换热设备典型焊接结构设计分析

换热设备典型焊接结构设计分析二OO五年十一月四日主要内容：换热设备焊接结构的重要性换热设备焊接结构设计要求及原则压力容器焊缝形式及分类换热设备典型焊接结构结束语1、换热设备焊接结构的重要性换热设备的一大特点是压力容器数量多，操作条件复杂，具有爆炸危险，而且一旦爆炸，危害极大。事实证明，换热设备的断裂和爆炸事故，大多源于其上的焊接接头。因此，良好的焊接结构设计与制造，是确保换热设备安全、可靠运行的关键。换热设备的焊接结构是由：筒体、封头、接管、法兰、管板及换热管等基本构件通过焊接接头（或胀接）连接成的整体。该整体构成换热设备的重要组成部分。因此，掌握好这些基本构件和焊接接头的设计，对进行换热设备的整体设计至关重要。合理的设计可以减轻设备重量，节约金属，提高经济效益。例如：薄管板与常规厚管板设计比较。2.换热设备焊接结构设计要求及原则2.1总的设计要求总的设计要求：结构的整体和各部分在使用过程中不应产生失效（弹性失效、塑性失效及断裂等），并达到所要求的使用性能。结构所要求的使用性能决定于以下因素：载荷的大小和种类、使用温度、使用环境以及由这些条件相应确定的设计原则。设计过程中，依据操作载荷的大小和种类，准确分析结构各部分在操作条件下的应力，确定合理、经济的结构方案，以满足结构的各项设计要求。焊接结构的好坏，决定于结构的焊接接头实际性能能否较好地达到所要求的性能要求。焊接结构的设计与材料及加工方法有关。为提高焊接结构的可靠性，重要的是从设计、材料、加工等各方面综合考虑，使焊接接头满足要求。2.2焊接接头的设计原则焊接接头的设计应遵循以下原则：1)合理选择接头型式。2)焊缝填充金属应尽量少。3)合理选择坡口角度、钝边高和根部间隙等结构尺寸，使之有利于坡口加工和焊透，以最大限度地减少焊接缺陷。4)按等强度要求，接头的强度应不低于母材标准规定的强度下限值。5)焊缝外形应尽量连续、圆滑过渡，以减少应力集中。3.压力容器焊缝形式及分类3.1压力容器焊接接头形式换热设备的结构型式是多种多样的，换热器壳体符合压力容器要求的制造要求最高，其基本主体的构成多为圆柱形、圆锥形、球形的壳体，这些壳体与封头、接管、法兰、支座、密封元件的组合，构成一种典型的焊接结构。压力容器中，焊接接头主要形式有：对接、角接、搭接接头。1）对接容器的主体、筒体与封头等重要部位的连接均采用对接接头，因对接接头受力比较均匀，强度可达到与母材相等。2）角接管接头与壳体的连接多用角接头。3）搭接搭接接头主要用于非受压部件与受压壳体的连接。鞍座，裙座，补强圈等。3.2压力容器焊缝分类按GB150-1998《钢制压力容器》，对于温度t≥20℃的钢制单层、多层包扎、热套压力容器的焊缝，按其所在的位置，分为A、B、C、D四类。如图3-1所示。举例1；举例2.A类焊缝：筒节的拼接纵缝、封头瓣片拼接缝、筒节与半球封头的环缝，嵌入式接管与圆筒、封头的对接缝等。B类焊缝：筒节的环缝，锥形封头小端与接管连接的焊缝等。C类焊缝：法兰、平封头、管板等与壳体、接管连接的焊缝等。D类焊缝：接管、人孔、凸缘等与壳体连接的焊缝。图3-1压力容器焊缝分类3.3对不同类别焊缝的要求GB150-1998《钢制压力容器》对分类不同的焊缝有不同的规定要求：1)探伤方法和合格等级A、B类焊缝的射线探伤按JB4730《压力容器无损检测》进行，检查结果对100％探伤的，II级的为合格；局部探伤的III级为合格。A、B类焊缝超声波探伤按JB4730《压力容器无损检测》进行，检查结果对100％探伤的，I级为合格；局部探伤的，Ⅱ级为合格。公称直径小于250mm，且壁厚小于等于28mm时仅做表面无损检测（磁粉或着色），其合格级别为JB4730规定的I级。注：进行100％无损检测或局部无损检测由标准：GB150、GB151等规定。2)对口错边量b和棱角度E对口错边量b直接导致结构不连续影响容器的应力分布均匀性。而错边量b对应力分布的影响，主要取决于b与板厚δ之比b/δ，考虑工艺实现的可能性，我国标准参照ASMEⅧ-1，按δ的不同，确定b的允许值，且A类焊缝严于B类焊缝。详见图3-2和表3-1。图3-2图3-3复合钢板的对口错边量b不大于复层板厚度的50%，且不大于2mm。见图3-3。3)焊缝余高h（要过程不要结果）优势：压力容器的焊缝多为多层焊（电渣焊除外），下一层焊缝对上一层起保温、缓冷的作用，可使焊接残余应力下降，改善组织性能，而余高h对最后一层焊缝有上述作用，所以h是工艺需要的。劣势：余高h本身相当于局部形状突变，会产生应力集中，可能成为发生疲劳断裂，脆断的根源。根据余高h对疲劳强度影响的试验表明，裂纹均从余高边缘产生，内壁焊缝余高打磨加工的比保留余高的疲劳强度高2.1~2.5倍。目前，国外的标准除了日本《压力容器构造规范》外，多数标准允许—定尺寸的余高，我国标准据国内制造工艺、工装水平，规定见表3-2。表3-2焊缝余高h焊缝深度δ(mm)焊缝余高(h)(mm)手工焊自动焊≤1212＜δ≤2525＜δ≤5050＜δ0~1.50~2.50~30~40~40~40~40~44)角焊缝的焊脚KC、D类焊缝在图样无规定时，取焊件中较薄者之厚度。补强圈的焊脚，当补强圈的厚度大于8mm时，K等于补强圈厚度的70％，且不小于8mm。5)焊缝间距相邻筒体的A类焊缝间的距离，封头上A类焊缝端点与相邻筒体的A类焊缝间的距离均应大于等于3δn，且大于100mm。公司要求：200-300mm。在符合标准要求的情况下，尽量小，以利于接管开孔（不至于开到焊缝上）。4.换热设备常用焊接结构换热设备的焊接接头的设计的合理性是保证其制造、运行安全可靠的基本条件。换热装备焊接结构较常见的典型接头型式有：1）主体的焊接接头2）接管与壳体的焊接接头3）接管与法兰的焊接接头4）管板与筒体及管子的焊接接头4.1主体的焊接接头容器主体多为A、B类对接接头。这是量多、应用较普遍的接头型式，其基本型式和尺寸应符合GB/T985-1988《气焊、焊条电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》，GB/T986-1988《埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》，及JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》的规定。1)筒体和封头纵、环焊缝的焊接接头：结合受压容器的特点，应注意以下原则：①尽量采用全焊透的焊接坡口，当筒体内径600mm时，一般采用单面焊；筒体内径≥600mm时，可采用双面焊。②筒体内径为300-500mm，且长度500mm时，其纵焊缝可用双面焊。③为改善劳动条件，应在容器壁内侧用小坡口。④不焊透的单面焊缝和带永久衬环的单面焊缝，只能在产品技术条件允许时采用。⑤不等厚钢板对接时，当薄板厚度δ2≤10mm，两板厚度差（δ1-δ2）＞3mm，或当薄板厚度δ2＞10mm，（δ1-δ2）＞30%δ1，或超过5mm时，均需按图4-1的要求削薄厚板的边缘，削薄的长度L1≥3（δ1-δ2）。L1,L2≥3(δ1-δ2)图4-1不等厚对接结构2)筒体与封头的焊接接头筒体与封头的对接接头的等厚、不等厚连接结构，按图4-2所示的要求。其中(a)~(e)为对接接头，这是最常用的连接形式；图4-2筒体与封头的联接4.2接管与壳体的焊接接头由于操作、测试和检修的需要，壳体上需开孔接管。开孔不仅削弱了器壁，而且在开孔接管附近区域会产生很高的峰值应力。接管与壳体的连接大多为角焊缝，焊透性差，探伤也困难。所以接管与壳体连接焊缝的质量对于确保容器安全运行是致关重要的。按接管与壳体的连接方式不同，对其有不同的要求。常见的为插入式连接结构。插入式结构：如图4-3，4-4，4-5所示。插入式接管与壳体的连接要求：1.接管与壳体之间的间隙应≤3mm；2.在下列使用条件下，接管内径边角处应倒圆，圆角半径取R=δnt/t或R=19mm两者中的较小值。①承受疲劳载荷的压力容器；②低温压力容器；③钢材的标准常温抗拉强度σb540MPa的容器。插入式结构分类：1.平齐式和内伸式。图4-3中(b)、(d)、(e)，图4-4中(a)、(b)、(d)，图4-5中(b)、(c)所示结构，接管端与主体内表面平齐，称为平齐插入式接管。其余图中所示接管端伸入主体内表面称为内伸插入式接管。2.插入式接管按其补强形式又分为无补强圈的接管结构和带补强圈的接管结构。①无补强圈的接管焊接结构接管与壳体间连续焊缝按其是否熔透，又分为非全熔透的T型接头（如图4-3所示）和全熔透的T型接头（如图4-4）。其中非全熔透的焊缝，不适用于有急剧温度梯度的场合。无补强圈的接管焊接结构可分单面坡口焊缝形式(如图4-3(b),4-4(a)、(b))和双面坡口焊缝形式(如图4-3(a)，(c)，(d)，(e)，4-4(c)、(d)、(e)。单面坡口焊缝形式适用于直径≤500或不能直接进入内部焊接的容器，壁厚约在6~20mm之间，操作压力P≤1.6MPa。双面焊接的容器直径必须大于500mm。图4-3无补强圈、非全熔透焊缝的T型接头K≥δnt/2且不小于6mm,K≥δnt/2且不小于6mm,K≥δnt/2且不小于6mm,S=2/3δntS=2/3δntS1=δntb=3mm,R=6~10图4-4无补强圈，全熔透焊缝的T型接头②有补强圈的接管焊接结构有补强圈接管与壳体的连接如图4-5所示。这些结构不适用于有急剧温度梯度的场合。要求补强圈与壳体紧密贴合，并应有M10的讯号孔。图4-5有补强圈的T型接头4.3接管与法兰的焊接接头钢制法兰与接管的连接，有角接和对接两种，如图4-6所示。角接结构主要用于工作压力≤2.5MPa的容器，对接一般用于较高工作压力容器。铝、铜制容器，主要采用活套法兰如图4-7所示。图4-6接管与法兰的焊接接头图4-7活塞法兰结构4.4管板与筒体及管子的焊接接头1)管板与筒体的焊接接头换热器的型式决定了管板与筒体的连接形式。固定管板换热器的管板与筒体的连接，当无人孔时，采用一端或两端单面焊形式。①板兼作法兰时与筒体的连接如图4-8所示。(a)为不焊透单面焊接接头，只适用于筒体壁厚δ≤12mm,工作压力Ps≤1MPa的场合，不能用于易燃、易爆、易挥发及有毒介质的场合。对于Ps≥1MPa的容器可选用带衬环或带锁口的接头形式，其中(b)、(c)结构可用于Ps≤4MPa；(d)、(e)结构可用于Ps4MPa。对于管板与筒体焊接后需经加热处理的结构，可采用带短节的筒体形式，如图(f)所示。②管板不兼作法兰时与筒体的连接可采用图4—9所示结构，其中(a)、(b)结构宜用于Ps≤4MPa的场合，(c)、(d)结宜用于Ps≥6MPa的场合。图4-8管板兼作法兰时与筒体的连接图4-9管板不兼作法兰时与筒体的连接结构2、管板与管子的焊接接头管子与管板的连接，在管壳式换热器的设计中，是一个比较重要的结构部分。它不仅加工量大，而且必须使每一个连接处在设备的运行中，保证介质无泄漏且具有承受介质压力的能力。管板与管子的连接形式可有（1）胀接，（2）焊接，（3）胀焊结合形式。（1）胀接形式贴胀主要是为消除换热管与管孔之间缝隙的轻度胀接；强度胀是指管板与换热管连接处的密封和抗拉强度均由胀接来保证的连接。它适用于管壳之间介质渗透不会引起不良后果的情况下，胀接结构简单，管子修补容易。（2）焊接形式管子与管板的焊接结构，因管孔不需要开槽，管孔的粗糙度要求不高，加工制作方便，抗拉脱力强，结构强度高，补焊、拆卸都比胀管方便，应用较广泛。通常称强度焊，若管子仅高处管板1mm，称为密封焊，密封焊只保证管子与管板连接的密封性能，不能保证其拉脱强度，典型结构如图4—10所示。(a)为最常用的焊接结构形式；(c)结构可避免停车后管板上积有残液，同时减少流体进管口时的阻力。(b)结构在管孔周围开沟槽，能减少焊接应力，适用于管板经焊接后(氩弧焊)不允许产生变形的场合，不锈钢管与管板的焊接多采用此结构，但加工麻烦，工作量大。小直径管子不能胀接时，常采用(d)结构