换热器管子和管板焊接接头浅见分析

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]。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+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265℃;换热管最高工作压力为0·76,最高工作温度为385℃,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。

2·1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。

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0~1mm,或者S为2~2·6mm且管端伸出长度X为2~3mm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≤1% );图1b所示焊接接头连接型式适用于换热管壁厚S>2·6mm且管端伸出长度X≥ 1·5S(若焊缝高度达到换热管管端,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0~1mm;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≥ 1·5mm,换热管壁厚S≥2·5mm,换热管管端伸处长度X≥S,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S≤ 1·5mm,管板开槽深度a为换热管壁厚的1~2倍,且开槽边缘与换热管外边沿距离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。

2·2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