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袁翠竹(大连长风机械制造有限公司,辽宁大连 116045)
管壳式换热器是应用最广泛的热交换装置,与其他类型换热器相比,其承压能力高、结构紧固、用材广泛、维修装拆方便,在化工、动力、食品、轻工、能源等各种工程领域中普遍使用。管壳式换热器最常用的有固定管板式,浮头式,填料函式和Ｕ型管式等类型。近年来,随着石油化工设备的深入研究,管壳式换热器不仅向着大型化的方向发展(直径已超过了4650ｍｍ,换热面积已超过了5000～8000ｍ2),而且在设计结构上也有了许多新的突破,如在高温高压下用挠性薄管板代替了传统的厚管板等。这就为换热器的制造提出了更高的要求。与此同时,也对制造技术和操作运行技术提出了新的问题。目前,由于制造质量和操作运行不当所引发的各种安全事故和影响化工产品质量的问题时有发生,因此提高制造水平,严格制造工艺,就成为换热器可靠运行的先决条件和关键环节。本文以浮头换热器为例,着重从制造工艺角度探讨制造中的几个问题对设备质量的影响。
1 壳体加工质量对总体质量的影响
壳体的不圆度和不直度,筒体内径过大引起的缝隙不匀,会引起壳体介质的短路而影响壳程的换热系数和换热器的总传热系数,并且直接影响管束的装入和抽出的顺利程度。
1.1 圆筒纵、环焊缝的对口错边量(ｂ)和棱角(Ｅ)
错边量和棱角的大小,对一般容器的影响主要是应力分布的均匀性,产生一次局部薄膜应力和弯曲应力。国内外压力容器的标准见表1。
由于厚薄不同的钢板对接所引起的焊缝中心线偏移或由于成型时尺寸公差所引起的对接焊缝错边(见图1),在内压或外压作用下,将在容器壁上构成附加弯曲应力而使容器总应力增加,且不再沿壁厚基本上均匀分布,而造成明显的应力梯度,这时承受静载荷和交变载荷都是不利的。
1.2 焊缝余高(ｅ或ｅ1)和焊缝咬边
焊缝余高对最后一层焊道具有保温
焊缝咬边不仅削弱焊缝承载面积(见图2),更重要的是引起应力集中。如果材料延塑性不足而缺乏对局部高应力的再分布能力,则可能以此咬边为起点向其他部分开裂。当材料强度级别较高、材料厚度较大、载荷带有交变性质、周围腐蚀环境或低温下使用的容器,对咬边更应严格的控制。ＪＢ/ＴＱ423-90在评价换热器质量等级时,较ＧＢ150逐级有所提高,焊缝咬边的比较见表3。
1.3 壳体的圆度和直线度
壳体公差(直径公差,圆度和直线度)和折流板的直径与公差决定了两者之间径向间隙的大小,直接影响流体短路的程度。此间隙为4～8ｍｍ左右时,旁路流体可达10%左右,传热性能会明显下降。据日本有关资料介绍按ＪＰ17Ｓ-33制造的换热器,其最大间隙值时的壳程换热系数和总传热系数与标准值比较,分别下降18%～8%和13%～4%。标准比较见表4。
2.2 管束制造工艺对质量的影响
2.2.1 折流板(支持板)管孔直径及公差
折流板管孔直径及公差决定了与换热管之间的间隙,当该间隙为0.4和0.8时旁路的流体可达15%～30%,间隙过大,不仅降低了换热器的传热性能,而且因换热管支撑削弱而对管束防震不利,间隙过小又给换热管穿管和换管造成困难,当该间隙由1ｍｍ增加到1.4ｍｍ时,壳程给热系数和换热器的总传热系数分别降低3%～7%和2%～6%,间隙值下降到0.6ｍｍ时,给热系数和总传热系数分别增大4%～11%和3%～9%。
2.2.2 管板孔直径及公差
管板孔直径及公差的大小决定了与换热管之间的间隙,该间隙过大,将增加胀接管端的冷作硬化程度,易产生应力腐蚀。由于胀紧度过大也易使换热管胀不牢,甚至胀裂,同时也不利于换热管与管板的对中和焊接。间隙过小易导致胀管困难。在特殊情况下,例如,为减轻奥氏体不锈钢管的应力腐蚀倾向,必须采取紧配合(使间隙值更小的特殊配合)。
2.2.3 换热管与管板的连接工艺
换热管与管板连接接头的泄漏问题比较普遍,据统计约占换热器总泄漏数的84.1%,接头泄漏点的99.3%,其中胀紧度控制不当是主要原因之一。
⑴胀接工艺
管子胀接连接的机械强度主要与管孔结构和胀管率大小有关,管孔结构有以下3种形式:光孔—不开槽;
1槽孔—用于管板厚度≤25ｍｍ;
2槽孔—用于管板厚度>25ｍｍ。
(Ⅰ)胀紧度的选取
不同的管径有不同的胀紧度要求,欠胀不能保证连接密度的可靠性和必须的拉脱力,过胀又因管板的塑性变形或管子的严重减薄带来连接的松弛,甚至有时造成管子胀裂。胀接度的大小一般是以管子减薄率来表示的。ε=[ｄｉ′-(ｄｉ+ｃ)]/2ｔ×100式中:ε为管子壁厚减薄率(%);ｄｉ′为胀后管内径(ｍｍ);ｄｉ为胀前管内径(ｍｍ);ｔ为管子壁厚(ｍｍ);ｃ为胀前管孔与管子之间的间隙(ｍｍ)。胀紧度的选取,对于中低压设备取ε=1.3%～1.9%,高压设备可选取ε=2%～2.3%,如管子直径较大或管子刚度较好,材料较硬,胀紧度可适当提高一点。
(Ⅱ)胀接顺序胀接前,应先检查管孔与管端的结合表面是否有油渍和异物存在,管端硬度是否低于管板的硬度(硬度差约为ＨＢ26左右),胀接的环境温度不低于-10℃,胀接合金钢管时还应提高环境温度。管子胀在管板上后,由于管子的伸长,在管子连接处会产生附加应力,如胀接顺序不合理,将会导致接头上过大的附加应力和管板过大的变形,从而降低胀接接头的质量,在胀第二块管板时,一般认为合理的顺序是从管板最外层管子开始,逐步胀到中心,否则中心部位管子拉应力增加很多,甚至破坏。胀接润滑剂,目前大多采用煤油和机油,美国金属学会规定,胀接时可以使用不含硫的矿物或猪油,含硫的润滑油有脆化作用(特别是对于镍管),也不能使用含铅的油,因为铅难于清洗干净。⑵焊接工艺焊接不仅密封可靠,而且不存在胀接的高温目前多采用先焊后胀。如采用先胀后焊,则在焊接收弧时由于空气排不出去会引起气孔,夹渣等缺陷,影响管子接头的质量。
2.3 主要部件的热处理工艺
目前浮头式换热器,由于浮头、管箱、外头盖焊后存在较高的残余应力,其残余应力分布见图3,通过合理的热处理工艺,可以最大限度地降低残余应力,为设备正常运行创造条件。
在编制热处理工艺时,还应参照有关标准把握主要参数,如入炉温度、出炉温度、升降温速度、被加热条件、保温期间各单位温差等。只有这样才能切实降低和消除焊接残余应力。
3 结 论
通过对上述部分工艺的分析和换热器制造的实际操作发现,要保证换热器制造的总体质量,首先要控制好单个环节的施工质量,严格质量监督和检查,才能使整台设备达到质量合格。
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