损 探伤检验和水 压试验检验。4结论(1) 换热器管板与换热管连接型式应依据设计参数、介质特 性、使用 环境以及承载情况选择胀接、焊接或者胀焊并用的连接方式。(2) 换热管与管板的焊接接头质量直接影响换热器制造质 量,焊缝接 头型式以及焊接工艺过程的选择对最终焊接质量都有极大的影响。(3) 应制定合理的焊缝检验工艺,确保在焊接前、焊接过程 中以及焊 接完成之后的焊接质量。参考文献1 刘盛宾列管换热器M 北京:化学工业出版社，2000, 52 管壳式换热器MGB151-19993 李艳浅析焊接接头J 企业技术开发，2007, 34 林虹管壳式换热器换热管与管板焊接工艺J 安装，2002,