换热器管子和管板焊接接头浅见分析.doc

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。
3·1　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。
3·2　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 一道焊道与第二道的熔深与成型情况检查。
3·3　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, 5·
[2]　管壳式换热器[M]·GB151-1999·
[3]　李艳·浅析焊接接头[J]·企业技术开发, 2007, 3·
[4]　林虹·管壳式换热器换热管与管板焊接工艺[J]·安装, 2002, 04·