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管壳式换热器管板与换热管焊接常见质量问题的预防

用于化工生产的设备中,换热器占很大比例,约占设备投资的20%~40%。换热为化工过程中最基本的单元操作,换热器完好与否对化工生产影响很大。管壳式换热器因其结构坚固、适应性大、制造工艺成熟等优点,成为主要的化工换热设备。

  换热器由于受压、介质有腐蚀性、流动磨蚀,尤其是固定管板换热器还有温差应力,管板与换热管联接处极易泄漏,导致换热器失效。通常,管板与换热管联接有三种方式:焊接、胀接、胀接加焊接。胀接有长久历史,已积累了丰富经验,对管板变形等影响小,但制造工艺复杂,承受压力波动、温度变化差,在常见的管壳式换热器中应用已逐渐减少。胀接加焊接结构虽然克服了胀接强度不够和焊接存在应力腐蚀破裂等缺点,但制造工艺更加复杂,且在制造过程中胀接和焊接过程会相互影响,难以控制制作质量,成本高,故仅用于有特殊使用要求的场合。而焊接因管板加工要求低,制造工艺简便,有较好的紧密性,故应用最为普遍。

管板与换热管焊接常见问题

   笔者所在单位是一家主要生产氮肥、液氨、有机胺化工产品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,给生产带来很大损失。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)焊接长度不符合规定

  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)焊接前处理方法不好导致焊接质量差

  在制造过程中,常见碳钢换热管管头清理不净或管头清理后较长时间未组装又生锈;管板加工后长时间放置生锈或涂油防锈,组装时均难清理,从而导致焊肉中杂质多。

(3)焊接方法不当导致质量差

  采用手工电弧焊时,引弧和熄弧直接在联接的角焊缝上,管板垂直位置焊接,焊缝一次成形等,都较易导致夹渣和气孔。

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。   

针对上述情况,我们采用了合理的加工工艺和时间安排:首先,换热器的组装紧接在管板加工之后,孔加工坡口尺寸到位;换热管打磨管头后立即组装,并检查伸出长度,不合格者调整更换;将换热器吊立(可在车间地面挖建深井,便于换热器放置),管板水平放置,对U型管束可支撑其管板,尽量使管板接近水平。在焊前用钢丝刷清理,压缩空气吹净等方法使见金属光泽。在焊接过程中,采用合理的焊接工艺和速度,每根焊条应焊完整个管的焊缝且在四孔中间三角区引弧和熄弧。对于碳钢换热器采用双道焊接,先将管板和换热管焊接一道,然后用钢丝刷等清理干净,根据现场情况采用试压检查或着色等方法检查,有经验者也可直接肉眼检查,对漏点和裂纹要打磨掉后补焊。上述所有工序完成后再焊接一道。通过双道焊接,使焊接接头尺寸达到设计要求;通过中间检查,有效地消除焊接缺陷,从而保证换热器和管板焊接接头质量。对于一些耐蚀性能好的不锈钢材质且采用氩弧焊等来保证焊缝质量的换热器,则可视情况采用一道或二道焊接,但也须采用合理的焊接工艺和速度来充分保证焊接接头质量。采取上述措施后,有效地提高了换热管和管板焊接接头的质量。近几年来我公司制造的管壳式换热器在使用中没有出现管板泄漏事故,节省了维修费用,减少了生产损失。

结束语

  管壳式换热器尤其是固定管板式换热器中管板和换热管焊接接头受载复杂,且化工介质又具腐蚀性,焊接缺陷极易诱发裂纹扩展;管壳式换热器本身在制造中工序多,要求高,有些方面常被忽视,容易产生缺陷,且在次数少的超压检验中难以发现,应在制造中采用正确方法,保证焊接质量。对于一些使用环境差、质量要求高的换热器,特别是碳钢材质换热器,应采用特殊的制造工艺,如双道焊接,中间检查等,这样可大大提高换热器质量,满足苛刻的使用要求。
 
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