低温管壳式换热器受压元件连接及焊接工艺技术参数

该低温管壳式换热器的主要技术参数见表1,传热面积为60 m2。换热器壳体规格为DN 600mm,材质为16MnDR;管子规格为Φ19×2. 5,材质为16Mn(正火);管板材质为16MnDⅡ。文献附录A中对主要受压元件的要求为:壳体、封头、管板等钢板及换热管、接管用管材在正火状态下使用,并宜采用冷成形或回火温度以下的温成形,须避开钢材的回火脆性区。若在回火温度以上热成形时,应根据需要进行与母材相同或相类同的热处理。

2　壳体与管板的焊接工艺

低温管壳式换热器施焊前应按JB 4708—2000《钢制压力容器焊接工艺评定》进行焊接工艺评定试验,包括焊缝和热影响区的低温夏比(V形缺口)冲击试验。冲击试验的取样方法和合格指标见文献。对于普通管壳式换热器,壳体与管板的焊接方式见图1。

考虑到低温管壳式换热器结构设计应有足够的柔性,连接应平滑过渡,避免截面的急剧变化以降低局部应力,因此壳体与管板的焊接采用对接方式,见图2。焊接完毕后,按JB/T 4730—2005《承压设备无损检测》进行超声波或表面探伤,比例不少于各条焊缝的50%,合格级别为Ⅱ级。最后按技术要求对整台低温管壳式换热器进行整体水压试验,水压试验是换热器受压元件密封连接的最终检验。对水压试验不合格的接头应进行补焊,但一个接头补焊次数不宜超过3次。

图 2　低温管壳式换热器壳体与管板的焊接方式

3　管子与管板的连接方式与工艺

摘要:探讨了低温管壳式换热器的管子与管板、管板与壳体的连接方式及焊接工艺。

关键词:　低温管壳式换热器;　受压元件;　连接;　焊接

中图分类号: TU995　文献标识码: B　文章编号:1000-4416(2008)04-0A21-03

管壳式换热器是应用较广泛的一种换热器。文献附录A规定,设计温度低于或等于-20℃钢制管壳式换热器为低温管壳式换热器。一般管壳式换热器是在圆筒形壳体中放置由许多管子(换热管)组成的管束,管子的轴线与壳体的轴线平行,管子两端固定在管板上。管壳式换热器的管板、管子及壳体是主要受压元件。管板与管子、管板与壳体的连接是管壳式换热器质量控制的关键。如果连接处发生泄漏,将导致两种工作介质混合,轻者损失热量与产品,重者将危及设备与人身安全。本文以唐山化工机械有限公司设计制造的固定管板低温管壳式换热器为例,探讨受压元件连接方式及焊接工艺。

管子与管板的连接方式有胀接、焊接、胀接 焊接等。通常,普通管壳式换热器选用焊接的连接方式,保证管子与管板连接的密封性能及抗拉脱强度。对于规格为Φ19×2. 5的管子,普通管壳式换热器管子与管板的连接方式见图3。

对于该低温管壳式换热器,由于工作介质和使用条件的要求,管子与管板的连接方式选用胀接 焊接。低温管壳式换热器管子与管板的胀接 焊接连接方式见图4。胀接可消除缝隙腐蚀和提高焊缝的抗疲劳性能。胀接按工艺的不同可分为机械胀接、爆炸胀接、液压胀接、脉冲胀接等。机械胀接采用滚珠进行胀管,具有操作简便、制造成本低等优点,因此得到了广泛应用。制造该低温管壳式换热器时采用了机械胀接。

①　试胀

正式胀接之前应该进行试胀。试胀的目的是验证胀管器的质量,验证预定的管子与管板孔的结构是否合理,检验胀接部位的外观质量及接头的密封性能,测试胀接接头的抗拉脱强度,寻找合适的胀管率,以制定出满足质量要求的胀接工艺。试胀应在试胀工艺试板上进行,试板应与产品管板的材料、厚度、管板孔大小一致,试板上管板孔的数量不少于5个。试胀用管子的材料、规格应与产品用管子一致,试胀用管子的长度一般为管板厚度加50 mm。试胀前应根据胀管率计算出管子胀接后的管径,胀管率可按JB/T 9619—1999《工业锅炉胀接技术条件》推荐的计算式进行估算。胀管率应在0. 9% ~2. 2%范围内选取。胀管率小于0. 9%为欠胀,此时管子胀后未产生足够的塑性变形,不能保证胀接质量。胀管率大于2. 2%为过胀,此时管子胀后产生过大的塑性变形,加工硬化现象严重,易导致管子出现裂纹等缺陷,管板也可能产生塑性变形而使胀后的管板不能有效回弹,从而影响胀接接头的性能。胀管率应根据胀接方式而定,制造该低温管壳式换热器时根据试胀结果取胀管率为1%。

胀接过程应由初胀和终胀两步完成,这样可防止一次胀接变形量过大导致管子出现裂纹等缺陷,也有利于提高胀接接头的胀紧度。初胀是消除管子与管板孔间隙的胀接过程,终胀是把管子胀到要求尺寸的胀接过程。

②　工艺试验

工艺试验包括密封试验、拉脱强度试验、解剖检验。密封试验是在专用装置上进行水压密封性试验,检查胀接接头的严密性;拉脱强度试验是检验管子与管板脱离强度的试验;解剖检验是把胀接接头分解后检查胀接处是否存在起皮、皱纹、裂纹、切口和偏斜等缺陷,检查胀接过渡部分是否有突变以及喇叭口根部与管壁的结合状态是否良好,检查管子与管板孔外壁接触表面的印痕和啮合状态。

③　正式胀接

正式胀接之前管子应逐根进行水压试验,对管子端部进行清洗,清除锈蚀、油污等杂物。胀管时应按试胀结果确定合适的胀管率,测量管子端部直径及管板孔直径,并进行合理的分组搭配,保证胀接质量。胀接时管子因受挤伸长对管板产生作用力,胀按顺序安排不合理易导致管板变形。比较合理的胀接顺序是从管板中央区开始胀接,然后放射性向四周胀接。胀接环境也很重要,胀接应在0℃以上进行。胀接时应防止润滑油流入管子与管板孔的间隙中。正式胀接过程应与试胀过程一致,由初胀和终胀两步完成,最后进行焊接。

参考文献:

GB 151—1999,管壳式换热器[S].

GB 150—1998,钢制压力容器[S].2100433B

受压元件是指压力容器(包括承压锅炉）中按几何形状划分的基本承压单元。其设计强度取决于介质压力，例如壳体、封头、接管、法兰、螺栓和管板等。

该类元件的强度直接关系到压力容器的安全性，一旦破坏或失效会造成很大危害，所以对它们的材料选用、设计、制造和检验等均有严格的要求，必须依据国家有关部门颁发的规范、标准进行。 2100433B

锅炉及压力容器受压元件强度直接关系到设备的安全性和经济性。因

此，世界各国都制订了强制性标准。清华大学蒋智翔、杨小昭两教授长期从

事该领域的研究和教学，并参与了我国标准的制订，对于标准的阐释，他们

是绝对权威。此书填补了我国这类图书长期断档的空白，既介绍国外强度计

算标准，又落实贯彻我国标准。其内容包括受压元件材料的力学性能、典型

受压元件应力及稳定性分析、典型受压元件的强度计算和受压元件应力及

强度分析的一般方法等四大部分。

本书可供锅炉及压力容器行业工程技术人员、劳动监察部门的检验人

员、大专院校相应专业师生使用，也可作培训教材。

分汽缸主要受压元件为：封头，壳体材料等。