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管壳式换热器管束加工工艺要点分析

点击:1164 日期:[ 2014-04-26 21:58:07 ]
                            管壳式换热器管束加工工艺要点分析                                     文东林 甘锡恩                              (广东申菱空调设备有限公司)     摘要:对换热器管束加工工艺进行有效控制,并实践论证管板焊接、换热管装配、薄壁换热管胀接的加工 工艺,从而解决换热器管板变形及换热管胀接失效问题。     关键词:焊接;管束;胀管率;变形;热传递;壳管式换热器      管束是管壳式换热器的重要组成部分,因而管束的加工工艺尤显重要。如果没有合理的加工工艺,往往会导致换热管胀接失效、管板变形,严重时甚至使整台换热器报废。笔者从实用角度分析管壳式换热器管束加工过程中的几个关键工序:筒体与管板焊接、换热管装配、换热管胀接,以确保换热器质量。     1 选用合理的焊接方法     根据GB150—1998《钢制压力容器》、JB/T 4750—2003《制冷装置用压力容器》及《压力容器安全技术监察规程》,筒体与管板的组焊属于角接接头(C类焊缝),要求全焊透结构。为了满足相关 规定的要求,提高加工性能,减少焊接变形,经过实验证明确定了以下方法。     1.1 焊接结构确定     筒体端面加工(45±2)°的坡口,留钝边1~2mm, 管板加工装配台阶,台阶直径比筒体内径小4~5 mm,管板与筒体端面装配间隙1~2mm,见图1。     1.2 选择合理的焊接方法     根据上述焊接结构要求及与各种焊接方法性 能对比,CO2气体保护焊具有焊接质量好,生产效 率高,焊接成本低,无渣,成形美观等优点,因此优 选CO2气体保护焊。                        1.3 确定CO2气体保护焊焊接参数     为了控制焊接变形量及焊接质量, 1)不同厚度的筒体,采用不同的焊接层数:筒 体厚度在4.5~7mm范围时,选用一层焊接成形; 筒体厚度在7~11mm范围时,选用二层焊接成形。     2)当采用二层焊接成形时,第2层施焊时应 与第1层时间间隔15~20min。     3)施焊前应清除焊接坡口及坡口两侧20mm 范围内的油污、杂物、锈迹、氧化层。     采用以上各参数及技术要点焊接试样,通过 解剖试验分析等工艺评定,经技术监督局确认,均 符合相关要求。     2 选取合理的管束装配     2.1 焊接热过程的特点    1)焊接热过程的局部集中性:熔化焊接时,在 短时间内,热源集中作用在焊件接口部位及附近, 不是整体加热,只是局部区域,加热冷却极不 均匀。     2)焊接热过程的瞬时性:焊接加热速度极快 (电弧焊温度可达(1 500℃/s以上),在短时间内 将大量热能传递给焊件。     3)焊接热源的运动性:焊接过程中热源是移 动的,使焊件受热区不断变化,当焊接某一点时该 点区域温度会迅速上升。     因此,如何减小焊件的变形,减少焊接热影响 区,是焊接研究的重点。     2.2 管束装配     很多厂家都是先焊接管板后再穿插换热管, 然后再在胀接工序中采用涂密封胶剂机械胀接。 但此方法难以控制,质量不稳定,效率低,加工者 需要熟练的操作技术及良好的配套加工工艺。因 此,选用合理的管束装配工艺,使得操作简便,质 量得到保证显得尤为关键。在实际生产中笔者作 了相应试验对比分析。 下面以焊接直径为230mm,厚度为30mm的 管板和厚度为5mm的筒体为例。焊接检验对比见表2。     1)焊接时产生大量热量,全部集中在管板与 筒体零件中,温度不断升高,只依靠空气传热散 发,无法迅速散热,边缘管孔最高可达600~800 ℃,冷却后很容易造成管板变形(见图2)。 2)管板孔为正三角形排列,边缘排孔与施焊 点间只有10~15mm的距离,孔桥尺寸为3.5~ 5.5mm,强度差异,焊后受热不均,加大了管孔变 形量。因此在后序胀接时容易失效泄漏(见图3)。 3)焊接管板时,集中在管板上的热量传递到 换热管(钢板导热系数为34.6W/(m·℃),铜管 导热系数为330W/(m·℃)),换热管的导热系数 是钢板的约10倍,因而吸收管板上大量热量,而且 这种加工方法可以加大换热面积,热量可以迅速 对流散发到空气中,从而使得管板温度大量降低, 孔桥受热均匀,变形量少,便于后期胀接工序。 4)换热管受管板热量传递受热,温度可达到 300~500℃,相当于对胀管段退火处理,获得良好 的胀接状态。     3 胀管率的确定     目前,在我国换热管与管板胀接方法有柔性胀接和机械胀接2种。由于机械胀接操作简便,性能稳定,耗能较低,因此笔者推荐使用后者。为了确保胀管质量,应调整合适的胀管率。通常用胀紧程度与管板孔原有直径,换热管内径或换热管壁厚的百分比来表示胀管率,常用公式为                      式中:d1为胀管前管子内径(mm);d2为胀管后管 子内径(mm);d为管板上管孔实际直径(mm);δ 为管子外径的间隙(mm)。     根据管壳式换热器使用特点及工况,并经过多 台管孔试样胀接试验,笔者推荐GB10764—1989 《汽轮机低压给水加热器》,胀管率H在1%~4%范 围内,在拉脱力及密封性方面都经过验证。     胀接时应注意以下几点:     1)管板材料硬度应高于换热管材料硬度,否则 应在胀管段进行退火处理。对于制冷装置管壳式换 热器设备推荐使用T2M状态换热管,无须热处理。     2)管板孔与换热管外径之间间隙一定严格控制。     3)管板孔内不允许有毛剌、锈迹、油污现象, 开槽深度不能超过0.5mm。     4)铜管不允许有起皮、裂纹、轴向伤痕等缺 陷,采用全厚度常温胀接。     4 结论     1)管板焊接时,严格按照CO2气体保护焊焊 接工艺参数施焊,减少焊接变形。     2)焊接管板前先装配换热管,减少管板、管孔 变形,利于换热管胀接。     3)确定胀管率,在同类同直径的换热管中,按 公式(1)计算检验,调节胀紧力,胀管率控制在 1%~4%范围内。 参考文献 [1] GB150—1998钢制压力容器. [2] GB151—1999管壳式换热器. [3] GB10764—1989汽轮机低压给水加热器. [4] 张文钺.焊接传热学.北京:机械工业出版社,1989. [5] JB/T4750—2003制冷装置用压力容器. 
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