一种多腔焊唇密封结构换热器制造技术.pdf

-81-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024中国科技信息 2024 年第 6 期三星推荐背景换热器是石油化工、生物工程等工业装置的核心设备，对于设计压力偏大、不需要拆装，拆装困难，或介质毒性危害程度为极度、高度危害的设备，设计图纸中常会见到焊唇结构密封形式，以此最大限度地减少或杜绝设备泄漏问题，保护人民的生命和财产安全。例如，近几年我们公司生产的蒸汽过热器设备，其中管箱法兰和管板之间就采用了较为先进可靠的焊唇密封结构进行设备密封。因其结构特殊，需要二次焊接，焊接空间狭小，容易因焊接变形，导致元件报废，通过对圆形空腔式密封焊元件定位方法、焊材、电压、电流、焊速和焊接顺序的选择，有效地控制了密封焊元件的焊接变形和焊缝密封性，确保设备不易泄漏。焊唇密封结构原理和特点焊唇密封结构原理焊唇密封结构是指在两个连接密封面之间不加其他垫片，采用特制的金属环和两个密封面通过焊接进行密封的密封形式。圆形空腔式密封焊元件见图 1，其他形式密封焊元件详见钢制化工容器强度计算规范（HG/T20582-2020）。焊唇密封结构特点由于一般法兰面和垫片之间存在着细微间隙，对渗透力强的氨气、氢气等介质，实现完全密封不致泄漏十分困难，而采用焊唇密封结构将彻底切断泄漏通道，可有效提高设备安全保障。和其他密封形式相比，焊唇密封结构优点具有使用周期长、结构可靠、密封严密性高、不易泄漏等。缺点造价高，不易拆卸更换。蒸汽过热器设备结构和特点蒸汽过热器是由管程、壳程及附加在壳程进口和出口上行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种多腔焊唇密封结构换热器制造技术高 博 朱明霞高 博 朱明霞西安航天华威化工生物工程有限公司图 1 圆形空腔式密封焊元件中国科技信息 2024 年第 6 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024-82-三星推荐的伴热管组成，见附图 2，设计参数详见表 1。表 1 蒸汽过热器设计参数名称管程壳程伴热管设计压力 MPa4.00.671.872设计温度420420420材料Q345RQ345R 2020工作介质混合器水、蒸汽水蒸气容积 m310.20.73换热面积 m2260蒸汽过热器管箱和管束及进出口伴热管加工严格按设计图纸工艺文件要求组装、焊接、检验，待管箱热处理完成后，再组对焊接圆形空腔式密封元件，密封焊元件不需要焊后热处理。管束耐压试验合格后，组对焊接密封焊元件。管箱法兰和管板与圆形空腔式密封焊元件焊接要点和方法单个密封焊元件组对及焊接焊前准备及焊接圆形空腔式密封焊元件分别与管箱法兰和管板焊接时，需要用特殊的弓形夹具对圆形空腔式密封元件进行刚性位置固定，同时确保定位尺寸，压紧密封元件内焊环，并对圆形空腔式密封元件内焊环按表 2 焊接工艺参数，采用 SMAW焊条电弧焊多点对称定位及焊接，严格控制焊接变形，保证焊缝质量（指定有经验的焊工焊接），以确保密封元件焊后密封性，避免因定位和焊接使密封元件发生位置偏移，导致后续工序无法进行，焊接完成后拆掉弓形夹具。焊接工艺参数选择焊接技术要求图 4 密封元件焊唇图 3 密封元件焊环表 2 焊接工艺参数焊接方法焊材牌号规格电源极性焊接电流（A）电压（V）焊接速度（cm/min）焊接层数SMAWE50154.0直流反接1501024212 153图 2 蒸汽过热器焊前清理待焊部位及两侧表面20mm范围内铁锈、油污、水分等杂质，层间焊渣清除干净，分段对称焊接，焊后去渣皮、飞溅，层间温度 T 300。密封焊元件焊环角焊缝检测要求圆形空腔式密封焊元件焊环焊后平整不变形，内角焊缝圆滑，不允许有咬边、裂纹、夹渣、气孔、弧坑等缺陷，按 NB/T47013.5-2015 对内角焊缝进行 100%着色检查，PT-I 级合格附图 3（密封元件内焊环）。密封焊元件之间组对及焊接焊前准备及焊接圆形空腔式密封焊元件焊唇之间的焊接附图 4（密封元件焊唇），先将焊有密封元件的管板和法兰部件按照设计图纸和方位要求组装对齐，用设备相应紧固件均匀布置给予管板和法兰相应的预紧力连接，使圆形空腔式密封件内焊环之间紧密贴实，且密封件外焊唇处于自由待焊状态，具备焊接条件，按表 3 焊接工艺参数，采用 GTAW 氩弧焊定位及焊接，外焊唇焊完部分用紧固件连接，使外焊唇处于压紧或自由状态，同时观察并保证内焊环始终贴紧，防止外焊唇焊缝因受管板和法兰通过密封件焊环传递轴向和径向的拉应力而开裂，均布拆开外焊唇未焊处紧固件，同方法同要求焊接其余密封元件外焊唇。焊接工艺参数选择焊接技术要求焊前清理待焊部位及两侧表面 20mm 范围内铁锈、油污、水分等杂质，层间清除干净，分段对称焊接，层间温度T 300。密封焊元件外焊唇焊缝检测要求圆形空腔式密封焊元件外焊唇焊缝焊完后圆滑，焊缝余高符合 GB150.4-2011 中表 3，不允许有咬边、裂 纹、夹渣、气孔、弧坑等缺陷，按 NB/T47013.5-2015 对焊缝进-83-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2024中国科技信息 2024 年第 6 期三星推荐行 100%着色检查，PT-I 级合格，保证圆形空腔式密封元件焊接密封性，附图 5（圆形空腔式密封焊元件焊缝简图）。蒸汽过热器组装和试验按照设计图纸和工艺文件要求对进出口伴热管组装、焊接、检验，组装时注意设备进出口方位，试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排空，试验过程中应保持容器表面的干燥，便于观察。当容器壁金属温度与液体温度接近时，才能缓慢升压至设计压力，确认无泄漏后继续升压到设计规定试验压力，保压足够时间进行检查，保压时间一般不少于 30min，然后降至设计压力，进行液压试验时，以设备无渗漏，无可见变形，无异常响声为合格，液压试验完毕后，应用压缩空气将设备内部吹干。圆形空腔式密封焊元件受力分析根据图 6，密封焊元件通过角焊缝与管板和法兰连接，两个密封焊元件外焊唇对接，并进行焊接。圆形空腔式密封元件受介质压力P、法兰支持力P、管板支持力P和焊缝拉力，经过螺栓紧固，给予管板支持力 P、法兰支持力 P，管板支持力 P 与法兰支持力 P 相互平衡，使得密封焊元件内焊环接触面贴紧，外焊唇处于自由状态，密封元件内焊环之间间隙非常小，间隙内介质对内焊环的压力与法兰和管板对内焊环的支持力相比可以忽略，因此，内焊环只考虑设备内介质径向压力P、角焊缝拉力。参考钢制化工容器强度计算规范（HG/T20582-2020），考虑外焊唇的壁厚时，由于压力、温度、腐蚀性等因素，依据计算值适当选择壁厚。密封元件外焊唇对接焊缝焊接完成后，外焊唇形成一个圆形密封空腔，外焊唇受外焊唇腔体内介质径向压力 P 和外焊唇焊缝拉力。由于圆形空腔式密封元件内焊环和外焊唇是一个金属环整体，而当螺栓紧固力不够时，内焊环间隙变大时，作用在外焊唇焊缝受最大径向介质压力增大，易导致焊唇焊缝易开裂。当圆形空腔密封焊元件直径或设备内介质压力较大时，作用在密封焊元件内焊环和外焊唇上介质压力越大，内焊环与法兰、管板之间角焊缝平衡内焊环介质径向压力，焊接时注意焊角高度满足设计要求。圆形外焊唇密封腔受外焊唇内介质径向压力、外焊唇焊缝拉力。圆形外焊唇密封腔内介质压力较大，作用在外焊唇焊缝上的拉力越大。当外焊唇焊缝拉力大于腔内介质压力，且螺栓紧固件给予管板、法兰足够压紧力，管板和法兰作用在内焊环上的支撑力相互平衡，使内焊环间无间隙或间隙非常小，圆形空腔式密封焊元件将起图 6 圆形空腔式密封焊元件受力情况图 5 圆形空腔式密封焊元件焊缝简图表 3 焊接工艺参数焊接方法焊材牌号规格电源极性焊接电流（A）电压焊接速度（cm/min）保护气体流量（L/min）焊接层数GTAWER49-12.0直流正接1101022212 1310 152到非常有效的密封作用。当圆形空腔式密封焊元件直径或设备内介质压力较小时，作用在密封焊元件内焊环和外焊唇的介质压力就越小，内焊环和外焊唇壁厚满足设计强度要求，密封焊元件不会发生位移，外焊唇密封腔更不会发生变形，而使密封焊元件达到密封目的。由上述可知，在设备制造时，必须按设计及制造工艺要求把紧设备紧固件，防止因介质压力过大，导致焊缝开裂，造成泄漏。结语通过蒸汽过热器制造过程中对密封元件定位、焊接、检测和受力分析，比较清晰的掌握了焊唇密封结构原理、特点和圆形空腔式密封焊元件的焊接要点与方法，对类似密封结构形式设备制造和零部件加工，有积极的参考价值。