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管殼式換熱器管板與換熱管焊接常見質量問題的預防

用于化工生産的設備中,換熱器占很大比例,約占設備投資的20%~40%。換熱爲化工過程中最基本的單元操作,換熱器完好與否對化工生産影響很大。管殼式換熱器因其結構堅固、適應性大、制造工藝成熟等優點,成爲主要的化工換熱設備。

  換熱器由于受壓、介質有腐蝕性、流動磨蝕,尤其是固定管板換熱器還有溫差應力,管板與換熱管聯接處極易泄漏,導致換熱器失效。通常,管板與換熱管聯接有三種方式:焊接、脹接、脹接加焊接。脹接有長久曆史,已積累了豐富經驗,對管板變形等影響小,但制造工藝複雜,承受壓力波動、溫度變化差,在常見的管殼式換熱器中應用已逐漸減少。脹接加焊接結構雖然克服了脹接強度不夠和焊接存在應力腐蝕破裂等缺點,但制造工藝更加複雜,且在制造過程中脹接和焊接過程會相互影響,難以控制制作質量,成本高,故僅用于有特殊使用要求的場合。而焊接因管板加工要求低,制造工藝簡便,有較好的緊密性,故應用最爲普遍。

管板與換熱管焊接常見問題

   笔者所在单位是一家主要一本到免费视频综合氮肥、液氨、有机胺化工一本到免费视频综合兼压力容器设计制造的公司,有很多自制的管壳式换热器,以前常发生换热器泄漏,尤其是介质为循环水或水和有机物混合的碳钢换热器,泄漏频繁,给一本到免费视频综合带来很大损失。经现场察看及与制造部门共同分析认为,其主要原因往往是一些制造时容易忽视的细节,管板与换热管焊接存在常见质量问题;其次,水和有机物的混合物有较强的腐蚀也是促进因素。   

(1)焊接長度不符合規定

  国标GB151-1999第5.8.3条强度焊的结构尺寸如图1所示。制造时管板加工坡口常偏小,例如普通换热管19×2、25×2,国标规定l3须不小于2mm, 32×2.5以上不小于2.5mm,当壁厚增加时还须适当增大,而实际却未达到。另外普通换热管19×2、25×2伸出长度l1不小于1.5mm,压力高工况时伸出长度l2加长为2.5mm; 32×2.5换热管伸出长度不小于2.5mm,压力高工况时伸出长度l2加强长达3.0mm。而实际上,由于组装、下料控制不好等因素,甚至有些焊工焊接习惯的原因,也经常达不到所要求的尺寸。这样,焊接长度必然小于规定要求,其承载能力下降,虽按GB151-1999计算拉脱力q=σt.a/(πdl)设计合格,但实际上却可能超标。   

(2)焊接前處理方法不好導致焊接質量差

  在制造過程中,常見碳鋼換熱管管頭清理不淨或管頭清理後較長時間未組裝又生鏽;管板加工後長時間放置生鏽或塗油防鏽,組裝時均難清理,從而導致焊肉中雜質多。

(3)焊接方法不當導致質量差

  采用手工電弧焊時,引弧和熄弧直接在聯接的角焊縫上,管板垂直位置焊接,焊縫一次成形等,都較易導致夾渣和氣孔。

分析和措施

  换热管和管板焊接接头受载较特殊,除了受管程和壳程压力差外,还有管板变形,尤其是固定管板换热器还有温差应力,角焊接头本身具有应力集中,存在焊接热应力,尽管部分应力具有自限性,但管板为密集开孔,焊接热影响大,应力集中点多,微裂纹产生的可能性大。制造时虽有一段时间超压试验检漏,但在实际使用中,承受管程和壳程升卸压等压力波动和温度的变化,焊接产生的气孔、夹渣、微裂纹在类似疲劳载荷作用下会迅速扩展,造成泄漏,特别当焊缝厚度薄时,承受能力更为不足。我公司曾有一台固定管板换热器在使用一个月后停车检修,经修补、试漏合格后开车又泄漏,连续多次,不断地有新的管子与管板焊接接头漏点出现。   

針對上述情況,我們采用了合理的加工工藝和時間安排:首先,換熱器的組裝緊接在管板加工之後,孔加工坡口尺寸到位;換熱管打磨管頭後立即組裝,並檢查伸出長度,不合格者調整更換;將換熱器吊立(可在車間地面挖建深井,便于換熱器放置),管板水平放置,對U型管束可支撐其管板,盡量使管板接近水平。在焊前用鋼絲刷清理,壓縮空氣吹淨等方法使見金屬光澤。在焊接過程中,采用合理的焊接工藝和速度,每根焊條應焊完整個管的焊縫且在四孔中間三角區引弧和熄弧。對于碳鋼換熱器采用雙道焊接,先將管板和換熱管焊接一道,然後用鋼絲刷等清理幹淨,根據現場情況采用試壓檢查或著色等方法檢查,有經驗者也可直接肉眼檢查,對漏點和裂紋要打磨掉後補焊。上述所有工序完成後再焊接一道。通過雙道焊接,使焊接接頭尺寸達到設計要求;通過中間檢查,有效地消除焊接缺陷,從而保證換熱器和管板焊接接頭質量。對于一些耐蝕性能好的不鏽鋼材質且采用氩弧焊等來保證焊縫質量的換熱器,則可視情況采用一道或二道焊接,但也須采用合理的焊接工藝和速度來充分保證焊接接頭質量。采取上述措施後,有效地提高了換熱管和管板焊接接頭的質量。近幾年來我公司制造的管殼式換熱器在使用中沒有出現管板泄漏事故,節省了維修費用,減少了生産損失。

結束語

  管殼式換熱器尤其是固定管板式換熱器中管板和換熱管焊接接頭受載複雜,且化工介質又具腐蝕性,焊接缺陷極易誘發裂紋擴展;管殼式換熱器本身在制造中工序多,要求高,有些方面常被忽視,容易産生缺陷,且在次數少的超壓檢驗中難以發現,應在制造中采用正確方法,保證焊接質量。對于一些使用環境差、質量要求高的換熱器,特別是碳鋼材質換熱器,應采用特殊的制造工藝,如雙道焊接,中間檢查等,這樣可大大提高換熱器質量,滿足苛刻的使用要求。
 
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