换热器焊接结构设计a.ppt

管壳式换热器结构及焊接接头设计,设计室：高静 2013.10,主要内容,管壳式换热器主要结构型式 换热器焊接接头的设计原则 换热器常用焊接结构设计,1、管壳式换热器主要结构型式,GB151中所列的管壳式换热器（简称换热器）主要有立式和卧式的固定管板式、浮头式、U形管式、一般为卧式的填料函式和釜式重沸器五种型式 1.1 固定管板换热器的主要特点： 结构简单紧凑，制造成本低； 排管数比浮头式、U形管式要多； 不能抽芯，无法进行机械清洗； 因不能单独更换管束，所以维修成本高 1.2使用压力和温度的限制 由于换热管、管板和壳体焊在一起，故换热管和壳体间的金属壁温差引起的温差应力是设计中的控制因素，如果设计需设置膨胀节的话就有压力的限制了，GB16749中规定最高使用压力为6.4MPa，故带膨胀节的固定管板换热器使用压力一般不高，而且结构设计和制造也较复杂；在无需考虑温差应力时固定管板换热器也有使用在很高压力的场合，往往管板与管箱或管板与壳体做成整体型式，或者管板、管箱（头盖）和壳体三者成为一个整体，但一般高压用得较少，而低压力、大直径固定管板换热器用得很广固定管板式换热器,范围：压力≤6.4Mpa,温度≤400℃. 优点： （1）壳体和管束热变形自由，不产生热应力。

（2）管束可从壳体中抽出，便于壳程的检修和清洗 缺点： （1）结构复杂，造价高 （2）为使一端管板浮动，需增加一个内浮头盖及相关连接件以保证密封，操作时，如果内浮头盖连接处泄漏将无法发现，所以应严格保证其密封性能 （3）为使浮头管板和管束检修时能够一起抽出，在管束外缘与壳壁之间形成宽度为16~22mm的环隙，这样不仅减少了排管数目，而且增加了旁路流路，降低了换热器的热效率 （4）压力试验时的试压胎具复杂浮头式换热器,优点： （1）结构简单，省去一块管板和一个管箱，造价相对低 （2）管束和壳体分离，热膨胀时互不约束，消除了热应力 （3）管束可以从壳体中抽出，管外清洗方便 缺点： （1）弯管必须保持一定曲率半径，管束中央会存在较大的空隙，流体易走短路，对传热不利 （2）管内不能用机械方法清洗，宜走清洁流体 （3）管子泄漏损坏时，只有最外层管子可以更换，其他管子只能堵死，会减小换热面积 （4）管程流速太高时，将会对U形弯管段产生严重的冲蚀，影响寿命U形管式换热器：,优点： （1）结构比浮头式换热器简单，壳体和管束热变形自由，不产生热应力 （2）管束可从壳体中抽出，壳程的检修和清洗方便 缺点： 填料函处形成动密封，壳程介质易泄漏，要求壳程介质温度和压力不能过高，且无毒、非易燃和易爆。

填料函式换热器通常只适用于低压和小直径场合填料函式换热器,釜式重沸器,釜式重沸器,釜式重沸器的管程采用U形或浮头管束，壳程为单（或双）斜锥具有蒸发空间的壳体，一般为管程介质加热壳程介质，所以管程的温度和压力比壳体的高，但设计压力一般不会高于6.4MPa换热器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，以减少应力集中换热器常用焊接结构设计,换热器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 换热器焊接结构较常见的典型接头型式有： 1）主体的焊接结构 2）接管与壳体的焊接结构 3）接管与法兰的焊接结构 4）管板与筒体及管子的焊接结构,3.1主体的焊接结构 容器主体多为A、B类对接接头 1) 筒体和封头纵、环焊缝的焊接结构，结合受压容器的特点，应注意以下原则： ①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3-1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3-1 不等厚对接结构,2) 筒体与封头的焊接结构 筒体与封头的对接接头的等厚、不等厚连接结构，按图3-2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3-2 筒体与封头的连接结构,,,,3.2 接管与壳体的焊接结构 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3-3，3-4，3-5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 / 4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σb≥540MPa的容器 插入式结构分类： 1.平齐式和内伸式图3-3中(b)、(d)、(e)，图3-4中(a)、(b)、(d)，图3-5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型接头和全熔透的T型接头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和双面坡口焊缝形式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≤1.6 MPa双面焊接的容器直径必须大于500mm图3-3 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=2/3δnt S=2/3δnt S1=δnt b=3mm, R=6~10,,,,图3-4 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3-5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3-5 有补强圈的T型接头,3.3 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3-6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3-7所示图3-6 接管与法兰的焊接接头 图3-7 活塞法兰结构,3.4 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管板兼作法兰时与筒体的连接 如图3-8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Ps 4MPa ②管板不兼作法兰时与筒体的连接 可采用图3—9所示结构，其中(a)、(b)结构宜用于Ps≤4MPa的场合，(c)、(d)、 (e)结宜用于Ps≥6.4MPa的场合。

图3-8 管板兼作法兰时与筒体的连接,,,图3-9 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有: （1）强度胀接，（2）强度焊接，（3）胀焊并用形式 （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设计压力小于等于4PMa，设计温度小于等于300℃，操作中无剧烈的振动，无过大的温度变化及无明显的应力腐蚀的场合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，焊角高度可以小于1.4倍的管子壁厚，但一般不宜小于管子的壁厚，这种焊接称为密封焊，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3—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)结构图3-10 管板与管子的焊接形式,优点： （1）强度高，抗拉脱力强 （2）修理、更换方便 另外：焊缝高度应≥1.4x管子壁厚,缺点： （1）焊接残余应力可能导致应力 腐蚀和疲劳破坏 （2）间隙腐蚀问题3）胀焊并用 高温高压下，管端接头面临着极其苛刻的工作环境，无论是焊接，或是胀接，都难以保证满足要求胀接法虽可以承受较高的压力，但当温度升到300-400℃以上时，蠕变造成胀接残余应力的松弛，将很快使胀口失效焊接法虽然可以耐更高的温度，但高温循环应力易使焊口发生疲劳裂纹，故需考虑胀焊并用 对于密封要求较高的场合，或承受振动，疲劳载荷的场合，及有间隙腐蚀和采用复合管板的场合，先胀后焊可提高焊缝抗疲劳的性能，且管壁贴合于管板孔壁，可防止焊接时产生裂纹但胀管残留的润滑油易在焊接过程中产生气孔，严重影响焊缝质量而先焊后胀可不必清理胀管后残留的油污，但对焊后胀接时的胀管位置要求较高，必须保10~15mm的范围内不进行胀接，否则损坏焊缝。

在胀焊结合结构中，常用的是强度胀加密封焊，如图3-11，和强度焊加贴胀如图3-12前者用胀接来承受作用力，用密封焊保证密封性，而后者是用焊接来承受作用力，用贴胀来消除管子与管板之同的间隙图3-11 强度胀加密封焊,图3-12强度焊加贴胀,焊接管接头的检测： 目前普遍采用的是表面渗透（或磁粉）检测方法控制接头质量，对于焊接接头内部缺陷并没有任何检测要求但国外已经提出对管子和管板角接接头进行射线检测要求，能有效第控制接头的内部质量，在我国只是在个别石化装置了用到 强度焊管接头的热处理： 一般换热器的强度焊管接头无需做焊后消除应力热处理，但在应力腐蚀较严重和管接头材料本身须进行热处理时，焊接接头可进行局部热处理，此时应根据换热管和管板材质制定局部热处理工艺 完,,。