換熱設(shè)備典型焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1、換熱設(shè)備典型焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析,報(bào)告人：程延海二OO五年十一月四日,主要內(nèi)容：,換熱設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)的重要性換熱設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及原則壓力容器焊縫形式及分類換熱設(shè)備典型焊接結(jié)構(gòu)結(jié)束語(yǔ),1、換熱設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)的重要性,換熱設(shè)備的一大特點(diǎn)是壓力容器數(shù)量多，操作條件復(fù)雜，具有爆炸危險(xiǎn)，而且一旦爆炸，危害極大。事實(shí)證明，換熱設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造，是確保換熱設(shè)備安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

2、換熱設(shè)備的焊接結(jié)構(gòu)是由：筒體、封頭、接管、法蘭、管板及換熱管等基本構(gòu)件通過(guò)焊接接頭（或脹接）連接成的整體。該整體構(gòu)成換熱設(shè)備的重要組成部分。因此，掌握好這些基本構(gòu)件和焊接接頭的設(shè)計(jì)，對(duì)進(jìn)行換熱設(shè)備的整體設(shè)計(jì)至關(guān)重要。合理的設(shè)計(jì)可以減輕設(shè)備重量，節(jié)約金屬，提高經(jīng)濟(jì)效益。例如：薄管板與常規(guī)厚管板設(shè)計(jì)比較。,,,,,2 .換熱設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及原則2.1 總的設(shè)計(jì)要求,總的設(shè)計(jì)要求：結(jié)構(gòu)的整體和各部分在使用過(guò)程中不應(yīng)產(chǎn)生失效（彈性失

3、效、塑性失效及斷裂等），并達(dá)到所要求的使用性能。結(jié)構(gòu)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(yīng)確定的設(shè)計(jì)原則。設(shè)計(jì)過(guò)程中，依據(jù)操作載荷的大小和種類，準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)各部分在操作條件下的應(yīng)力，確定合理、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)方案，以滿足結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。焊接結(jié)構(gòu)的好壞，決定于結(jié)構(gòu)的焊接接頭實(shí)際性能能否較好地達(dá)到所要求的性能要求。焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與材料及加工方法有關(guān)。為提高焊接結(jié)構(gòu)的可靠性，重要的是從設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)原則,焊接接頭的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：1) 合理選擇接頭型式。2) 焊縫填充金屬應(yīng)盡量少。3) 合理選擇坡口角度、鈍邊高和根部間隙等結(jié)構(gòu)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(qiáng)度要求，接頭的強(qiáng)度應(yīng)不低于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度下限值。5) 焊縫外形應(yīng)盡量連續(xù)、圓滑過(guò)渡，以減少應(yīng)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(shè)備的結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)成一種典型的焊接結(jié)構(gòu)。壓力容器中，焊接接頭主要形式有：對(duì)接、角接、搭接接頭。1）對(duì)接 容器的主體、筒體與封頭等重要部位的連接均采用對(duì)接接頭，因?qū)咏宇^受力比較均勻，強(qiáng)度可達(dá)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(bǔ)強(qiáng)圈等。,3.2 壓力容器焊縫分類,按GB150-1998《鋼制壓力容器》，對(duì)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(duì)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(duì)不同類別焊縫的要求,GB150-1998《

8、鋼制壓力容器》對(duì)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(jí)A、B類焊縫的射線探傷按JB4730《壓力容器無(wú)損檢測(cè)》進(jìn)行，檢查結(jié)果對(duì)100％探傷的，II 級(jí)的為合格；局部探傷的III級(jí)為合格。A、B類焊縫超聲波探傷按JB4730《壓力容器無(wú)損檢測(cè)》進(jìn)行，檢查結(jié)果對(duì)100％探傷的，I級(jí)為合格；局部探傷的，Ⅱ級(jí)為合格。公稱直徑小于250mm，且壁厚小于等于28mm時(shí)僅做表面無(wú)損檢測(cè)（磁粉或著色），其合格級(jí)別為JB4730

9、規(guī)定的I級(jí)。注：進(jìn)行100％無(wú)損檢測(cè)或局部無(wú)損檢測(cè)由標(biāo)準(zhǔn)：GB150、GB151等規(guī)定。2) 對(duì)口錯(cuò)邊量b和棱角度E對(duì)口錯(cuò)邊量b直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不連續(xù)影響容器的應(yīng)力分布均勻性。而錯(cuò)邊量b對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)的可能性，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)參照ASMEⅧ-1，按δ的不同，確定b的允許值，且A類焊縫嚴(yán)于B類焊縫。詳見(jiàn)圖3-2和表3-1。,,圖3-2

10、 圖3-3復(fù)合鋼板的對(duì)口錯(cuò)邊量b不大于復(fù)層板厚度的50%，且不大于2mm。見(jiàn)圖3-3。,,,,,3) 焊縫余高h(yuǎn)（要過(guò)程不要結(jié)果）優(yōu)勢(shì)：壓力容器的焊縫多為多層焊（電渣焊除外），下一層焊縫對(duì)上一層起保溫、緩冷的作用，可使焊接殘余應(yīng)力下降，改善組織性能，而余高h(yuǎn)對(duì)最后一層焊縫有上述作用，所以h是工藝需要的。劣勢(shì)：余高h(yuǎn)本身相當(dāng)于局部形狀突變，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，可能成為發(fā)生疲勞斷裂，脆斷的根源。根據(jù)余高h(yuǎn)對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的試驗(yàn)表明，裂紋均

11、從余高邊緣產(chǎn)生，內(nèi)壁焊縫余高打磨加工的比保留余高的疲勞強(qiáng)度高2.1~2.5倍。目前，國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)除了日本《壓力容器構(gòu)造規(guī)范》外，多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)允許—定尺寸的余高，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)據(jù)國(guó)內(nèi)制造工藝、工裝水平，規(guī)定見(jiàn)表3-2。,表3-2 焊縫余高h(yuǎn),4) 角焊縫的焊腳KC、D類焊縫在圖樣無(wú)規(guī)定時(shí)，取焊件中較薄者之厚度。補(bǔ)強(qiáng)圈的焊腳，當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度大于8mm時(shí)，K等于補(bǔ)強(qiáng)圈厚度的70％，且不小于8mm。5) 焊縫間距相鄰?fù)搀w的A類焊縫間的距離，封頭上A類

12、焊縫端點(diǎn)與相鄰?fù)搀w的A類焊縫間的距離均應(yīng)大于等于3δn，且大于100mm。 公司要求：200-300mm。在符合標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，盡量小，以利于接管開(kāi)孔（不至于開(kāi)到焊縫上）。,4.換熱設(shè)備常用焊接結(jié)構(gòu),換熱設(shè)備的焊接接頭的設(shè)計(jì)的合理性是保證其制造、運(yùn)行安全可靠的基本條件。換熱裝備焊接結(jié)構(gòu)較常見(jiàn)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(duì)接接頭。這是量多、應(yīng)用較普遍的接頭型式，其基本型式和尺寸應(yīng)符合GB/T985-1988《氣焊、焊條電弧焊及氣體保護(hù)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(jié)合受壓容器的特點(diǎn)，應(yīng)注意以下原則：①盡量采用全焊透的焊接坡口，當(dāng)筒體內(nèi)徑<600mm時(shí)，

14、一般采用單面焊；筒體內(nèi)徑≥600mm時(shí)，可采用雙面焊。②筒體內(nèi)徑為300-500mm，且長(zhǎng)度<500mm時(shí)，其縱焊縫可用雙面焊。③為改善勞動(dòng)條件，應(yīng)在容器壁內(nèi)側(cè)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(chǎn)品技術(shù)條件允許時(shí)采用。⑤不等厚鋼板對(duì)接時(shí)，當(dāng)薄板厚度δ2 ≤10mm，兩板厚度差（δ1-δ2）＞3mm，或當(dāng)薄板厚度δ2 ＞10mm，（δ1-δ2）＞30%δ1，或超過(guò)5mm時(shí)，均需按圖4-1的要求削薄厚板

15、的邊緣，削薄的長(zhǎng)度L1≥3（δ1-δ2）。,,,L1,L2≥3(δ1-δ2)圖4-1 不等厚對(duì)接結(jié)構(gòu),2) 筒體與封頭的焊接接頭筒體與封頭的對(duì)接接頭的等厚、不等厚連接結(jié)構(gòu)，按圖4-2所示的要求。其中(a)~(e)為對(duì)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(cè)試和檢修的需要，殼體上需開(kāi)孔接管。開(kāi)孔不僅削弱了器壁，而且在開(kāi)孔接管附近區(qū)域會(huì)產(chǎn)生很高的峰值應(yīng)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(zhì)量對(duì)于確保容器安全運(yùn)行是致關(guān)重要的。按接管與殼體的連接方式不同，對(duì)其有不同的要求。常見(jiàn)的為插入式連接結(jié)構(gòu)。 插入式結(jié)構(gòu)：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(yīng)≤3mm； 2.在下列使用條件下，接管內(nèi)徑邊角處應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)常溫抗拉強(qiáng)度σb>540MPa的容器。插入式結(jié)構(gòu)分類： 1.平齊式和內(nèi)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(jié)構(gòu)，接管端與主體內(nèi)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(nèi)表面稱為內(nèi)伸插入式接管。,2. 插入式接管按其補(bǔ)強(qiáng)形式又分為無(wú)補(bǔ)強(qiáng)圈的接管結(jié)構(gòu)和帶補(bǔ)強(qiáng)圈的接管結(jié)構(gòu)。 ①無(wú)補(bǔ)強(qiáng)圈的接管焊接結(jié)構(gòu)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(chǎng)合。無(wú)補(bǔ)強(qiáng)圈的接管焊接結(jié)

19、構(gòu)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(jìn)入內(nèi)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(wú)補(bǔ)強(qiáng)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(wú)補(bǔ)強(qiáng)圈，全熔透焊縫的T型接頭,②有補(bǔ)強(qiáng)圈的接管焊接結(jié)構(gòu)有補(bǔ)強(qiáng)圈接管與殼體的連接如圖4-5所示。這些結(jié)構(gòu)不適用于有急劇溫度梯度的場(chǎng)合。要求補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體緊密貼合，并應(yīng)有M10的訊號(hào)孔。,圖4-5 有補(bǔ)強(qiáng)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(duì)接兩種，如圖4-6所示。角接結(jié)構(gòu)主要用于工作壓力≤2.5MPa的容器，對(duì)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(jié)構(gòu),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?jīng)Q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(dāng)無(wú)人孔時(shí)，采用一端或兩端單面焊形式。①板兼作法蘭時(shí)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(chǎng)合，不能用于易燃、易爆、易揮發(fā)及有毒介質(zhì)的場(chǎng)合。對(duì)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(jié)構(gòu)可用于Ps≤4MPa；(d)、(e)結(jié)構(gòu)可用于Ps >4MPa。對(duì)于管板與筒體焊接后需經(jīng)加熱處理的結(jié)構(gòu)，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(shí)與筒體的連接可采用圖4—9所示

23、結(jié)構(gòu)，其中(a)、(b)結(jié)構(gòu)宜用于Ps≤4MPa的場(chǎng)合，(c)、(d)結(jié)宜用于Ps≥6MPa的場(chǎng)合。,圖4-8 管板兼作法蘭時(shí)與筒體的連接,,,圖4-9 管板不兼作法蘭時(shí)與筒體的連接結(jié)構(gòu),,,,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(shè)計(jì)中，是一個(gè)比較重要的結(jié)構(gòu)部分。它不僅加工量大，而且必須使每一個(gè)連接處在設(shè)備的運(yùn)行中，保證介質(zhì)無(wú)泄漏且具有承受介質(zhì)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(jié)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(qiáng)度脹是指管板與換熱管連接處的密封和抗拉強(qiáng)度均由脹接來(lái)保證的連接。它適用于管殼之間介質(zhì)滲透不會(huì)引起不良后果的情況下，脹接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管子修補(bǔ)容易。,（2）焊接形式 管子與管板的焊接結(jié)構(gòu)，因管孔不需要開(kāi)槽，管孔的粗糙度要求不高，加工制作方便，抗拉脫力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，補(bǔ)焊、拆卸都比脹管方便，應(yīng)用較廣泛。通常稱強(qiáng)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(qiáng)度，典型結(jié)構(gòu)如圖4—10所示。(a)為最常用的焊接結(jié)構(gòu)形式； (c)結(jié)構(gòu)可避免停車后管板上積有殘液，同時(shí)減少流體進(jìn)管口時(shí)的阻力。 (b) 結(jié)構(gòu)在管孔周圍開(kāi)溝槽，能減少焊接應(yīng)力，適用于管板經(jīng)焊接后(氬弧焊)不允許產(chǎn)生變形的場(chǎng)合，不銹鋼管與管板的焊接多采用此結(jié)構(gòu)，但加工麻煩，工作量大。小直徑管子不能脹接時(shí)，常采用(d)結(jié)構(gòu)。,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(wú)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(dāng)溫度升到300-400℃以上時(shí)，蠕變?cè)斐擅浗託堄鄳?yīng)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(yīng)力易使焊口發(fā)生疲勞裂紋，故需考慮脹焊并用。對(duì)于密封要求較高的場(chǎng)合，或承受振動(dòng)，疲勞載荷的場(chǎng)合，及有間隙腐蝕和采用復(fù)合管板的場(chǎng)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(shí)產(chǎn)生裂紋。但脹管殘

27、留的潤(rùn)滑油易在焊接過(guò)程中產(chǎn)生氣孔，嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量。而先焊后脹可不必清理脹管后殘留的油污，但對(duì)焊后脹接時(shí)的脹管位置要求較高，必須保10~12mm的范圍內(nèi)不進(jìn)行脹節(jié)，否則損壞焊縫。在脹焊結(jié)合結(jié)構(gòu)中，常用的是強(qiáng)度脹加密封焊，如圖4-11，和強(qiáng)度焊加貼脹如圖4-12。前者用脹接來(lái)承受作用力，用密封焊保證密封性，而后者是用焊接來(lái)承受作用力，用貼脹來(lái)消除管子與管板之同的間隙。,,圖4-11 強(qiáng)度脹加密封焊,圖4-12強(qiáng)度焊加貼脹,5、結(jié)束語(yǔ),5.

28、1、焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一門涉及到材料、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科的工程技術(shù)。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(duì)新材料的響應(yīng)相對(duì)滯后，為此探索新材料在換熱設(shè)備中的應(yīng)用、并通過(guò)基礎(chǔ)研究提高應(yīng)用水平、從根本上改變我國(guó)械制造業(yè)的狀況，對(duì)于本行業(yè)相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展具有十分重要的意義。設(shè)計(jì)者應(yīng)跟上新技術(shù)的發(fā)展，及時(shí)將國(guó)內(nèi)外新技術(shù)引入到換熱裝備的制造上來(lái)。5.2、設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者要明確本單位的技術(shù)現(xiàn)狀與制造能力，選擇與本單位生產(chǎn)能力相