高压加热器制造生产过程.pdf

3 8化工装备1 高压加热器的分类1.1 按压力分类：按照不同的管侧（给水侧）压力，加热器分为高压加热器以及中压高加热器。在电厂，凡属给水泵出口以后的加热器都称为高压加热器。但对于制造厂而言，管侧设计压力大于等于1 0 M P a 的高压加热器归属高压容器类，按容器分类属三类容器，在制造过程中对于其材料、加工、焊接、检验甚至运行、检修要求都较严格。而对于管侧设计压力不大于1 0 M P a 的高压加热器归属为中压容器类，按容器分类为二类容器，在制造等过程中对其的要求比三类容器低得多。这类中压机组的高压加热器在实际归属为中压加热器。1.2 按结构分类：目前高压加热器可按水室配水和传热管的不同形式以及两者的结合进行结构分类。按水室配水形式分为板式和集箱式两种。1.3 本文以一种正置立式U 形管式高压加热器（具有人孔）为例探讨高压加热器主要的部件制造及检验过程（图1 所示）。2 水室水室的材质主要为 2 0 M n M o，2 0 M n M o 钢是一种低合金钢，是压力容器常用的锻件，钢的热加工和焊接工艺性能良好，无回火脆性倾向，经调质处理抗拉强度R m 可达到6 0 0 M P a 以上。钢有白点敏感性并略有过热倾向，材质的化学成分见表1，力学性能见表2。2.1 水室环焊缝的焊接与检验2.1.1 水室环焊缝的焊接2.1.1.1 焊前清理：坡口表面2 0 m m 范围内清高压加热器制造生产过程王凤英卫先勇韩家发（济南市压力容器厂，济南2 5 0 0 2 2）陈蓉（济南市锅炉压力容器检验研究所，济南2 5 0 0 0 2）摘 要：本文以一种正置立式U 形管式高压加热气为例探讨高压加热器主要部件的制造及检验，并着重对水室各部件、管板及管束的制造与检验进行了详细的介绍。关键词：水室焊接与检验 管板制造 U 形管弯制 质量检查图 1 U 管式高压加热器图 2 水室环焊缝坡口问题与对策3 9化工装备公称热处理回火温拉伸试验 冲击试验硬度试验厚度 mm状态度 R m/M P as/M P a5/%试验温度A k v/JHB3 0 05 3 0 7 0 03 7 01 81 5 6 2 0 83 0 0 5 0 0淬火回火6 0 0 5 1 0 6 8 03 5 01 80 3 4 1 3 6 2 0 15 0 0 7 0 04 9 0 6 6 03 3 01 81 3 0 1 9 6表2 2 0 M n M o 锻件力学性能表3 焊接工艺参数焊层焊材牌号焊材直径 mm焊接电流 A焊接电压 V焊接速度c m/m i n备注1J 5 0 7 R H4.01 5 0-1 8 02 0-2 21 3 1 62J 5 0 7 R H5.02 0 0-2 4 02 0-2 21 3 1 63J 5 0 7 R H5.02 0 0-2 4 02 0-2 21 3 1 64H 1 0 M n 2+H J 4 3 14.07 5 0-8 0 03 6-3 83 0 3 25 层以上H 1 0 M n 2+H J 4 3 14.07 5 0-8 0 03 6-3 80 3 25 层以上为多层多道焊除油污、水迹及污物（见图2）。2.1.1.2 焊接方法:埋弧自动焊+焊条电弧焊。2.1.1.3 焊接工艺参数见表3。2.1.1.4 焊前预热1 0 0 1 5 0，严格控制预热温度，并用远红外线测温仪不断测温。2.1.1.5 焊接控制层间温度不大于2 0 0，每焊完一层，清理干净药皮、飞溅并用角向磨光机打磨见金属光泽。2.1.1.6 焊接完毕4 层2 4 小时后做一次超声波检测，如发现超标缺陷需进行返修，如果没有发现焊接缺陷则重新预热到1 0 0 1 5 0 进行焊接，这样做的目的是及时发现焊接缺陷，从而减少焊接返修量。2.1.1.7 焊后进行外观及尺寸的检查，并于2 4小时后进行无损检测。2.1.1.8 根据技术要求，环焊缝1 0 0%射线2 0%的超声波复检，按J B/T 4 7 3 0 -2 0 0 5 I I 级合格。2.1.2 水室环焊缝的检验2.1.2.1 板厚为1 0 0 m m 常规的射线机无法进行，只能选用源透照。2.1.2.2 根据厚壁焊接特性，焊后容易产生裂纹缺陷，由于射线对裂纹的检出率低，因此附加超声波复检，但是超声波检出率与人的因素及探伤工艺的选择及探头的选择对探伤结果有较大的影响。在常规检测中，通常采用单探头检测，但单探头对产生或存在垂直于焊缝表面的横向裂纹是不易检出的，因为这些缺陷的反射面与入射波声束轴线的倾角太大，极易造成漏检。针对此特殊原因，采用串列法就可检出横向缺陷。2.1.3 焊后进行6 2 0 6 4 0 消应热处理，热处理时应严格按照热处理工艺卡执行，注意控制加热速度、保温时间及炉内温差。2.2 水室接管的焊接及检验2.2.1 水室接管的焊接根据图样及标准的有关要求，对于水室两测接管的坡口及焊接检验要求如下（见图3）。PSN iC uCS iMnMoC rVN b 0.1 7 0.2 30.1 7 0.3 71.1 0 1.4 00.2 0 0.3 50.3 0-0.0 2 50.0 1 50.3 0 0.2 5注：对真空碳脱氧钢，允许S i 含量小于或等于0.1 2%表1 2 0 M n M o 钢化学成分%问题与对策4 0化工装备图 3 水室接管焊接坡口2.2.1.1 按图所示加工坡口，并保证坡口的角度及尺寸符合要求。2.2.1.2 焊前清理：坡口表面2 0 m m 范围内清除油污、水迹及污物。2.2.1.3 焊接方法：焊条电弧焊。2.2.1.4 焊接工艺参数见表4。2.2.1.5 焊前预热1 0 0 1 5 0，严格控制预热温度，并用远红外线测温仪不断测温。2.2.1.6 焊接控制层间温度不大于2 0 0。每焊完一层，清理干净药皮、飞溅并用角向磨光机打磨见金属光泽。2.2.1.7 焊后进行外观及尺寸的检查，并于2 4 小时后进行无损检测（超声波检测表面磁粉检测）。2.2.2 水室接管的检验2.2.2.1 无损检测选用超声波检测，选择壳体内外表面和接管内表面做检测面，采用 5 P 1 3X 1 3 X 4 5、5 P 1 3 X 1 3 X 6 0、5 P 1 3 X 1 3 X 7 0 三种角度的单斜探头在壳体内外表面做一次波检测，参考反射体为 1.5 x 3 0 m m 横孔，又采用5 P 1 0 x 1 2 x 2 直探头在接管内表面检测，参考反射体为1.5 x 3 0 m m 横孔。采用4 种角度探头在三个可接近方向对焊接接头进行检测，第一是大大提高了方向性缺陷的检出能力，第二是与J B T 4 7 3 0-2 0 0 5 标准（斜探头的参考反射体为 1.5 x 3 0 m m 横孔，直探头的参考反射击体为2 平底孔）不同，斜探头与直探头的参考反射体都是1.5 x 3 0 m m，因此斜探头与直探头间的检出结果具有可比性，第三是通过不同角度、不同接近方向的探头对同一缺陷反射回波波幅和波型的比较分析，有利于对缺陷波型的理解和判定。2.2.2.2 为了提高检测灵敏度，选用连续湿磁法进行表面探伤。3 管板3.1 堆焊目的管板材质为2 0 M n M o 和换热管材质S t 4 5.8 1 9 2，管板与换热管焊后要进行热处理，热处理时管板与换热管壁厚相差较大，受热面不均匀，温差较大，导致延伸率不一致，管板会沿径向和轴向同时延伸，这使得最外层换热管的外侧受力最大，焊口极易产生裂纹。为了解决这一矛盾，我们先在管板上堆焊一层低碳钢（堆焊H 0 8 A），焊后进行热处理，然后再进行管板堆焊层与换热管焊接。3.2 堆焊工艺3.2.1 堆焊前的准备堆焊前做机加处理表面，粗糙度达到6.3 u m；表 4 焊接工艺参数焊层焊材牌号焊材直径 mm焊接电流 A焊接电压 V焊接速度c m/m i n备注1J 5 0 7 R H3.29 2 1 2 02 0 2 21 3 1 62J 5 0 7 R H4.01 5 0 1 8 02 0 2 21 3 1 63J 5 0 7 R H4.01 5 0 1 8 02 0 2 21 3 1 64 层以上J 5 0 7 R H5.02 0 0 2 4 02 0 2 21 3 1 64 层以上为多层多道焊问题与对策4 1化工装备堆焊表面要做磁粉或渗透检测，要求表面不得裂纹、成排气孔，并符合J B/T 4 7 3 0 标准I I 级要求。3.2.2 焊接工艺3.2.2.1 焊接方法采用埋弧自动焊。3.2.2.2 焊接工艺参数见表5。3.2.2.3 焊前预热1 0 0 1 5 0，严格控制预热度为 1 2 m m。3.2.4 热处理焊后进行6 2 0 6 4 0 消应热处理，严格按照热处理工艺卡执行，注意控制加热速度、保温时间及炉内温差。3.2.5 机加工热处理后进行机加工，复层高度不小于7 m m。3.3 管板钻孔3.3.1 划线均流板与管板配套钻孔，管板与挡气板配套钻孔，在均流板上划出管孔位置线，在管板上画吊装孔、通气孔的位置线；在挡气板上画出拉杆孔的位置。3.3.2 钻孔3.3.2.1 先直径1 1 的钻头钻通孔，深度约为2 6 m m，注意进给量和切削速度。3.3.2.2 在管板上用直径1 5.8 普通麻花钻头钻，再用加长钻加深孔1 5.8 长度。3.3.2.3 用带导向的1 6.2 5 的扩孔钻钻扩各孔。3.3.2.4 正面堆焊一侧倒角2 4 5 ，用锪钻9 0，背面倒角1 3 0，用锪钻1 2 0。3.3.3 检验3.3.3.1 相邻两孔间距偏差正面（管程端）小于 0.3 m m，反面（壳程端）小于 0.5 m m，任意数孔间累计偏差正面小于 1.0 m m，反面小于 1.5 m m。3.3.3.2 大于 9 6%的孔桥宽度不小于3.9 7 5m m，最小孔桥宽度不得小于 2.8 5 m m，数量不超过 5 个。3.3.3.3 管板孔应严格垂直于堆焊层表面，其垂直度为 0.1 5 m m。3.3.3.4 检查工具为游标卡尺和内径千分尺、盒尺、拐尺等。4 管束4.1 U 换热管制作及检验4.1.1 简介换热管材质为S t 4 5.8，标准为德国工业标准 D I N1 7 1 7 5，其性质介于2 0 和2 0 G 管之间的一种耐热无缝钢管。其化学成分见表6，机械性能见表7。表 5 焊接工艺参数焊层焊材牌号焊材直径 mm焊接电流 A焊接电压 V焊接速度c m/m i n备注1H 0 8 A+H J 4 3 14.06 0 0 6 5 03 4 3 63 0 3 22H 0 8 A+H J 4 3 14.06 0 0 6 5 03 4 3 63 0 3 23H 0 8 A+H J 4 3 14.06 0 0 6 5 03 4 3 63 0 3 2温度，并用远红外线测温仪不断测温。3.2.2.4 焊接控制层间温度不大于2 0 0。每焊完一层，清理干净药皮、飞溅并用角向磨光机打磨见金属光泽。3.2.3 焊后检查焊后进行外观及尺寸的检查，焊后复层总高表6 S t 4 5.8 化学成分PSN iC uCS iMnMoC rVN b 0.2 10.1 0.3 5 0.4 0 1.2 00.0 4 00.0 4 0注：如果钢是用铝来镇静的或是在真空中脱氧，则硅的含量允许低于下限0.1 0%。问题与对策4 2化工装备表7 S t 4 5.8 机械性能抗拉强度 屈服强度M P a 延伸率%缺口冲击功JM P a （L=5 d o）（D V M试样）壁厚1 61 6 壁厚4 0 4 0 壁厚6 0纵向横向横向4 1 0 5 3 02 5 52 4 52 3 52 11 92 7注：在壁厚 3 m m，外径3 0 m m 的管子，最小值可降低1 0 M P a 。从表6 及表7 中可以看出s t 4 5.8 是一种低碳钢钢管，其可焊性非常好。无需焊前预热和焊后热处理。只要工艺适当就可得到优质焊缝。4.1.2 U 形管的制作4.1.2.1 U 形管制作质量直接影响穿管是否顺利。制作U 形管主要解决三个问题。(a)弯管查的选择，对U 形弯管后回弹量，采用近似的计算公式R =R/1+2 m(s/E)R x M=K 1+K 0/2 R x式中R 弯管模半径；E 弹性模量；R R x U 形管的名义半径、相对半径K 0、K 1 相对强化系数、截面形状系数。在计算时，要加上一定的下正值，约为2。R 越小，修正量越小，以保证弯管顺利。(b)弯管后要保证直管弯段平行，在实际弯管时可以将弯管角度控制在1 8 5 左右这样回弹后可保证直管平行。(c)U 形管中 R 最小为4 4 m m，采用管内加压，带压弯管的方法，弯管后产生的椭圆小于2 m m，很好地解决了小R 管弯的困难。在冷弯过程中要采用不定期抽查的方法，来确保冷弯质量。4.1.2.2 对于内两层弯曲半径较小的换热管，由于弯曲半径较的管子受到的应力较大，为了消除应力，对换热管弯管段及不少于1 5 0 m m 的直管段进行消应热处理。4.1.2.3 冷弯后的U 形管逐根进行通球试验。4.1.2.4 通球试验合格后，逐根进行水压试验，其试验压力为两倍设计压力。4.2 管束的制作及检验管束工艺流程如下：固定管板装筒体短节焊接探伤（R T）热处理装过热段装疏冷段包壳焊接装折流板装不凝气排气管点固拉杆螺母穿管点焊削管焊接胀管装配疏冷段包壳探伤（P T）总检。在管束的制作过程中应注意：4.2.1 管板与折流板孔应同心，允差不大于0.3 m m。4.2.2 穿管前换热管管端3 5 0 m m 范围内打磨，露出金属光泽，穿管时换热管及管板用丙酮清洗。将换热管从折流板侧穿过管板，穿管时先里后外顺序，先下后上的原则。穿管时以手推入严禁用金属直接敲打，换热管表面不应出现凹痕或划伤，伸出长度要不大于管板厚度。4.3 管口的连接 采用既胀又焊的基本要求。高压以上机组的高压加热器，管品必须胀接加焊接。胀接可承受管子振动，承受水侧压力、防止管口的间隙应力腐蚀裂纹，而焊接可保证管口密封并承受部分水侧压力，这两者之中焊接的作用是最主要的。其程序可以先胀后焊，也可先焊后胀。先胀后焊的制造过程比较方便，从理论上分析胀接形成的贴合处间隙内存在空气，焊接期间此空气可能使焊缝产生气孔，而从实际经验看，质量良好的先胀后焊的焊缝发生泄漏的情况还是很少的，产生焊缝气孔可能导致泄漏之说未得到实践的定论，因此先胀后焊是可行的；反之先焊后胀，从理论上问题与对策4 3化工装备问题与对策分析爆胀力可能对焊缝有影响，且焊前的管子定位和管端切割齐平需采取措施，而实践表明先焊后胀也是可行的。4.3.1 管与管板焊接见图4。（a）焊前清理：擦洗管板表面，去除管端处污物。(b)焊接方法采用氩弧焊。(c)焊接工艺参数见表8。4.3.2 管与管板胀接高压加热器的焊口胀接采用液压胀，其原理为管子只受到具有一定压力的液体的作用，在这高液压下，管材产生屈服变形，直至碰到管孔壁为止；压力继续升高，管子压向管孔壁，压力一直升高直至管孔壁达到一定程度的变形，在液压降低并消失后，管板由于弹性反向变形而把管子紧紧夹住。胀头具有两个密封元件，它们由橡胶类材料制成，两元件间距离限制了胀管范围。图4 换热管与管板焊接图焊层焊材牌号焊材直径 mm焊接电流 A焊接电压 V焊接速度保护气体备注c m/m i n流量（L/m i n)1E R 5 0-61.65 0 7 01 0 1 27 1 06 8氩气纯度9 9.9 9 5%表 8 焊接工艺参数卧放管束，去除换热管内毛刺，锈迹等污物按图纸要求胀管，贴胀长度1 5 9 m m,管子不允许过胀，不得有切口开裂缺陷。胀管率控制在1%2。4.3.3 管口焊缝质量检查4.3.3.1 气密试验除必须进行常规的水压试验而外，还需作气密试验等检查。气密试验过程存在危险性，按压力容器规程要求必须对汽侧壳体先作水压试验合格后，再在壳内充气对管口作气密试验。为节省气体，壳体可立置，下部灌水以占据大部容积，水位可达到管板以下不少于1 0 0 m m 处，然后在水面以上空间灌注氮气或压缩空气，前者为惰性气体，对试验本身较为安全。试验压力可为水侧设计压力的1/7 左右，例如水侧设计压力2 2 M P a，气密试验压力可为3.1 M P a,而国外某些公司气密压力反而较低，例如仅0.6 M P a。在管板的水侧下面涂肥皂水，如焊口发生泄漏，肥皂泡将从泄漏处冒出，如管子本身泄漏，气体将从管子中冲出。涂肥皂水是很好的方法，发现缺陷可及时消缺补焊，并立即再涂肥皂水检查补焊部位是否有漏。如壳体卧置作气密试验，壳内不能灌水，只能全部充气。4.3.3.2 氦气检漏氦质谱检漏仪能传感和探测出泄漏出的微量氦气或存在于任何混合气体中的氦气，仪器的灵敏度至少每刻度应为1 1 0-9c m3/s，并经校准达到这一灵敏度。在检漏以前，应作系统校准和确定扫查速率。壳侧灌入氦示踪气体，氦气浓度在试验压力下应约为 1 0%体积浓度。检验扫查方向应从管板的最下部位开始，然后渐次向上，验收允许率为不超过1 1 0-4c m3/s。试验场地要求，预先保压和检漏过程、验收要求及其表现等，均与上述卤素检漏相同。5 试验5.1 壳程试压4 4化工装备Producing Process of HP HeaterW a n g F e n g-y i n g,W e i X i a n-y o n g,H a n J i a-f a (J i n a n P r e s s u r e V e s s e l F a c t o r y,J i n a n 2 5 0 0 2 2)A b s t r a c t:T h i s a r t i c l e t a k e s a r i g h t v e r t i c a l U-s h a p e d H P H e a t e r a s t h e e x a m p l e,d i s c u s s e s t h e m a n u f a c t u r ea n d i n s p e c t i o n o f t h e m a i n p a r t s o f t h e H P H e a t e r,a n d f o c u s o n t h e m a n u f a c t u r i n g a n d t e s t o f v a r i o u s p a r t s o f t h ew a t e r c h a m b e r,t u b e s h e e t a n d t u b e b u n d l e i s i n t r o d u c e d i n d e t a i l e d.K e y w o r d s:w e l d i n g a n d i n s p e c t i o n o f w a t e r c h a m b e r,t u b e s h e e t f a b r i c a t i o n,U-s h a p e d p i p e b e n d i n g,q u a l i t y i n s p e c t i o n问题与对策壳程以4.3 6 M P a 进行水压试验，试验温度不低于1 5，压力容器中应充满液体，滞留在压力容器内的气体必须排净。压力容器外表面应保持干燥，当压力容器壁温与液体温度接近时，才能缓慢升压至设计压力；确认无泄漏后继续升压到规定的试验压力，保压3 0 分钟，然后，降到规定试验压力的8 0%，保压足够时间进行检查。检查期间压力应保持不变，不得采用连续加压来维持试验压力不变。压力容器液压试验过程中不得带压紧固螺栓或向受压元件施加外力。试验过程中应无泄漏、无可见变形、无响声。5.2 按图纸规定进行气密性试验，试验压力为2.7 M P a，保压3 0 分钟无泄漏。5.3 管程以2 2.8 2 M P a 进行水压试验,试验温度1 5，保压3 0 分钟，应无泄漏、无可见变形、无响声。5.4 设备水压试验和气密性试验合格后，将水放尽并干燥，然后在管、壳程均以0.0 5 M P a 氮气进行防腐保护。6 结论高压加热器是汽轮机车间热力系统中不可缺少的环节，如运行中发生故障或操作失误，都会影响安全经济发电，甚至损坏设备和造成人身事故。国内高压加热器已经发生过多次人员伤亡和设备毁坏的重大事故，所以从事高压加热器的设计、制造、检验以及安装、运行、管理、检修等人员，应引以为戒，引起重视。参考文献 1 压力容器安全技术监察规程 2 G B 1 5 0-1 9 9 8钢制压力容器 3 G B 1 5 1-1 9 9 9管壳式换热器 4 J B/T 4 7 0 9-2 0 0 0钢制压力容器焊接规程 5 J B 4 7 2 6-2 0 0 0压力容器用碳素钢和低合金钢锻件 6 J B T 4 7 3 0-2 0 0 5 承压设备无损检测 7 J B/T 8 1 9 0-9 9高压加热器 8 美国给水加器制造商协会S t a n d a r d s o f T u b u l a r E x c h a n g e rM a n u f a c t u r e s A s s o c i a t i o n,1 9 9 9 9 H e a t E x c h a n g e I n s t i t u t e,I n c.S t a n d a r d s f o r S t e a m S u r f a c eC o n d e n s e r s,1 9 9 5 1 0 美国机械工程学会，2 0 0 4 A S M E B o i l e r a n d P r e s s u r eV e s s e l C o d e V N o n d e s t r u c t i v e E x a m i n a t i o n 1 1 中国机械工程学会焊接学会焊接手册（第2 版）第2 卷。北京：机械出版社，2 0 0 1.1 2 中国化工装备协会 钢制力容器制造常规检验方法与检具,云南人民出版社,2 0 0 7