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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

用于化工生產的設備中,換熱器占很**例,約占設備投資的20%～40%。換熱為化工過程中最基本的單元操作,換熱器完好與否對化工生產影響很大。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,成為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。脹接有長久歷史,已積累了豐富經驗,對管板變形等影響小,但制造工藝復雜,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,但制造工藝更加復雜,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,故應用最為普遍。2管板與換熱管焊接常見問題

筆者所在單位是一家主要生產氮肥、液氨、有機胺化工產品兼壓力容器設計制造的公司,有很多自制的管殼式換熱器,以前常發生換熱器泄漏,尤其是介質為循環水或水和有機物混合的碳鋼換熱器,泄漏頻繁,給生產帶來很大損失。經現場察看及與制造部門共同分析認為,其主要原因往往是一些制造時容易忽視的細節,管板與換熱管焊接存在常見質量問題;其次,水和有機物的混合物有較強的腐蝕也是促進因素。(1)焊接長度不符合規定

國標GB151-1999第5.8.3條強度焊的結構尺寸如圖1所示。制造時管板加工坡口常偏小,例如普通換熱管19×2、25×2,國標規定l3須不小于2mm,32×2.5以上不小于2.5mm,當壁厚增加時還須適當增大,而實際卻未達到。另外普通換熱管19×2、25×2伸出長度l1不小于1.5mm,壓力高工況時伸出長度l2加長為2.5mm;32×2.5換熱管伸出長度不小于2.5mm,壓力高工況時伸出長度l2加強長達3.0mm。而實際上,由于組裝、下料控制不好等因素,甚至有些焊工焊接習慣的原因,也經常達不到所要求的尺寸。這樣,焊接長度必然小于規定要求,其承載能力下降,雖按GB151-1999計算拉脫力q=σt.a/(πdl)設計合格,但實際上卻可能超標。

(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凈或管頭清理后較長時間未組裝又生銹;管板加工后長時間放置生銹或涂油防銹,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3分析和措施

換熱管和管板焊接接頭受載較特殊,除了受管程和殼程壓力差外,還有管板變形,尤其是固定管板換熱器還有溫差應力,角焊接頭本身具有應力集中,存在焊接熱應力,盡管部分應力具有自限性,但管板為密集開孔,焊接熱影響大,應力集中點多,微裂紋產生的可能性大。制造時雖有一段時間超壓試驗檢漏,但在實際使用中,承受管程和殼程升卸壓等壓力波動和溫度的變化,焊接產生的氣孔、夾渣、微裂紋在類似疲勞載荷作用下會迅速擴展,造成泄漏,特別當焊縫厚度薄時,承受能力更為不足。我公司曾有一臺固定管板換熱器在使用一個月后停車檢修,經修補、試漏合格后開車又泄漏,連續多次,不斷地有新的管子與管板焊接接頭漏點出現。

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后,孔加工坡口尺寸到位;換熱管打磨管頭后立即組裝,并檢查伸出長度,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,壓縮空氣吹凈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,然后用鋼絲刷等清理干凈,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后補焊。上述所有工序完成后再焊接一道。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銹鋼材質且采用氬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。采取上述措施后,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,減少了生產損失。4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復雜,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,容易產生缺陷,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.