換熱器焊接結構設計A

管殼式換熱器結構及焊接(hànjiē)接頭設計設計室：高靜(ɡāojìnɡ)2013.10精品資料主要(zhǔyào)內容管殼式換熱器主要(zhǔyào)結構型式換熱器焊接接頭的設計原則換熱器常用焊接結構設計精品資料1、管殼式換熱器主要(zhǔyào)結構型式GB151中所列的管殼式換熱器（簡稱換熱器）主要有立式和臥式的固定管板式、浮頭式、U形管式、一般為臥式的填料函式和釜式重沸器五種型式。1.1固定管板換熱器的主要特點：結構簡單緊湊，制造成本低；排管數比浮頭式、U形管式要多；不能抽芯，無法進行機械清洗；因不能單獨更換管束，所以維修成本高。1.2使用壓力(yālì)和溫度的限制由于換熱管、管板和殼體焊在一起，故換熱管和殼體間的金屬壁溫差引起的溫差應力是設計中的控制因素，如果設計需設置膨脹節(jié)的話就有壓力(yālì)的限制了，GB16749中規(guī)定最高使用壓力(yālì)為6.4MPa，故帶膨脹節(jié)的固定管板換熱器使用壓力(yālì)一般不高，而且結構設計和制造也較復雜；在無需考慮溫差應力時固定管板換熱器也有使用在很高壓力(yālì)的場合，往往管板與管箱或管板與殼體做成整體型式，或者管板、管箱（頭蓋）和殼體三者成為一個整體，但一般高壓用得較少，而低壓力(yālì)、大直徑固定管板換熱器用得很廣。精品資料固定(gùdìng)管板式換熱器缺點：

（1）殼程不能用機械方法清洗，應走清潔流體。（2）不設膨脹節(jié)時，管、殼程可能產生較大的溫差應力。(3)維修成本高。

優(yōu)點：（1）結構簡單緊湊，制造成本低。（2）與其它類型換熱器相比，在相同殼體直徑下，排管數目最多。（3）管內便于清洗。精品資料范圍：壓力≤6.4Mpa,溫度≤400℃.優(yōu)點：（1）殼體和管束熱變形自由，不產生熱應力。（2）管束可從殼體中抽出，便于殼程的檢修和清洗。缺點：（1）結構復雜，造價高。（2）為使一端管板浮動，需增加一個內浮頭蓋及相關連接件以保證密封，操作時，如果內浮頭蓋連接處泄漏將無法發(fā)現(xiàn)，所以應嚴格保證其密封性能。（3）為使浮頭管板和管束檢修時能夠一起抽出，在管束外緣與殼壁之間形成(xíngchéng)寬度為16~22mm的環(huán)隙，這樣不僅減少了排管數目，而且增加了旁路流路，降低了換熱器的熱效率。（4）壓力試驗時的試壓胎具復雜。浮頭(fútóu)式換熱器精品資料優(yōu)點：（1）結構簡單，省去一塊管板和一個管箱，造價相對低。（2）管束和殼體分離，熱膨脹時互不約束，消除了熱應力。（3）管束可以從殼體中抽出，管外清洗方便。缺點：（1）彎管必須保持一定曲率半徑，管束中央會存在較大的空隙，流體易走短路，對傳熱不利。（2）管內不能用機械方法清洗，宜走清潔流體。（3）管子泄漏損壞(sǔnhuài)時，只有最外層管子可以更換，其他管子只能堵死，會減小換熱面積。（4）管程流速太高時，將會對U形彎管段產生嚴重的沖蝕，影響壽命。U形管式換熱器：精品資料優(yōu)點：（1）結構比浮頭式換熱器簡單，殼體和管束熱變形自由，不產生熱應力。（2）管束可從殼體中抽出，殼程的檢修和清洗方便。缺點：填料函處形成動密封，殼程介質易泄漏，要求殼程介質溫度和壓力不能過高，且無毒、非易燃和易爆。填料函式換熱器通常只適用于低壓(dīyā)和小直徑場合。填料函式換熱器精品資料釜式重沸器精品資料釜式重沸器釜式重沸器的管程采用U形或浮頭管束，殼程為單（或雙）斜錐具有蒸發(fā)空間的殼體，一般(yībān)為管程介質加熱殼程介質，所以管程的溫度和壓力比殼體的高，但設計壓力一般(yībān)不會高于6.4MPa。精品資料換熱器焊接接頭的設計(shèjì)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(jiǎnshǎo)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(jiǎnshǎo)應力集中。精品資料換熱器常用(chánɡyònɡ)焊接結構設計換熱器的焊接接頭的設計(shèjì)的合理性是保證其制造、運行安全可靠的基本條件。換熱器焊接結構較常見的典型接頭型式有：1）主體的焊接結構2）接管與殼體的焊接結構3）接管與法蘭的焊接結構4）管板與筒體及管子的焊接結構精品資料3.1主體的焊接結構容器主體多為A、B類對接接頭。1)筒體和封頭縱、環(huán)焊縫的焊接結構，結合受壓容器的特點，應注意以下原則：①采用全焊透的焊接坡口，當筒體內徑≤600mm時，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不等厚鋼板(gāngbǎn)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3-1的要求削薄厚板的邊緣，削薄的長度L1≥3（δ1-δ2）。精品資料L1,L2≥3(δ1-δ2)圖3-1不等厚對接(duìjiē)結構精品資料2)筒體與封頭的焊接結構筒體與封頭的對接接頭的等厚、不等厚連接結構，按圖3-2所示的要求(yāoqiú)。其中(a)~(e)為對接接頭，這是最常用的連接形式；圖3-2筒體與封頭的連接結構精品資料3.2接管與殼體的焊接結構由于操作、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3-3，3-4，3-5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/4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3-3中(b)、(d)、(e)，圖3-4中(a)、(b)、(d)，圖3-5中(b)、(c)所示結構，接管端與主體內表面平齊，稱為(chēnɡwéi)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(chēnɡwéi)內伸插入式接管。精品資料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型接頭和全熔透的T型接頭。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構可分單面坡口焊縫形式和雙面坡口焊縫形式。單面坡口焊縫形式適用于直徑(zhíjìng)≤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≤1.6MPa。雙面焊接的容器直徑(zhíjìng)必須大于500mm。精品資料圖3-3無補強圈、非全熔透焊縫(hànfénɡ)的T型接頭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精品資料圖3-4無補強圈，全熔透焊縫(hànfénɡ)的T型接頭精品資料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3-5所示。這些結構不適用于有急劇溫度梯度的場合。要求(yāoqiú)補強圈與殼體緊密貼合，并應有M10的訊號孔。圖3-5有補強圈的T型接頭(jiētóu)精品資料3.3接管(jiēguǎn)與法蘭的焊接接頭鋼制法蘭與接管(jiēguǎn)的連接，有角接和對接兩種，如圖3-6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3-7所示。圖3-6接管與法蘭的焊接接頭(jiētóu)圖3-7活塞法蘭結構精品資料3.4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管板兼作法蘭時與筒體的連接如圖3-8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(xuǎnyòng)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。②管板不兼作法蘭時與筒體的連接可采用圖3—9所示結構，其中(a)、(b)結構宜用于Ps≤4MPa的場合，(c)、(d)、(e)結宜用于Ps≥6.4MPa的場合。精品資料

圖3-8管板兼作法(zuòfǎ)蘭時與筒體的連接精品資料

圖3-9管板不兼作法(zuòfǎ)蘭時與筒體的連接結構精品資料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有:（1）強度脹接，（2）強度焊接，（3）脹焊并用形式。（1）脹接形式貼脹主要是為消除(xiāochú)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。它適用于設計壓力小于等于4PMa，設計溫度小于等于300℃，操作中無劇烈的振動，無過大的溫度變化及無明顯的應力腐蝕的場合。精品資料（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，焊角高度可以小于1.4倍的管子壁厚，但一般不宜(bùyí)小于管子的壁厚，這種焊接稱為密封焊，密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3—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3-10管板與管子的焊接(hànjiē)形式精品資料優(yōu)點(yōudiǎn)：（1）強度高，抗拉脫力強。（2）修理、更換方便。另外：焊縫高度應≥1.4x管子壁厚缺點(quēdiǎn)：（1）焊接殘余應力可能導致應力腐蝕和疲勞破壞。（2）間隙腐蝕問題。精品資料（3）脹焊并用高溫高壓下，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10~15mm的范圍內不進行脹接，否則損壞(sǔnhuài)焊縫。在脹焊結合結構中，常用的是強度脹加密封焊，如圖3-11，和強度焊加貼脹如圖3-12。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。精品資料圖3-11強度(qiángdù)脹加密封焊圖3-12強度(qiángdù)焊