列管换热器壳程进出口变径段的设计与制造.pdf

?第 2期?2008年 3月中?氮?肥M?Sized N itrogenous Fertilizer ProgressNo?2M ar?2008设备管理与改造列管换热器壳程进出口变径段的设计与制造王均有(陕西兴化集团有限责任公司,陕西 兴平?713100)?摘?要 介绍了列管换热器壳程进出口反向曲线变径段的设计和制造程序,总结出在标准椭圆封头中心开孔的两个经验公式。利用标准椭圆封头胎具,采用二次冲压成形工艺,缩短了制造周期,大大降低了制造成本。?关键词 反向曲线;变径段;设计;制造;经验公式;二次冲压?中图分类号 TQ 051?5?文献标识码 B?文章编号 1004?9932(2008)02?0044?05收稿日期 2007?08?21作者简介 王均有(1952?),男,陕西商洛人,高级工程师。Design andManufacture ofReducing Inlet and Outlet ShellNozzlesofTubularHeatExchangerWANG Junyou(ShaanxiXinhua Group Co?,Ltd,Xinping 713100,China)Abstract:This paper introduces the procedure for design andmanufacture of reverse?curved reducing inlet andoutlet shell nozzles,brings out t wo experienced for mula for hole opening at center of standard elliptical head?Them anufacture ti me and cost can be sharply reduced by adopting two ti m es punch shaping processw ith theaid of the mould of standard elliptical head?KeyW ords:reverse?curve;reducing nozzle;design;manufacture;experienced for mula;two ti mes punch1?概?述在石油化工生产中,管换热器一直作为传统的标准换热设备占居着主导地位。其优点是材料选用范围广、易于制造、适用性强、处理能力大,能承受高温、高压,管内清洗容易,结构较紧凑,适用于较大的传热面;缺点是壳程进、出口与管板间存在滞流区,减少了有效换热面积。为此,在设计列管换热器时应着手解决该设备存在的不足之处,即在该类换热器壳体两端的进出口部位设置变径段,内部设计一导流筒,以改变流体的进出方向,消除壳程进、出口与管板间的滞流区,使有效换热面积增大,即在原有换热面积不变的情况下,使换热效率得到提高。但是,变径段的制造比较复杂,不同规格的变径段必须设计、制造出不同规格的胎具,利用胎具方可压制出不同规格的变径段。这样,无形中就提高了设备的制造成本。基于降低成本的原则,先从设计着手,按反向曲线形式设计变径段,制造时采用标准椭圆封头中心开孔,二次冲压而成,免除了反向曲线变径段胎具的设计和制造,减少了胎具的设计、制造费用及材料费用,而且缩短了变径段的制造周期,使变径段的造价下降了 50%以上。多年来,经笔者设计和制造的反向曲线变径段有 280多件,先后应用于 70多台固定管板式换热器的制造和改造之中,换热效果提高明显,为企业创造了可观的经济效益。根据多年的设计和制造经验,笔者总结出了反向曲线变径段的设计和制造经验公式以及反向曲线变径段的制造工艺程序,现分别叙述如下,相信对提高同类设备的设计、制造水平,确保反向曲第 2期王均有:列管换热器壳程进出口变径段的设计与制造 45?线变径段的设计和制造质量定会有益。2?设?计在保证强度和操作安全性的前提下,变径段的设计唯一需考虑的是就制造成本的问题,也就是经济性问题。变径段的设计形式有 5种(见图 1):大小端都带折边的整体锥壳形式(a),大小端无折边与锥壳的焊接形式(b),大端带折边小端无折边的焊接形式(c),小端带折边大端无折边的焊接形式(d),大小端带折边的整体反向曲线形式(e)。变径段形式的选择应根据工艺介质进出口方位和设备安装位置及制造条件而确定。本文以大小端带折边的整体反向曲线形式(e)的变径段的设计为例做一简单介绍。考虑到反向曲线变径段的制造周期长、费用高,故而采用了比对设计法,借用标准椭圆封头中心开孔、二次冲压的设计思路,利用标准椭圆封头的制造胎具制造出反向曲线变径段,大大缩短了变径段的制造周期,使变径段的造价下降了50%以上。在设计反向曲线变径段时,必须严格按 GB150!钢制压力容器 的规定进行,并按大小端带有折边的形式设计。其形式如图 2所示,厚度(?)分别按下列 3个公式计算,取其中较大值作为变径段的设计厚度。图 1?变径段的 5种形式图 2?反向曲线变径段?=kpD大2?t-0?5p(1)?=fpD大?t-0?5p(2)?=QpD小2?t-p(3)式中?k、f?系数,与 R/D大及!有关;p?设计压力,MPa;46?中 氮 肥第 2期D大?变径段大端内径,mm;D小?变径段小端内径,mm;?t?材料在设计温度下的许用应力,MPa;?焊缝系数;?!?反向曲线相切线与变径段轴向中心线的夹角,(#);?Q?应力增值系数,与 p/?t、和!有关。以上系数可在 GB150!钢制压力容器 中查到。当进行变径段的强度计算时,需要知道变径段大端曲率半径 R 和小端曲率半径 r的具体数值,这一数值取决于标准椭圆封头生产厂家的制造胎具。不同规格的标准椭圆封头胎具的曲率半径各不相同,要取得这些数据是有一定难度的,这就要求各设计人员经常深入制造现场,了解和实测各种规格标准椭圆封头的曲率半径,并善于思考,不断总结,日积月累的经验会使您在设计时得心应手,从而设计出结构合理、安全可靠、制造周期短、成本低的整体式反向曲线变径段。3?制?造由于反向曲线变径段是按标准椭圆封头中心开孔、二次冲压成形设计的,所以,制造时按设计图纸尺寸及制造技术要求进行,无须设计制做整体反向曲线变径段专用胎具,只是借用标准椭圆封头的制造胎具分两次冲压而成,因此大大缩短了反向曲线变径段的制造周期,其造价也大大降低。3?1?毛坯展开下料反向曲线变径段的毛坯展开下料可按标准椭圆封头的近似展开下料公式进行计算,即:D0=1?2 D大+2h大+S式中?D0?毛坯展开料直径,mm;D大?变径段大端内径,mm;h大?变径段大端直边高度,mm;S?变径段名义厚度,mm。整体反向曲线变径段是按最佳、最经济方案设计的,若能编制出最佳、最经济的制造工艺路线,将进一步节省变径段的制造费用。所以,对于毛坯展开直径应考虑是否拼接,拼接后的合理性和经济性应准确,否则将适得其反。若采用拼接方案,则不允许存在十字焊缝,且最小拼接宽度应大于变径段总高度的 1?2倍,这是为了避免在圆弧过渡处存在焊缝,减少焊接和压制成形过程中产生应力集中的缘故。3?2?焊接坡口设计对于拼接的反向曲线变径段,焊接坡口一般采用等厚度连接的 Y型坡口或双 Y 型坡口,其坡口形式如图 3所示。图 3?焊接坡口形式?Y型坡口和双 Y型坡口一般适用于厚度 26 mm 对接焊缝,这两种坡口底部都要有一钝边,以托住熔化了的钢水。坡口角度取 55#为宜,这一取法符合国家标准规定的角度范围。焊接接头经拉伸、弯曲、冲击等机械性能试验,完全符合国家标准规定值。在设备制造中,笔者对 60#Y型坡口与 55#Y型坡口的 26 mm 厚对接焊缝做了比较,二者所消耗的焊接材料分别为 7 060 g/m和 6 950 g/m,即相同厚度下,55#Y型坡口比 60#Y型坡口每米可节省 110 g焊接材料,相应也减少了焊接工作量,缩短了制造周期,同时也缩小了焊接热影响区,改变了焊缝的受力状况。再将双 Y型 55#坡口与 Y 型 55#坡口的 26mm厚对接焊缝中做一比较,二者所消耗的焊接材料分别为 4 567 g/m 和 6 950 g/m,即相同厚度下,双 Y型 55#坡口比 Y型 55#坡口每米节省2 383 g焊接材料,这也是相当可观的,同时双第 2期王均有:列管换热器壳程进出口变径段的设计与制造 47?Y型坡口在板的两面对称施焊,焊缝两面受热均匀,从而减小了焊接变形和焊接内应力。10多年来,笔者共参与编制了 488台压力容器的制造工艺技术文件,其中板厚在 16 26mm的压力容器 158台,对此厚度范围内的压力容器对接焊缝,全部要求按双 Y型 55#坡口加工制造,仅此一项就节约焊条 13?5 t(其中节约不锈钢焊条 6,t 节约碳钢焊条 7?5 t),按当时价格计算,等于节省制造费用 27万元,相当可观,这也是笔者强调采用双 Y型 55#焊接坡口的原因所在。3?3?无损探伤对于拼接的变径段或封头,根据有关技术规定,其焊缝的无损探伤采用先探伤后成形或先成形后探伤都是允许的。可是,在多年的制造过程中,笔者对拼接的 20件变径段和封头进行比对试验,发现先成形后探伤的 10件变径段和封头中有 2件在圆弧过渡区的焊缝表面存在不同程度的裂纹和气孔,打磨补焊后探伤合格,但返修后的变径段内径已严重变形,故采取了再次局部加热,并辅以手工敲击的办法进行校圆而成形;在先探伤后成形的 10件变径段和封头中,以抽查的方式进行局部 X射线探伤,未发现任何缺陷存在,而且避免了因焊缝返修带来的变形等诸多问题。自此以后,凡是拼接的变径段或封头,一律采用先 100%X射线探伤,合格级别与筒体要求相同,待合格后再进行压制成形,压制成形后再对圆弧过渡处进行局部 X射线探伤抽查。对先后制造成形的 1 500多件各种形式的变径段和封头进行局部 X射线抽查探伤中,仅发现 2件焊缝表面存在微小裂纹,经打磨合格。拼接的反向曲线变径段的无损探伤适用于上述的%先探后查&方法,即在成形之前先 100%X射线探伤,合格级别与筒体要求相同,探伤合格后再进行压制成形,压制成形后再对圆弧过渡处进行局部 X射线探伤抽查。3?4?成?形3?4?1?一次冲压反向曲线变径段的一次冲压是按标准椭圆封头压制成形的,这样做的目的是减少制造成本,即免除了反向曲线变径段专用胎具的设计和制造费用,而且缩短了变径段的制造周期,使变径段的造价下降 50%以上。3?4?2?中心开孔直径的确定在标准椭圆封头中心开孔,其开孔直径的确定极为关键。开孔直径过大,在二次冲压后会导致变径段总高尺寸减少,甚至无直边,造成无法组对;开孔直径过小,则易造成直边或圆弧在二次冲压过程中出现裂纹。无论二次冲压出现哪种现象,都存在反向曲线变径段报废的可能性。笔者通过多年的设计和制造积累的实践经验,总结出制造反向曲线变径段中心开孔的经验公式,从此结束了采用展开作图法确定开孔尺寸的历史,也使设计人员从复杂而繁琐的展开作图法中解脱出来,开孔尺寸的准确率由原来的 80%提高到100%,而且在 280多件反向曲线变径段的制造中全部获得成功。开孔直径的经验公式如下:D开=D小-(1?57r+2h小)式中?D开?开孔直径,mm;D小?变径段小端内径,mm;r?变径段小端圆弧半径,mm;h小?变径段小端直边高度,mm。这一经验公式的推出为制造变径段的开孔直径计算带来了极大的便利,节省了人力、物力及制造费用,具有极强的实用价值。3?4?3?开孔方法当开孔直径确定后,就可以在标准椭圆封头中心开孔了。开孔的方法有 2种:一是利用立车直接开孔,另一种是采用手工划线气割法开孔。立车开孔就是将标准椭圆封头置于立车工作台上,经找正加紧后,按所要求的开孔直径车出。此种方法的操作比较简单、快捷、准确率高、误差很小,加工表面光滑,有利于二次冲压成形,无变形,并能够保证大小端的同心度,是开孔的首选方法。手工气割开孔必须事先在标准椭圆封头上划好气割线,操作人员按气割线进行气割开孔。这种方法主要用于无立车或立车最大回转半径所限的情况。此方法划线找正比较麻烦,因为必须具有划线平台和划线工具才能完成这一工作,所以划线之前必须将标准椭圆封头置于划线平台上,然后找出封头内壁至所开孔水平面之间的弦高,垫一弦高为 h的圆形垫铁,垫铁应与椭圆封头顶部内表面紧密相贴,使其与开孔水平面相重合后再找封头中心点,以中心点为圆心,按所开孔半径划圆即可。但是找弦高的方法较为繁琐,需反 48?中 氮 肥第 2期复调整垫铁的高度,而且误差较大,精确度达不到设计要求,易造成二次冲压裂纹或报废。笔者通过实测各种规格的椭圆封头内弦高并与作图法测得的各种规格椭圆封头开孔的弦高进行比对分析,发现都与椭圆封头的曲率半径(R)及内径(D大)有关,且 R/D大近似等于 0?9,也就是说椭圆封头的短半轴等于 0?9倍的椭圆封头内径,从而总结推导出弦高的经验公式为:h=0?9 D大-(0?9 D大)2-(D开2)2利用此公式直接计算出开孔弦高尺寸,为划线操作带来极大的方便,节省了大量的划线时间,提高了划线速度,使划线准确率由原来的80%提高到 100%。在采用手工气割时,内径尽可能光滑一些,在气割后应手工打磨内孔,以利二次冲压成形,否则易造成二次冲压大小端不同心、椭圆或裂纹等缺陷。3?4?4?二次冲压成形反向曲线变径段的二次冲压是利用标准椭圆封头的胎具经二次冲压而成。二次冲压时,必须将封头置于下胎具之上,经找正,使上胎具中心线与封头和下胎具中心线重合,否则冲压时会产生偏心、裂纹甚至报废。3?5?平台划线与机械加工3?5?1?平台划线由于反向曲线变径段的成形过程经历了两次冲压,有可能造成大小端不同心,因而必须在机加工之前将其找正,划出加工线及检查线,然后立车可根据加工线进行加工和检验。其平台划线找正步骤如下。(1)将曲线变径段小端向下、大端向上置于工作平台上。(2)在反向曲线变径段中心竖一垂直工作台面的中心轴,且能够在外力作用下沿工作台面自由移动,也就是说随时能够调整中心轴的位置。(3)用直尺测量中心轴是否处于中心位置,测量时须在变径段小端直径方向的 0#、90#、180#、270#4个方向分别测量,来回调整中心轴位置,使其所处位置距小端内壁的距离在 4个方向上相等。(4)在上述步骤调整测量完毕后,方可测量大端 4个方向上的中心距。若中心距不等,则用斜铁在变径段最大距离方向垫起。垫斜铁时须防止变径段移位。若有移位,应重新测量调整中心轴,使其处于中心位置,然后再分别测量变径段大小端的中心距,并用调整垫铁的方法来达到大端在 4个方向上的中心距相等。测量时先从小端至大端,再从大端至小端,反复调整、测量,确认大小端同心后方可进行下道工序。(5)经检验确认大小端同心后,根据图纸上的高度尺寸划变径段的高度加工线、检查线(供检验人员检验尺寸所用之线)。3?5?2?机械加工反向曲线变径段的机械加工有 2种方法:一是采用立车按加工线车削加工;另一种是手工按加工线气割,再用砂轮打磨来达到图纸所要求的尺寸。首选立车加工法,其次是手工加工法。手工加工法是机加工受限时才使用的方法,尽可能不用。3?6?编号测量记录反向曲线变径段再加工完毕后,检验人员应将其分别编号,将大小端内径、总高度、椭圆度、不同心度等尺寸详细测量记录在各变径段的编号之下,这是为了便于成对组焊时尽可能将相近尺寸的反向曲线变径段组焊为一体,以减少和消除组对错边量、棱角度、椭圆度及不同心度。4?结?语(1)封头二次冲压开孔和平台划线找正的两个经验公式为反向曲线变径段的制造提供了极为便利的条件,大大缩短了变径段的制造周期,使变径段的造价下降了 50%以上。(2)在相同厚度下,采用双 Y型 55#坡口比采用 Y型 55#坡口每米可节省焊接材料 2 383 g,且在板的两面对称施焊,焊缝两面受热均匀,从而减小了焊接变形和焊接内应力。(3)对于拼接的变径段或封头,其焊缝的无损探伤应按先探伤后成形再抽查的工序进行。其优点是:未成形之前先探伤操作方便,焊缝返修容易,避免变径段在成形后焊缝返修不合格而报废和焊缝返修后出现变形等问题。成形后的抽查是防止在成形过程中被压裂纹的缺陷存在。抽查方式采用局部 X射线探伤,发现裂纹及时进行打磨处理。