蚌埠金坤化工-管殼式換熱器制造工藝對(duì)總體質(zhì)量的影響
2019-03-27 05:41:38
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管殼式換熱器是應(yīng)用最廣泛的熱交換裝置,與其他類型換熱器相比,其承壓能力高、結(jié)構(gòu)緊固、用材廣泛、維修裝拆方便,在化工、動(dòng)力、食品、輕工、能源等各種工程領(lǐng)域中普遍使用。管殼式換熱器最常用的有固定管板式,浮頭式,填料函式和Ｕ型管式等類型。近年來,隨著石油化工設(shè)備的深入研究,管殼式換熱器不僅向著大型化的方向發(fā)展（直徑已超過了4650ｍｍ,換熱面積已超過了5000～8000ｍ2）,而且在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上也有了許多新的突破,如在高溫高壓下用撓性薄管板代替了傳統(tǒng)的厚管板等。這就為換熱器的制造提出了更高的要求。與此同時(shí),也對(duì)制造技術(shù)和操作運(yùn)行技術(shù)提出了新的問題。目前,由于制造質(zhì)量和操作運(yùn)行不當(dāng)所引發(fā)的各種安全事故和影響化工產(chǎn)品質(zhì)量的問題時(shí)有發(fā)生,因此提高制造水平,嚴(yán)格制造工藝,就成為換熱器可靠運(yùn)行的先決條件和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文以浮頭換熱器為例,著重從制造工藝角度探討制造中的幾個(gè)問題對(duì)設(shè)備質(zhì)量的影響。
1 殼體加工質(zhì)量對(duì)總體質(zhì)量的影響
殼體的不圓度和不直度,筒體內(nèi)徑過大引起的縫隙不勻,會(huì)引起殼體介質(zhì)的短路而影響殼程的換熱系數(shù)和換熱器的總傳熱系數(shù),并且直接影響管束的裝入和抽出的順利程度。
1.1 圓筒縱、環(huán)焊縫的對(duì)口錯(cuò)邊量（ｂ）和棱角（Ｅ）
錯(cuò)邊量和棱角的大小,對(duì)一般容器的影響主要是應(yīng)力分布的均勻性,產(chǎn)生一次局部薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。國(guó)內(nèi)外壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)見表1。
由于厚薄不同的鋼板對(duì)接所引起的焊縫中心線偏移或由于成型時(shí)尺寸公差所引起的對(duì)接焊縫錯(cuò)邊（見圖1）,在內(nèi)壓或外壓作用下,將在容器壁上構(gòu)成附加彎曲應(yīng)力而使容器總應(yīng)力增加,且不再沿壁厚基本上均勻分布,而造成明顯的應(yīng)力梯度,這時(shí)承受靜載荷和交變載荷都是不利的。
1.2 焊縫余高（ｅ或ｅ1）和焊縫咬邊
焊縫余高對(duì)最后一層焊道具有保溫http://www.hexchangers.com/img/20061220155617.g與緩冷作用,有利于消除焊接應(yīng)力,改善焊縫組織、性能及成形質(zhì)量,但也帶來應(yīng)力集中。據(jù)國(guó)內(nèi)外研究證實(shí),它還可能是疲勞斷裂的起源或脆斷的起源。如日本經(jīng)疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的裂紋均產(chǎn)生于余高邊緣,余高打磨后與未打磨者比較,其疲勞壽命提高2.1～2.5倍。各國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)對(duì)余高均有限制,多數(shù)引進(jìn)設(shè)備也將其磨去,以讓焊縫與表面齊平。對(duì)換熱器來說,將焊縫磨平后,還有利于管束順利裝拆,因此,ＪＢ/ＴＱ423-90在ＧＢ151的基礎(chǔ)上又逐級(jí)提高,見表2。
焊縫咬邊不僅削弱焊縫承載面積（見圖2）,更重要的是引起應(yīng)力集中。如果材料延塑性不足而缺乏對(duì)局部高應(yīng)力的再分布能力,則可能以此咬邊為起點(diǎn)向其他部分開裂。當(dāng)材料強(qiáng)度級(jí)別較高、材料厚度較大、載荷帶有交變性質(zhì)、周圍腐蝕環(huán)境或低溫下使用的容器,對(duì)咬邊更應(yīng)嚴(yán)格的控制。ＪＢ/ＴＱ423-90在評(píng)價(jià)換熱器質(zhì)量等級(jí)時(shí),較ＧＢ150逐級(jí)有所提高,焊縫咬邊的比較見表3。
1.3 殼體的圓度和直線度
殼體公差（直徑公差,圓度和直線度）和折流板的直徑與公差決定了兩者之間徑向間隙的大小,直接影響流體短路的程度。此間隙為4～8ｍｍ左右時(shí),旁路流體可達(dá)10%左右,傳熱性能會(huì)明顯下降。據(jù)日本有關(guān)資料介紹按ＪＰ17Ｓ-33制造的換熱器,其最大間隙值時(shí)的殼程換熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值比較,分別下降18%～8%和13%～4%。標(biāo)準(zhǔn)比較見表4。
2.2 管束制造工藝對(duì)質(zhì)量的影響
2.2.1 折流板（支持板）管孔直徑及公差
折流板管孔直徑及公差決定了與換熱管之間的間隙,當(dāng)該間隙為0.4和0.8時(shí)旁路的流體可達(dá)15%～30%,間隙過大,不僅降低了換熱器的傳熱性能,而且因換熱管支撐削弱而對(duì)管束防震不利,間隙過小又給換熱管穿管和換管造成困難,當(dāng)該間隙由1ｍｍ增加到1.4ｍｍ時(shí),殼程給熱系數(shù)和換熱器的總傳熱系數(shù)分別降低3%～7%和2%～6%,間隙值下降到0.6ｍｍ時(shí),給熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)分別增大4%～11%和3%～9%。
2.2.2 管板孔直徑及公差
管板孔直徑及公差的大小決定了與換熱管之間的間隙,該間隙過大,將增加脹接管端的冷作硬化程度,易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。由于脹緊度過大也易使換熱管脹不牢,甚至脹裂,同時(shí)也不利于換熱管與管板的對(duì)中和焊接。間隙過小易導(dǎo)致脹管困難。在特殊情況下,例如,為減輕奧氏體不銹鋼管的應(yīng)力腐蝕傾向,必須采取緊配合（使間隙值更小的特殊配合）。
2.2.3 換熱管與管板的連接工藝
換熱管與管板連接接頭的泄漏問題比較普遍,據(jù)統(tǒng)計(jì)約占換熱器總泄漏數(shù)的84.1%,接頭泄漏點(diǎn)的99.3%,其中脹緊度控制不當(dāng)是主要原因之一。
⑴脹接工藝
管子脹接連接的機(jī)械強(qiáng)度主要與管孔結(jié)構(gòu)和脹管率大小有關(guān),管孔結(jié)構(gòu)有以下3種形式:光孔—不開槽;
1槽孔—用于管板厚度≤25ｍｍ;
2槽孔—用于管板厚度>25ｍｍ。
（Ⅰ）脹緊度的選取
不同的管徑有不同的脹緊度要求,欠脹不能保證連接密度的可靠性和必須的拉脫力,過脹又因管板的塑性變形或管子的嚴(yán)重減薄帶來連接的松弛,甚至有時(shí)造成管子脹裂。脹接度的大小一般是以管子減薄率來表示的。ε=[ｄｉ′-（ｄｉ+ｃ）]/2ｔ×100式中:ε為管子壁厚減薄率（%）;ｄｉ′為脹后管內(nèi)徑（ｍｍ）;ｄｉ為脹前管內(nèi)徑（ｍｍ）;ｔ為管子壁厚（ｍｍ）;ｃ為脹前管孔與管子之間的間隙（ｍｍ）。脹緊度的選取,對(duì)于中低壓設(shè)備取ε=1.3%～1.9%,高壓設(shè)備可選取ε=2%～2.3%,如管子直徑較大或管子剛度較好,材料較硬,脹緊度可適當(dāng)提高一點(diǎn)。
（Ⅱ）脹接順序脹接前,應(yīng)先檢查管孔與管端的結(jié)合表面是否有油漬和異物存在,管端硬度是否低于管板的硬度（硬度差約為ＨＢ26左右）,脹接的環(huán)境溫度不低于-10℃,脹接合金鋼管時(shí)還應(yīng)提高環(huán)境溫度。管子脹在管板上后,由于管子的伸長(zhǎng),在管子連接處會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力,如脹接順序不合理,將會(huì)導(dǎo)致接頭上過大的附加應(yīng)力和管板過大的變形,從而降低脹接接頭的質(zhì)量,在脹第二塊管板時(shí),一般認(rèn)為合理的順序是從管板最外層管子開始,逐步脹到中心,否則中心部位管子拉應(yīng)力增加很多,甚至破壞。脹接潤(rùn)滑劑,目前大多采用煤油和機(jī)油,美國(guó)金屬學(xué)會(huì)規(guī)定,脹接時(shí)可以使用不含硫的礦物或豬油,含硫的潤(rùn)滑油有脆化作用（特別是對(duì)于鎳管）,也不能使用含鉛的油,因?yàn)殂U難于清洗干凈。⑵焊接工藝焊接不僅密封可靠,而且不存在脹接的高溫目前多采用先焊后脹。如采用先脹后焊,則在焊接收弧時(shí)由于空氣排不出去會(huì)引起氣孔,夾渣等缺陷,影響管子接頭的質(zhì)量。
2.3 主要部件的熱處理工藝
目前浮頭式換熱器,由于浮頭、管箱、外頭蓋焊后存在較高的殘余應(yīng)力,其殘余應(yīng)力分布見圖3,通過合理的熱處理工藝,可以最大限度地降低殘余應(yīng)力,為設(shè)備正常運(yùn)行創(chuàng)造條件。
在編制熱處理工藝時(shí),還應(yīng)參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)把握主要參數(shù),如入爐溫度、出爐溫度、升降溫速度、被加熱條件、保溫期間各單位溫差等。只有這樣才能切實(shí)降低和消除焊接殘余應(yīng)力。
3 結(jié) 論
通過對(duì)上述部分工藝的分析和換熱器制造的實(shí)際操作發(fā)現(xiàn),要保證換熱器制造的總體質(zhì)量,首先要控制好單個(gè)環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量,嚴(yán)格質(zhì)量監(jiān)督和檢查,才能使整臺(tái)設(shè)備達(dá)到質(zhì)量合格。
1 殼體加工質(zhì)量對(duì)總體質(zhì)量的影響
殼體的不圓度和不直度,筒體內(nèi)徑過大引起的縫隙不勻,會(huì)引起殼體介質(zhì)的短路而影響殼程的換熱系數(shù)和換熱器的總傳熱系數(shù),并且直接影響管束的裝入和抽出的順利程度。
1.1 圓筒縱、環(huán)焊縫的對(duì)口錯(cuò)邊量（ｂ）和棱角（Ｅ）
錯(cuò)邊量和棱角的大小,對(duì)一般容器的影響主要是應(yīng)力分布的均勻性,產(chǎn)生一次局部薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。國(guó)內(nèi)外壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)見表1。
由于厚薄不同的鋼板對(duì)接所引起的焊縫中心線偏移或由于成型時(shí)尺寸公差所引起的對(duì)接焊縫錯(cuò)邊（見圖1）,在內(nèi)壓或外壓作用下,將在容器壁上構(gòu)成附加彎曲應(yīng)力而使容器總應(yīng)力增加,且不再沿壁厚基本上均勻分布,而造成明顯的應(yīng)力梯度,這時(shí)承受靜載荷和交變載荷都是不利的。
1.2 焊縫余高（ｅ或ｅ1）和焊縫咬邊
焊縫余高對(duì)最后一層焊道具有保溫http://www.hexchangers.com/img/20061220155617.g與緩冷作用,有利于消除焊接應(yīng)力,改善焊縫組織、性能及成形質(zhì)量,但也帶來應(yīng)力集中。據(jù)國(guó)內(nèi)外研究證實(shí),它還可能是疲勞斷裂的起源或脆斷的起源。如日本經(jīng)疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的裂紋均產(chǎn)生于余高邊緣,余高打磨后與未打磨者比較,其疲勞壽命提高2.1～2.5倍。各國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)對(duì)余高均有限制,多數(shù)引進(jìn)設(shè)備也將其磨去,以讓焊縫與表面齊平。對(duì)換熱器來說,將焊縫磨平后,還有利于管束順利裝拆,因此,ＪＢ/ＴＱ423-90在ＧＢ151的基礎(chǔ)上又逐級(jí)提高,見表2。
焊縫咬邊不僅削弱焊縫承載面積（見圖2）,更重要的是引起應(yīng)力集中。如果材料延塑性不足而缺乏對(duì)局部高應(yīng)力的再分布能力,則可能以此咬邊為起點(diǎn)向其他部分開裂。當(dāng)材料強(qiáng)度級(jí)別較高、材料厚度較大、載荷帶有交變性質(zhì)、周圍腐蝕環(huán)境或低溫下使用的容器,對(duì)咬邊更應(yīng)嚴(yán)格的控制。ＪＢ/ＴＱ423-90在評(píng)價(jià)換熱器質(zhì)量等級(jí)時(shí),較ＧＢ150逐級(jí)有所提高,焊縫咬邊的比較見表3。
1.3 殼體的圓度和直線度
殼體公差（直徑公差,圓度和直線度）和折流板的直徑與公差決定了兩者之間徑向間隙的大小,直接影響流體短路的程度。此間隙為4～8ｍｍ左右時(shí),旁路流體可達(dá)10%左右,傳熱性能會(huì)明顯下降。據(jù)日本有關(guān)資料介紹按ＪＰ17Ｓ-33制造的換熱器,其最大間隙值時(shí)的殼程換熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值比較,分別下降18%～8%和13%～4%。標(biāo)準(zhǔn)比較見表4。
2.2 管束制造工藝對(duì)質(zhì)量的影響
2.2.1 折流板（支持板）管孔直徑及公差
折流板管孔直徑及公差決定了與換熱管之間的間隙,當(dāng)該間隙為0.4和0.8時(shí)旁路的流體可達(dá)15%～30%,間隙過大,不僅降低了換熱器的傳熱性能,而且因換熱管支撐削弱而對(duì)管束防震不利,間隙過小又給換熱管穿管和換管造成困難,當(dāng)該間隙由1ｍｍ增加到1.4ｍｍ時(shí),殼程給熱系數(shù)和換熱器的總傳熱系數(shù)分別降低3%～7%和2%～6%,間隙值下降到0.6ｍｍ時(shí),給熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)分別增大4%～11%和3%～9%。
2.2.2 管板孔直徑及公差
管板孔直徑及公差的大小決定了與換熱管之間的間隙,該間隙過大,將增加脹接管端的冷作硬化程度,易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。由于脹緊度過大也易使換熱管脹不牢,甚至脹裂,同時(shí)也不利于換熱管與管板的對(duì)中和焊接。間隙過小易導(dǎo)致脹管困難。在特殊情況下,例如,為減輕奧氏體不銹鋼管的應(yīng)力腐蝕傾向,必須采取緊配合（使間隙值更小的特殊配合）。
2.2.3 換熱管與管板的連接工藝
換熱管與管板連接接頭的泄漏問題比較普遍,據(jù)統(tǒng)計(jì)約占換熱器總泄漏數(shù)的84.1%,接頭泄漏點(diǎn)的99.3%,其中脹緊度控制不當(dāng)是主要原因之一。
⑴脹接工藝
管子脹接連接的機(jī)械強(qiáng)度主要與管孔結(jié)構(gòu)和脹管率大小有關(guān),管孔結(jié)構(gòu)有以下3種形式:光孔—不開槽;
1槽孔—用于管板厚度≤25ｍｍ;
2槽孔—用于管板厚度>25ｍｍ。
（Ⅰ）脹緊度的選取
不同的管徑有不同的脹緊度要求,欠脹不能保證連接密度的可靠性和必須的拉脫力,過脹又因管板的塑性變形或管子的嚴(yán)重減薄帶來連接的松弛,甚至有時(shí)造成管子脹裂。脹接度的大小一般是以管子減薄率來表示的。ε=[ｄｉ′-（ｄｉ+ｃ）]/2ｔ×100式中:ε為管子壁厚減薄率（%）;ｄｉ′為脹后管內(nèi)徑（ｍｍ）;ｄｉ為脹前管內(nèi)徑（ｍｍ）;ｔ為管子壁厚（ｍｍ）;ｃ為脹前管孔與管子之間的間隙（ｍｍ）。脹緊度的選取,對(duì)于中低壓設(shè)備取ε=1.3%～1.9%,高壓設(shè)備可選取ε=2%～2.3%,如管子直徑較大或管子剛度較好,材料較硬,脹緊度可適當(dāng)提高一點(diǎn)。
（Ⅱ）脹接順序脹接前,應(yīng)先檢查管孔與管端的結(jié)合表面是否有油漬和異物存在,管端硬度是否低于管板的硬度（硬度差約為ＨＢ26左右）,脹接的環(huán)境溫度不低于-10℃,脹接合金鋼管時(shí)還應(yīng)提高環(huán)境溫度。管子脹在管板上后,由于管子的伸長(zhǎng),在管子連接處會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力,如脹接順序不合理,將會(huì)導(dǎo)致接頭上過大的附加應(yīng)力和管板過大的變形,從而降低脹接接頭的質(zhì)量,在脹第二塊管板時(shí),一般認(rèn)為合理的順序是從管板最外層管子開始,逐步脹到中心,否則中心部位管子拉應(yīng)力增加很多,甚至破壞。脹接潤(rùn)滑劑,目前大多采用煤油和機(jī)油,美國(guó)金屬學(xué)會(huì)規(guī)定,脹接時(shí)可以使用不含硫的礦物或豬油,含硫的潤(rùn)滑油有脆化作用（特別是對(duì)于鎳管）,也不能使用含鉛的油,因?yàn)殂U難于清洗干凈。⑵焊接工藝焊接不僅密封可靠,而且不存在脹接的高溫目前多采用先焊后脹。如采用先脹后焊,則在焊接收弧時(shí)由于空氣排不出去會(huì)引起氣孔,夾渣等缺陷,影響管子接頭的質(zhì)量。
2.3 主要部件的熱處理工藝
目前浮頭式換熱器,由于浮頭、管箱、外頭蓋焊后存在較高的殘余應(yīng)力,其殘余應(yīng)力分布見圖3,通過合理的熱處理工藝,可以最大限度地降低殘余應(yīng)力,為設(shè)備正常運(yùn)行創(chuàng)造條件。
在編制熱處理工藝時(shí),還應(yīng)參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)把握主要參數(shù),如入爐溫度、出爐溫度、升降溫速度、被加熱條件、保溫期間各單位溫差等。只有這樣才能切實(shí)降低和消除焊接殘余應(yīng)力。
3 結(jié) 論
通過對(duì)上述部分工藝的分析和換熱器制造的實(shí)際操作發(fā)現(xiàn),要保證換熱器制造的總體質(zhì)量,首先要控制好單個(gè)環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量,嚴(yán)格質(zhì)量監(jiān)督和檢查,才能使整臺(tái)設(shè)備達(dá)到質(zhì)量合格。