| 作者： 中国法兰直销网www.falan-flange.com 加入时间： 2009-6-4 10:26:44 |
1 前 言
换热器广泛应用于化工、医药、农药、食品等工业领域中，其中管壳式换热器最为普遍。而管壳式换热器主要有壳程筒体、管程筒体、封头、管板和换热管等五大件组成。管壳式换热器是通过管子壁面进行传热的换热器。虽然在换热效率、结构紧凑性等方面都不如其他新型换热器，但它具有结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高的操作压力和温度等优点。在高温、高压和大型换热器中，管壳式换热器是目前使用最广泛的一类换热器。
2 管壳式换热器管子与管板的连接方式
2.1 胀接
胀接一般利用胀管器进行机械滚胀, 胀管器是在构架上嵌入了三个小直径的滚子, 中间有一锥形心轴, 利用风动或电动使心轴旋转并挤入管内迫使管子扩张产生塑性变形而与管板贴合。当管孔采用光孔时管端伸出2~3 mm。当抗拉脱与密封要求较高时, 管孔中开环形小槽。一般槽深0.4~0.5 mm, 管子材料被胀挤进槽内, 能更好地防止介质外泄。一般管板厚度小于30 mm时槽数为1, 管板厚度大于30 mm时槽数为2, 结构见图1。为提高胀管的质量, 管端材料的硬度值一般应比管板低, 通常需管头局部退火, 但有应力腐蚀时不采用此法来降低换热管的硬度。胀接连接时, 管端应除锈至呈金属光泽, 其除锈长度不应小于2倍的管板厚度。胀接长度不得伸出管板背面(壳程侧)。换热管的胀接部分与非胀接部分要圆滑过渡, 不得有急剧的棱角。胀接结构比较简单, 便于更换与修补, 但不宜在高温下工作。
2.2 焊接
焊接是通过加热或加压并且用(或不用) 填充材料使焊件形成原子间结合的一种连接方法。加工方便, 连接强度好, 在高温高压时也能保证连接处的紧密性与抗拉脱能力。管子焊接处如有渗漏可以补焊或拆卸更换。一般采用2×45°坡口,0.2 mm间隙。常用的焊接接口处形式见图2。
2.3 胀焊结合
胀接和焊接方法都各有利弊, 在一些情况下换热器管子与管板的连接处在操作过程中受到腐蚀与流体压力、热变形及热冲击等作用, 很容易遭到破坏, 这种情况下, 我厂主要采用胀焊结合的方法, 见图3。具体方式分两种: 强度胀与密封焊相结合, 胀接承受拉脱力, 焊接保证紧密性。强度焊与贴胀相结合则是焊接承受拉脱力,胀接消除管子与管板间的间隙。对于胀和焊的先后顺序, 一些资料上建议采用先焊后胀, 因为使用胀管器胀管时需用润滑油, 胀后不易洗净, 在焊接时存在于焊缝中的油污生成气体会导致焊缝产生气孔, 影响焊缝质量。我厂在用户无特殊要求时, 一般采用先胀后焊, 因为一般管头需要伸出管板2 mm左右, 所以在角缝成形时很容易破坏管口内径, 这样就加大了下胀管器的难度, 影响工作效率与质量。应用此法时连接部位的管子与管板表面应清理干净, 不得留有影响胀接或焊接连接质量的毛刺、铁屑、锈斑和油污等。实践证明, 采用胀焊结合的方法不仅能提高连接处的抗疲劳性能, 还可以消除应力腐蚀和间隙腐蚀, 提高设备的使用寿命。
3 管壳式换热器的失效形式
腐蚀是换热器的主要失效形式。最常见的腐蚀部位是管子, 主要腐蚀形式有: 管壳程介质本身的酸碱性具有腐蚀性, 壳体或管子存在拉应力, 管子与管板之间存在缝隙等, 这些都会加速腐蚀, 进而引起换热器失效。
3.1 介质腐蚀
流体为腐蚀性介质, 以及介质中溶解一定浓度的氮、氧、氢、硫等, 常会引起换热器的失效。解决措施: 合理地选择对介质适应的材料, 针对不同腐蚀性离子, 如氮、氧、氢、硫, 采取相应的预防措施。例如: 用于回收硝酸尾气热量的废热锅炉, 由于尾气中含有氮气和氨气, 在一定温度和压力下, 氮与铁及其他很多合金元素可生成硬而脆的氮化物, 使钢材氮化,致使其力学性能变差。尤其在高温气体入口处, 介质腐蚀使管板表面、管板和管子的连接焊缝以及靠近管板表面的换热管管端因氮化而导致换热管泄漏且无法焊补, 以至于整台设备报废。
3.2 应力腐蚀
换热器在焊接、热加工、热处理时引起的材料残余应力、安装时产生的装配应力、工作时管内外压力差及温差作用而产生的机械应力和热应力,以及由载荷、操作或振动等引起的附加应力, 都可能产生拉应力。主要应对措施是: 消除拉应力, 如对装配应力可通过热处理等方法加以消除。
3.3 缝隙腐蚀
传统的管子穿入管板前端焊接而成的焊接接头, 由于管板与管子之间有间隙, 且焊缝受到高温腐蚀性流体的正面冲刷作用, 很容易腐蚀开裂, 极大地降低了设备的使用寿命。预防缝隙腐蚀的措施主要是减小或消除缝隙、减小结垢等。
4 管子- 管板接头型式与其破损分析
管壳式换热器管子- 管板连接过去设计上通常采用胀接工艺或焊接工艺。
管子- 管板胀接结构分为贴胀和强度胀。贴胀主要是为消除换热管与管孔之间缝隙的轻度胀接;
强度胀是指管板与换热管连接处的密封和抗拉强度均由胀接来保证的连接。胀接分为机械胀管和液压胀管两种方法。机械胀管方法易使胀接不匀,一旦管子- 管板连接失效,再用胀管来修复就十分困难。液压胀管换热管不容易产生“过胀”,也不会产生“窜动”,所以连接区内应力分布均匀,连接的可靠性较机械胀接要好。但液压胀接对加工精度要求严格,对于密布的接头,要保证100 %胀接成功,也有一定的困难,如果失效,再胀接修复也较为因难。
管子- 管板焊接连接结构,对管孔的加工粗糙度要求不高,管孔上不需要开槽,加工简单方便,管
子高出管板一般为8～12 mm ,焊接后抗拉脱力强,结构强度高,补焊修复比胀管方便,应用较为广泛,
通常又称为强度焊。若管子高出管板仅0～1 mm ,称为密封焊,密封焊只保证管子与管板连接的密封
性能,不能保证其拉脱强度。
管壳式换热器一般工况苛刻,工作介质多为强酸强碱或其它腐蚀性介质,管子- 管板接头单纯的焊接或胀接,都容易产生腐蚀泄漏破损导致设备提前失效。胀接结构具有一定的严密性,又可以承受较高的压力,但当工作温度高于300 ℃以上时,高温蠕变会造成胀接残余应力松弛,并使胀口逐渐失效。焊接结构虽然可以耐更高的温度,承受较高的压力,但易产生应力腐蚀和缝隙腐蚀,且在高温循环应力作用下焊口易产生疲劳裂纹,引起泄漏和破损使连接接头失效。
5 接头连接型式的改进
为了防止管子- 管板接头产生腐蚀泄漏破损导致设备提前失效,就必须对换热器管子- 管板接头的连接型式加以改进。把上述两种工艺进行综合,对换热器管子- 管板接头连接采取焊胀结合工艺,即管子- 管板接头连接时既采用焊接工艺,又使用胀接工艺,将两种工艺同时用于连接接头之上。
对换热器管子- 管板连接接头密封要求较高的场合,或承受振动、疲劳载荷及有间隙腐蚀的场合,采取焊胀结合宜先胀后焊,这样可以提高焊接接头抗疲劳性能,且管壁贴合于管板孔壁,可以防止焊接时产生裂纹。但是在胀管时残留的润滑脂,在焊接过程中易在焊缝中产生气孔,严重影响焊接接头的质量。
其它场合下可采取先焊后胀工艺,先焊后胀可不必清理胀管后残留的油污,但对焊后胀接时的胀
管位置要求严格,必须保证在离焊接接头中心线10～12 mm 范围内不能进行胀接,否则容易损伤焊接
接头。
在管子- 管板连接接头胀焊结合结构中,常用的两种结构是强度胀加密封焊和强度焊加贴胀。强
度胀加密封焊靠胀接结构来承受作用力,用密封焊保证密封性;而强度焊加贴胀是靠焊接结构来承受
作用力,用贴胀来消除管子与管板之同的间隙,防止产生缝隙腐蚀。连接接头采用何种结合结构,应视
换热器的材质、工况和介质而定。
从实际使用效果来看,焊胀结合的管壳式换热器的使用寿命是单胀接或焊接连接的使用寿命的3～5 倍,不论采用何种结合结构,先焊后胀工艺优于先胀后焊工艺。
6 焊胀结合质量控制及主要措施
在换热器制造过程中,管子- 管板接头连接采用焊胀结合先焊后胀的制造工艺较多,具体应牢抓以下几个环节。
6.1 外观检查
6.1.1 焊接接头(管子、管板、管孔) 装配尺寸应符合图纸及规范要求。
6.1.2 焊接接头表面不允许有裂纹、气孔、弧坑、夹渣等缺陷,并不得保留有溶渣和飞溅物。
6.1.3 在图纸对焊接接头咬边缺陷无特殊规定时,咬边深度不大于015 mm ,咬边总长度不大于焊接接
头总长的10 %。
6.1.4 焊接接头应向母材圆滑过渡。如需要打磨焊接接头时,不得损伤管板母材,且打磨处不得凹陷,
局部凹陷不允许超过管板厚度的负偏差。
6.1.5 胀接位置和长度应符合图纸要求。
6.1.6换热管的胀接部位和非胀接部位手感检查应圆滑过渡,不得有棱角。
6.2 无损探伤
6.2.1 焊接完成24 h 后,对焊接接头进行PT (着色) 或MT(磁粉) 探伤检查,无裂纹为合格。
6.2.2 贴胀完成后对焊接接头应进行煤油渗漏试验或PT(着色) 探伤,无裂纹、不渗漏为合格。
6.3 水压试验
所有能够进行水压试验的换热器,都应进行管程和壳程水压试验,水压试验的试验压力PT 按设计要求确定。当设计无规定时,按《压力容器安全技术监察规程》及GB151《管壳式换热器》的有关规定进行。试验水温一般不低于5 ℃,对于屈服强度σs ≥540 MPa 的低合金钢材料的壳体或管板,在水压试验时,试验水温不低于15 ℃。试验时,应缓慢升压至试验压力,稳压30 min ,然后缓慢降压至试验压力的80 % ,对全部管子- 管板接头进行检查,无渗漏为合格。
6.4 其它控制措施
6.4.1 焊接时要选择合理的焊接顺序。首先应从管板中心的管子- 管板接头逐渐向管板外缘,直至边
缘接头进行对称施焊。整个管子- 管板接头焊完第一层后,再施焊第二层,焊接顺序与第一层相同。
6.4.2 持证焊工在作业之前应进行适应性训练,训练时的管板孔几何尺寸(厚度尺寸可以不同) 及管子直径、壁厚应与换热器相同。
6.4.3 管板背面一侧孔口,宜倒棱圆滑,倒棱尺寸为015 mm ×015 mm , (正面一侧按图纸要求) ,以提高
连接接头抗疲劳能力。
6.4.4 管程和壳程的水压试验应分别进行,不允许同时进行。试验时应注意排尽试压腔内的气体。放水时,应先打开放气阀,并应使放水速度不致过大,以免损坏壳体。
7 结束语
管壳式换热器是化工及有关行业企业的重要设备,是目前应用最广泛的一种换热器。如果在生产过程中管子- 管板接头连接处破损泄漏,将会导致两种介质混合,轻者影响生产,降低产品质量或使产品报废,重者将危及人身与设备的安全。所以,在制造过程中,尤其对管子- 管板接头连接型式要合理选择,精心操作,严格质量控制,确保正常生产与生产安全。
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