換熱設(shè)備典型焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

換熱設(shè)備典型焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計分析第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一主要內(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)束語第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一1、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，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)計與制造，是確保換熱設(shè)備安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。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，對進(jìn)行換熱設(shè)備的整體設(shè)計至關(guān)重要。合理的設(shè)計可以減輕設(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)計比較。第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一2.換熱設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計要求及原則

2.1總的設(shè)計要求總的設(shè)計要求：結(jié)構(gòu)的整體和各部分在使用過程中不應(yīng)產(chǎn)生失效（彈性失效、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)計原則。設(shè)計過程中，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)的各項設(shè)計要求。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、材料、加工等各方面綜合考慮，使焊接接頭滿足要求。第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一2.2焊接接頭的設(shè)計原則焊接接頭的設(shè)計應(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)、圓滑過渡，以減少應(yīng)力集中。第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一3.壓力容器焊縫形式及分類

3.1壓力容器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?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。第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一3.2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壓力容器焊縫分類第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一3.3對不同類別焊縫的要求GB150-1998《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(jìn)行，檢查結(jié)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(jìn)行，檢查結(jié)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規(guī)定的I級。注：進(jìn)行100％無損檢測或局部無損檢測由標(biāo)準(zhǔn)：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(dǎo)致結(jié)構(gòu)不連續(xù)影響容器的應(yīng)力分布均勻性。而錯邊量b對應(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。詳見圖3-2和表3-1。第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一圖3-2圖3-3復(fù)合鋼板的對口錯邊量b不大于復(fù)層板厚度的50%，且不大于2mm。見圖3-3。第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一3)焊縫余高h(yuǎn)（要過程不要結(jié)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(yīng)力下降，改善組織性能，而余高h(yuǎn)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(yuǎn)本身相當(dāng)于局部形狀突變，會產(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)對疲勞強(qiáng)度影響的試驗表明，裂紋均從余高邊緣產(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，我國標(biāo)準(zhǔn)據(jù)國內(nèi)制造工藝、工裝水平，規(guī)定見表3-2。表3-2焊縫余高h(yuǎn)焊縫深度δ(mm)焊縫余高(h)(mm)手工焊自動焊≤1212＜δ≤2525＜δ≤5050＜δ0~1.50~2.50~30~40~40~40~40~4第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一4)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(bǔ)強(qiáng)圈的焊腳，當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度大于8mm時，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，以利于接管開孔（不至于開到焊縫上）。第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一4.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第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一4.1主體的焊接接頭容器主體多為A、B類對接接頭。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，一般采用單面焊；筒體內(nèi)徑≥600mm時，可采用雙面焊。②筒體內(nèi)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(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)條件允許時采用。⑤不等厚鋼板對接時，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5mm時，均需按圖4-1的要求削薄厚板的邊緣，削薄的長度L1≥3（δ1-δ2）。第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一L1,L2≥3(δ1-δ2)圖4-1不等厚對接結(jié)構(gòu)第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一2)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(jié)構(gòu)，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；

圖4-2筒體與封頭的聯(lián)接第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一4.2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(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，對其有不同的要求。常見的為插入式連接結(jié)構(gòu)。插入式結(jié)構(gòu)：如圖4-3，4-4，4-5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)、(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。第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一2.插入式接管按其補(bǔ)強(qiáng)形式又分為無補(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合。無補(bǔ)強(qiáng)圈的接管焊接結(jié)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≤1.6MPa。雙面焊接的容器直徑必須大于500mm。第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一圖4-3無補(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≥δnt/2且不小于6mm,S=2/3δntS=2/3δntS1=δntb=3mm,R=6~10第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一圖4-4無補(bǔ)強(qiáng)圈，全熔透焊縫的T型接頭第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一②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合。要求補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體緊密貼合，并應(yīng)有M10的訊號孔。圖4-5有補(bǔ)強(qiáng)圈的T型接頭第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一4.3接管與法蘭的焊接接頭鋼制法蘭與接管的連接，有角接和對接兩種，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)第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一4.4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)無人孔時，采用一端或兩端單面焊形式。①板兼作法蘭時與筒體的連接如圖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(zhì)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(jié)構(gòu)可用于Ps≤4MPa；(d)、(e)結(jié)構(gòu)可用于Ps>4MPa。對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管板不兼作法蘭時與筒體的連接可采用圖4—9所示結(jié)構(gòu)，其中(a)、(b)結(jié)構(gòu)宜用于Ps≤4MPa的場合，(c)、(d)結(jié)宜用于Ps≥6MPa的場合。第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一

圖4-8管板兼作法蘭時與筒體的連接第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一

圖4-9管板不兼作法蘭時與筒體的連接結(jié)構(gòu)第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一2、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)計中，是一個比較重要的結(jié)構(gòu)部分。它不僅加工量大，而且必須使每一個連接處在設(shè)備的運(yùn)行中，保證介質(zhì)無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，（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)度均由脹接來保證的連接。它適用于管殼之間介質(zhì)滲透不會引起不良后果的情況下，脹接結(jié)構(gòu)簡單，管子修補(bǔ)容易。第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一（2）焊接形式管子與管板的焊接結(jié)構(gòu)，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(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，同時減少流體進(jìn)管口時的阻力。(b)結(jié)構(gòu)在管孔周圍開溝槽，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，常采用(d)結(jié)構(gòu)。圖4-10管板與管子的焊接形式第27頁，共31頁，2023年，2月20日，星期一（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(dāng)溫度升到300-400℃以上時，蠕變造成脹接殘余應(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(fù)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