換熱設備典型焊接結構設計分析

1、換熱設備典型焊接結構設計分析,報告人：程延海二OO五年十一月四日,主要內容：,換熱設備焊接結構的重要性換熱設備焊接結構設計要求及原則壓力容器焊縫形式及分類換熱設備典型焊接結構結束語,1、換熱設備焊接結構的重要性,換熱設備的一大特點是壓力容器數量多，操作條件復雜，具有爆炸危險，而且一旦爆炸，危害極大。事實證明，換熱設備的斷裂和爆炸事故，大多源于其上的焊接接頭。因此，良好的焊接結構設計與制造，是確保換熱設備安全、可靠運行的關鍵。

2、換熱設備的焊接結構是由：筒體、封頭、接管、法蘭、管板及換熱管等基本構件通過焊接接頭（或脹接）連接成的整體。該整體構成換熱設備的重要組成部分。因此，掌握好這些基本構件和焊接接頭的設計，對進行換熱設備的整體設計至關重要。合理的設計可以減輕設備重量，節(jié)約金屬，提高經濟效益。例如：薄管板與常規(guī)厚管板設計比較。,,,,,2 .換熱設備焊接結構設計要求及原則2.1 總的設計要求,總的設計要求：結構的整體和各部分在使用過程中不應產生失效（彈性失

3、效、塑性失效及斷裂等），并達到所要求的使用性能。結構所要求的使用性能決定于以下因素：載荷的大小和種類、使用溫度、使用環(huán)境以及由這些條件相應確定的設計原則。設計過程中，依據操作載荷的大小和種類，準確分析結構各部分在操作條件下的應力，確定合理、經濟的結構方案，以滿足結構的各項設計要求。焊接結構的好壞，決定于結構的焊接接頭實際性能能否較好地達到所要求的性能要求。焊接結構的設計與材料及加工方法有關。為提高焊接結構的可靠性，重要的是從設計、材

4、料、加工等各方面綜合考慮，使焊接接頭滿足要求。,,2.2 焊接接頭的設計原則,焊接接頭的設計應遵循以下原則：1) 合理選擇接頭型式。2) 焊縫填充金屬應盡量少。3) 合理選擇坡口角度、鈍邊高和根部間隙等結構尺寸，使之有利于坡口加工和焊透，以最大限度地減少焊接缺陷。4) 按等強度要求，接頭的強度應不低于母材標準規(guī)定的強度下限值。5) 焊縫外形應盡量連續(xù)、圓滑過渡，以減少應力集中。,3.壓力容器焊縫形式及分類3.1 壓力容器

5、焊接接頭形式,換熱設備的結構型式是多種多樣的，換熱器殼體符合壓力容器要求的制造要求最高，其基本主體的構成多為圓柱形、圓錐形、球形的殼體，這些殼體與封頭、接管、法蘭、支座、密封元件的組合，構成一種典型的焊接結構。壓力容器中，焊接接頭主要形式有：對接、角接、搭接接頭。1）對接 容器的主體、筒體與封頭等重要部位的連接均采用對接接頭，因對接接頭受力比較均勻，強度可達到與母材相等。2）角接 管接頭與殼體的連接多用角接頭。3）搭接

6、 搭接接頭主要用于非受壓部件與受壓殼體的連接。鞍座，裙座，補強圈等。,3.2 壓力容器焊縫分類,按GB150-1998《鋼制壓力容器》，對于溫度 t ≥20℃的鋼制單層、多層包扎、熱套壓力容器的焊縫，按其所在的位置，分為A、B、C、D四類。如圖3-1所示。舉例1； 舉例2.A類焊縫：筒節(jié)的拼接縱縫、封頭瓣片拼接縫、筒節(jié)與半球封頭的環(huán)縫，嵌入式接管與圓筒、封頭的對接縫等。B類焊縫：筒節(jié)的環(huán)縫，錐形封頭小端與接管連接的焊縫

7、等。C類焊縫：法蘭、平封頭、管板等與殼體、接管連接的焊縫等。D類焊縫：接管、人孔、凸緣等與殼體連接的焊縫。 圖3-1 壓力容器焊縫分類,,,3.3 對不同類別焊縫的要求,GB150-1998《

8、鋼制壓力容器》對分類不同的焊縫有不同的規(guī)定要求：1) 探傷方法和合格等級A、B類焊縫的射線探傷按JB4730《壓力容器無損檢測》進行，檢查結果對100％探傷的，II 級的為合格；局部探傷的III級為合格。A、B類焊縫超聲波探傷按JB4730《壓力容器無損檢測》進行，檢查結果對100％探傷的，I級為合格；局部探傷的，Ⅱ級為合格。公稱直徑小于250mm，且壁厚小于等于28mm時僅做表面無損檢測（磁粉或著色），其合格級別為JB4730

9、規(guī)定的I級。注：進行100％無損檢測或局部無損檢測由標準：GB150、GB151等規(guī)定。2) 對口錯邊量b和棱角度E對口錯邊量b直接導致結構不連續(xù)影響容器的應力分布均勻性。而錯邊量b對應力分布的影響，主要取決于b與板厚δ之比b/δ，考慮工藝實現(xiàn)的可能性，我國標準參照ASMEⅧ-1，按δ的不同，確定b的允許值，且A類焊縫嚴于B類焊縫。詳見圖3-2和表3-1。,,圖3-2

10、 圖3-3復合鋼板的對口錯邊量b不大于復層板厚度的50%，且不大于2mm。見圖3-3。,,,,,3) 焊縫余高h（要過程不要結果）優(yōu)勢：壓力容器的焊縫多為多層焊（電渣焊除外），下一層焊縫對上一層起保溫、緩冷的作用，可使焊接殘余應力下降，改善組織性能，而余高h對最后一層焊縫有上述作用，所以h是工藝需要的。劣勢：余高h本身相當于局部形狀突變，會產生應力集中，可能成為發(fā)生疲勞斷裂，脆斷的根源。根據余高h對疲勞強度影響的試驗表明，裂紋均

11、從余高邊緣產生，內壁焊縫余高打磨加工的比保留余高的疲勞強度高2.1~2.5倍。目前，國外的標準除了日本《壓力容器構造規(guī)范》外，多數標準允許—定尺寸的余高，我國標準據國內制造工藝、工裝水平，規(guī)定見表3-2。,表3-2 焊縫余高h,4) 角焊縫的焊腳KC、D類焊縫在圖樣無規(guī)定時，取焊件中較薄者之厚度。補強圈的焊腳，當補強圈的厚度大于8mm時，K等于補強圈厚度的70％，且不小于8mm。5) 焊縫間距相鄰筒體的A類焊縫間的距離，封頭上A類

12、焊縫端點與相鄰筒體的A類焊縫間的距離均應大于等于3δn，且大于100mm。 公司要求：200-300mm。在符合標準要求的情況下，盡量小，以利于接管開孔（不至于開到焊縫上）。,4.換熱設備常用焊接結構,換熱設備的焊接接頭的設計的合理性是保證其制造、運行安全可靠的基本條件。換熱裝備焊接結構較常見的典型接頭型式有：1）主體的焊接接頭2）接管與殼體的焊接接頭3）接管與法蘭的焊接接頭4）管板與筒體及管子的焊接接頭,4.1 主

13、體的焊接接頭容器主體多為A、B類對接接頭。這是量多、應用較普遍的接頭型式，其基本型式和尺寸應符合GB/T985-1988《氣焊、焊條電弧焊及氣體保護焊焊縫坡口的基本形式和尺寸》，GB/T986-1988《埋弧焊焊縫坡口的基本形式和尺寸》，及JB/T4709-2000《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》的規(guī)定。1) 筒體和封頭縱、環(huán)焊縫的焊接接頭：結合受壓容器的特點，應注意以下原則：①盡量采用全焊透的焊接坡口，當筒體內徑<600mm時，

14、一般采用單面焊；筒體內徑≥600mm時，可采用雙面焊。②筒體內徑為300-500mm，且長度<500mm時，其縱焊縫可用雙面焊。③為改善勞動條件，應在容器壁內側用小坡口。④不焊透的單面焊縫和帶永久襯環(huán)的單面焊縫，只能在產品技術條件允許時采用。⑤不等厚鋼板對接時，當薄板厚度δ2 ≤10mm，兩板厚度差（δ1-δ2）＞3mm，或當薄板厚度δ2 ＞10mm，（δ1-δ2）＞30%δ1，或超過5mm時，均需按圖4-1的要求削薄厚板

15、的邊緣，削薄的長度L1≥3（δ1-δ2）。,,,L1,L2≥3(δ1-δ2)圖4-1 不等厚對接結構,2) 筒體與封頭的焊接接頭筒體與封頭的對接接頭的等厚、不等厚連接結構，按圖4-2所示的要求。其中(a)~(e)為對接接頭，這是最常用的連接形式；

16、 圖4-2 筒體與封頭的聯(lián)接,,,,4.2 接管與殼體的焊接接頭由于操作、測試和檢修的需要，殼體上需開孔接管。開孔不僅削弱了器壁，而且在開孔接管附近區(qū)域會產生很高的峰值應力。接管與殼體的連接大多為角焊縫，焊透性差，探傷也困難。所以接管與殼體連接焊縫的質量對于確保容器安全運行是致關重要的。按接管與殼體的連接方式不同，對其有不同的要求。常見的為插入式連接結構。 插入式結構：如圖4-3，4-

17、4，4-5所示。插入式接管與殼體的連接要求： 1.接管與殼體之間的間隙應≤3mm； 2.在下列使用條件下，接管內徑邊角處應倒圓，圓角半徑取R=δnt / t或R=19mm兩者中的較小值。 ①承受疲勞載荷的壓力容器； ②低溫壓力容器； ③鋼材的標準常溫抗拉強度σb>540MPa的容器。插入式結構分類： 1.平齊式和內伸式。圖4-3中(b)、(d)、(e)，圖4-4中(a)、

18、(b)、(d)，圖4-5中(b)、(c)所示結構，接管端與主體內表面平齊，稱為平齊插入式接管。其余圖中所示接管端伸入主體內表面稱為內伸插入式接管。,2. 插入式接管按其補強形式又分為無補強圈的接管結構和帶補強圈的接管結構。 ①無補強圈的接管焊接結構接管與殼體間連續(xù)焊縫按其是否熔透，又分為非全熔透的T型接頭（如圖4-3所示）和全熔透的T型接頭（如圖4-4）。其中非全熔透的焊縫，不適用于有急劇溫度梯度的場合。無補強圈的接管焊接結

19、構可分單面坡口焊縫形式(如圖4-3(b),4-4 (a)、(b))和雙面坡口焊縫形式(如圖4-3(a)，(c)，(d)，(e)，4-4(c)、(d)、(e)。單面坡口焊縫形式適用于直徑≤500或不能直接進入內部焊接的容器，壁厚約在6~20mm之間，操作壓力 P≤1.6 MPa。雙面焊接的容器直徑必須大于500mm。,圖4-3 無補強圈、非全熔透焊縫的T型接頭K≥δnt/2且不小于6mm, K≥δnt/2且不小于6mm, K≥

20、δnt/2且不小于6mm,S=2/3δnt S=2/3δnt S1=δnt b=3mm, R=6~10,,,,圖4-4 無補強圈，全熔透焊縫的T型接頭,②有補強圈的接管焊接結構有補強圈接管與殼體的連接如圖4-5所示。這些結構不適用于有急劇溫度梯度的場合。要求補強圈與殼體緊密貼合，并應有M10的訊號孔。,圖4-5 有補強圈的T型接頭,4.3 接管與法蘭的焊接接頭鋼制法蘭與接管的連接，

21、有角接和對接兩種，如圖4-6所示。角接結構主要用于工作壓力≤2.5MPa的容器，對接一般用于較高工作壓力容器。鋁、銅制容器，主要采用活套法蘭如圖4-7所示。,,圖4-6 接管與法蘭的焊接接頭 圖4-7 活塞法蘭結構,4.4 管板與筒體及管子的焊接接頭1) 管板與筒體的焊接接頭換熱器的型式決定了管板與筒體的連接形式。固定管板換熱器的管板與筒體的連接，當無人孔時，采用一端或兩端單面焊形式。①板兼作法蘭時與筒

22、體的連接如圖4-8所示。(a)為不焊透單面焊接接頭，只適用于筒體壁厚δ≤12mm,工作壓力Ps≤1MPa的場合，不能用于易燃、易爆、易揮發(fā)及有毒介質的場合。對于Ps≥1MPa的容器可選用帶襯環(huán)或帶鎖口的接頭形式，其中(b) 、(c)結構可用于Ps≤4MPa；(d)、(e)結構可用于Ps >4MPa。對于管板與筒體焊接后需經加熱處理的結構，可采用帶短節(jié)的筒體形式，如圖(f)所示。②管板不兼作法蘭時與筒體的連接可采用圖4—9所示

23、結構，其中(a)、(b)結構宜用于Ps≤4MPa的場合，(c)、(d)結宜用于Ps≥6MPa的場合。,圖4-8 管板兼作法蘭時與筒體的連接,,,圖4-9 管板不兼作法蘭時與筒體的連接結構,,,,2、管板與管子的焊接接頭管子與管板的連接，在管殼式換熱器的設計中，是一個比較重要的結構部分。它不僅加工量大，而且必須使每一個連接處在設備的運行中，保證介質無泄漏且具有承受介質壓力的能力。管板與管子的連接形式可有（1）脹接，（2）焊接，

24、（3）脹焊結合形式。（1）脹接形式 貼脹主要是為消除換熱管與管孔之間縫隙的輕度脹接；強度脹是指管板與換熱管連接處的密封和抗拉強度均由脹接來保證的連接。它適用于管殼之間介質滲透不會引起不良后果的情況下，脹接結構簡單，管子修補容易。,（2）焊接形式 管子與管板的焊接結構，因管孔不需要開槽，管孔的粗糙度要求不高，加工制作方便，抗拉脫力強，結構強度高，補焊、拆卸都比脹管方便，應用較廣泛。通常稱強度焊，若管子僅高處管板1mm，稱為密封焊，密

25、封焊只保證管子與管板連接的密封性能，不能保證其拉脫強度，典型結構如圖4—10所示。(a)為最常用的焊接結構形式； (c)結構可避免停車后管板上積有殘液，同時減少流體進管口時的阻力。 (b) 結構在管孔周圍開溝槽，能減少焊接應力，適用于管板經焊接后(氬弧焊)不允許產生變形的場合，不銹鋼管與管板的焊接多采用此結構，但加工麻煩，工作量大。小直徑管子不能脹接時，常采用(d)結構。,圖4-10 管板與管子的焊接形式,（3）脹焊并用 高溫高壓下，

26、管端接頭面臨著極其苛刻的工作環(huán)境，無論是焊接，或是脹接，都難以保證滿足要求。脹接法雖可以承受較高的壓力，但當溫度升到300-400℃以上時，蠕變造成脹接殘余應力的松弛，將很快使脹口失效。焊接法雖然可以耐更高的溫度，但高溫循環(huán)應力易使焊口發(fā)生疲勞裂紋，故需考慮脹焊并用。對于密封要求較高的場合，或承受振動，疲勞載荷的場合，及有間隙腐蝕和采用復合管板的場合，先脹后焊可提高焊縫抗疲勞的性能，且管壁貼合于管板孔壁，可防止焊接時產生裂紋。但脹管殘

27、留的潤滑油易在焊接過程中產生氣孔，嚴重影響焊縫質量。而先焊后脹可不必清理脹管后殘留的油污，但對焊后脹接時的脹管位置要求較高，必須保10~12mm的范圍內不進行脹節(jié)，否則損壞焊縫。在脹焊結合結構中，常用的是強度脹加密封焊，如圖4-11，和強度焊加貼脹如圖4-12。前者用脹接來承受作用力，用密封焊保證密封性，而后者是用焊接來承受作用力，用貼脹來消除管子與管板之同的間隙。,,圖4-11 強度脹加密封焊,圖4-12強度焊加貼脹,5、結束語,5.

28、1、焊接結構的設計是一門涉及到材料、機械等多個學科的工程技術。材料的快速更新?lián)Q代，焊接工藝不斷發(fā)展變化，也使得換熱裝備制造業(yè)對新材料的響應相對滯后，為此探索新材料在換熱設備中的應用、并通過基礎研究提高應用水平、從根本上改變我國械制造業(yè)的狀況，對于本行業(yè)相關工業(yè)領域的發(fā)展具有十分重要的意義。設計者應跟上新技術的發(fā)展，及時將國內外新技術引入到換熱裝備的制造上來。5.2、設計時，設計者要明確本單位的技術現(xiàn)狀與制造能力，選擇與本單位生產能力相