换热设备典型焊接结构设计

换热设备典型焊接结构设计分析报告人：程延海二OO五年十一月四日主要内容：换热设备焊接结构的重要性换热设备焊接结构设计要求及原则压力容器焊缝形式及分类换热设备典型焊接结构结束语1、换热设备焊接结构的重要性换热设备的一大特点是压力容器数量多，操作条件复杂，具有爆炸危险，而且一旦爆炸，危害极大。事实证明，换热设备的断裂和爆炸事故，大多源于其上的焊接接头。因此，良好的焊接结构设计与制造，是确保换热设备安全、可靠运行的关键。换热设备的焊接结构是由：筒体、封头、接管、法兰、管板及换热管等基本构件通过焊接接头（或胀接）连接成的整体。该整体构成换热设备的重要组成部分。因此，掌握好这些基本构件和焊接接头的设计，对进行换热设备的整体设计至关重要。合理的设计可以减轻设备重量，节约金属，提高经济效益。例如：薄管板与常规厚管板设计比较。2.换热设备焊接结构设计要求及原则

2.1总的设计要求总的设计要求：结构的整体和各部分在使用过程中不应产生失效（弹性失效、塑性失效及断裂等），并达到所要求的使用性能。结构所要求的使用性能决定于以下因素：载荷的大小和种类、使用温度、使用环境以及由这些条件相应确定的设计原则。设计过程中，依据操作载荷的大小和种类，准确分析结构各部分在操作条件下的应力，确定合理、经济的结构方案，以满足结构的各项设计要求。焊接结构的好坏，决定于结构的焊接接头实际性能能否较好地达到所要求的性能要求。焊接结构的设计与材料及加工方法有关。为提高焊接结构的可靠性，重要的是从设计、材料、加工等各方面综合考虑，使焊接接头满足要求。2.2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。3.压力容器焊缝形式及分类

3.1压力容器焊接接头形式换热设备的结构型式是多种多样的，换热器壳体符合压力容器要求的制造要求最高，其基本主体的构成多为圆柱形、圆锥形、球形的壳体，这些壳体与封头、接管、法兰、支座、密封元件的组合，构成一种典型的焊接结构。压力容器中，焊接接头主要形式有：对接、角接、搭接接头。1）对接容器的主体、筒体与封头等重要部位的连接均采用对接接头，因对接接头受力比较均匀，强度可达到与母材相等。2）角接管接头与壳体的连接多用角接头。3）搭接搭接接头主要用于非受压部件与受压壳体的连接。鞍座，裙座，补强圈等。3.2压力容器焊缝分类按GB150-1998《钢制压力容器》，对于温度t≥20℃的钢制单层、多层包扎、热套压力容器的焊缝，按其所在的位置，分为A、B、C、D四类。如图3-1所示。举例1；举例2.A类焊缝：筒节的拼接纵缝、封头瓣片拼接缝、筒节与半球封头的环缝，嵌入式接管与圆筒、封头的对接缝等。B类焊缝：筒节的环缝，锥形封头小端与接管连接的焊缝等。C类焊缝：法兰、平封头、管板等与壳体、接管连接的焊缝等。D类焊缝：接管、人孔、凸缘等与壳体连接的焊缝。

图3-1压力容器焊缝分类3.3对不同类别焊缝的要求GB150-1998《钢制压力容器》对分类不同的焊缝有不同的规定要求：1)探伤方法和合格等级A、B类焊缝的射线探伤按JB4730《压力容器无损检测》进行，检查结果对100％探伤的，II级的为合格；局部探伤的III级为合格。A、B类焊缝超声波探伤按JB4730《压力容器无损检测》进行，检查结果对100％探伤的，I级为合格；局部探伤的，Ⅱ级为合格。公称直径小于250mm，且壁厚小于等于28mm时仅做表面无损检测（磁粉或着色），其合格级别为JB4730规定的I级。注：进行100％无损检测或局部无损检测由标准：GB150、GB151等规定。2)对口错边量b和棱角度E对口错边量b直接导致结构不连续影响容器的应力分布均匀性。而错边量b对应力分布的影响，主要取决于b与板厚δ之比b/δ，考虑工艺实现的可能性，我国标准参照ASMEⅧ-1，按δ的不同，确定b的允许值，且A类焊缝严于B类焊缝。详见图3-2和表3-1。图3-2图3-3复合钢板的对口错边量b不大于复层板厚度的50%，且不大于2mm。见图3-3。3)焊缝余高h（要过程不要结果）优势：压力容器的焊缝多为多层焊（电渣焊除外），下一层焊缝对上一层起保温、缓冷的作用，可使焊接残余应力下降，改善组织性能，而余高h对最后一层焊缝有上述作用，所以h是工艺需要的。劣势：余高h本身相当于局部形状突变，会产生应力集中，可能成为发生疲劳断裂，脆断的根源。根据余高h对疲劳强度影响的试验表明，裂纹均从余高边缘产生，内壁焊缝余高打磨加工的比保留余高的疲劳强度高2.1~2.5倍。目前，国外的标准除了日本《压力容器构造规范》外，多数标准允许—定尺寸的余高，我国标准据国内制造工艺、工装水平，规定见表3-2。表3-2焊缝余高h焊缝深度δ(mm)焊缝余高(h)(mm)手工焊自动焊≤1212＜δ≤2525＜δ≤5050＜δ0~1.50~2.50~30~40~40~40~40~44)角焊缝的焊脚KC、D类焊缝在图样无规定时，取焊件中较薄者之厚度。补强圈的焊脚，当补强圈的厚度大于8mm时，K等于补强圈厚度的70％，且不小于8mm。5)焊缝间距相邻筒体的A类焊缝间的距离，封头上A类焊缝端点与相邻筒体的A类焊缝间的距离均应大于等于3δn，且大于100mm。公司要求：200-300mm。在符合标准要求的情况下，尽量小，以利于接管开孔（不至于开到焊缝上）。4.换热设备常用焊接结构换热设备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。换热装备焊接结构较常见的典型接头型式有：1）主体的焊接接头2）接管与壳体的焊接接头3）接管与法兰的焊接接头4）管板与筒体及管子的焊接接头4.1主体的焊接接头容器主体多为A、B类对接接头。这是量多、应用较普遍的接头型式，其基本型式和尺寸应符合GB/T985-1988《气焊、焊条电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》，GB/T986-1988《埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸》，及JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》的规定。1)筒体和封头纵、环焊缝的焊接接头：结合受压容器的特点，应注意以下原则：①尽量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不焊透的单面焊缝和带永久衬环的单面焊缝，只能在产品技术条件允许时采用。⑤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4-1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4-1不等厚对接结构2)筒体与封头的焊接接头筒体与封头的对接接头的等厚、不等厚连接结构，按图4-2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4-2筒体与封头的联接4.2接管与壳体的焊接接头由于操作、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4-3，4-4，4-5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/t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4-3中(b)、(d)、(e)，图4-4中(a)、(b)、(d)，图4-5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（如图4-3所示）和全熔透的T型接头（如图4-4）。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(如图4-3(b),4-4(a)、(b))和双面坡口焊缝形式(如图4-3(a)，(c)，(d)，(e)，4-4(c)、(d)、(e)。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≤1.6MPa。双面焊接的容器直径必须大于500mm。图4-3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=2/3δntS=2/3δntS1=δntb=3mm,R=6~10图4-4无补强圈，全熔透焊缝的T型接头②有补强负圈的接管递焊接结构有补强圈郑接管与壳株体的连接涂如图4-萍5所示。维这些结构辨不适用于缓有急剧温若度梯度的窑场合。要闻求补强圈晓与壳体紧依密贴合，晕并应有M违10的讯膛号孔。图4-5侧有补强脚圈的T型蛛接头4.3石接辣管与法乐兰的焊坐接接头钢制法助兰与接甘管的连率接，有扯角接和多对接两凶种，如鸣图4-砍6所示叨。角接躺结构主垃要用于驼工作压预力≤2坦.5M匀Pa的赛容器，朴对接一拢般用于傅较高工替作压力光容器。塑铝、铜闲制容器股，主要宜采用活厌套法兰垄如图4框-7所都示。图4-答6接如管与法寻兰的焊版接接头说图4-话7活僚塞法兰车结构4.4森管板摆与筒体宇及管子踩的焊接境接头1)管鲜板与筒体拿的焊接接估头换热器绸的型式统决定了盖管板与厉筒体的降连接形芹式。固尽定管板名换热器他的管板箱与筒体贝的连接棍，当无有人孔时免，采用腊一端或榆两端单具面焊形县式。①板兼作福法兰时与翅筒体的连周接如图4-福8所示。士(a)为件不焊透单怖面焊接接做头，只适慎用于筒体圆壁厚δ≤针12mm私,工作压璃力Ps≤痰1MPa矛的场合，匹不能用于彩易燃、易炕爆、易挥成发及有毒鸣介质的场勺合。对于下Ps≥1呢MPa的蚊容器可选疑用带衬环费或带锁口卖的接头形返式，其中姥(b)厕、(c)阵结构可用责于Ps≤欺4MPa忌；(d)纯、(e)终结构可用凝于Ps丈>4MP痒a。对于良管板与筒寄体焊接后块需经加热创处理的结尾构，可采枪用带短节百的筒体形馅式，如图散(f)所诊示。②管板氧不兼作画法兰时碧与筒体档的连接可采用图恶4—9所嫌示结构，旗其中(a梳)、(b常)结构宜萝用于Ps肿≤4MP刮a的场合三，(c)脚、(d)声结宜用于爷Ps≥6碑MPa的团场合。图4-蜂8循管板瞧兼作法枪兰时与叼筒体的淡连接图4-把9忽管板虽不兼作腔法兰时铜与筒体矿的连接贼结构2、管板辨与管子的瞒焊接接头管子与管园板的连接及，在管壳元式换热器幅的设计中膝，是一个列比较重要源的结构部计分。它不酸仅加工量蝴大，而且怀必须使每镜一个连接笑处在设备异的运行中哈，保证介店质无泄漏王且具有承浴受介质压益力的能力亭。管板与盆管子的症连接形撕式可有耽（1）委胀接，荣（2）淹焊接，贞（3）堪胀焊结抖合形式粒。（1）柱胀接形敬式兔贴胀主圆要是为阿消除换载热管与朋管孔之签间缝隙谊的轻度访胀接；悦强度胀魔是指管爪板与换镰热管连节接处的摊密封和吓抗拉强甲度均由姥胀接来裙保证的击连接。卵它适用迁于管壳遣之间介跳质渗透锤不会引五起不良凳后果的家情况下良，胀接附结构简谷单，管难子修补屈容易。（2）仙焊接形携式吨管子与朵管板的处焊接结舍构，因锐管孔不况需要开凳槽，管播孔的粗驶糙度要勒求不高冬，加工恢制作方仓便，抗铅拉脱力利强，结苦构强度科高，补铁焊、拆指卸都比冲胀管方胶便，应纲用较广白泛。通扮常称强悟度焊，娃若管子远仅高处题管板1疲mm，构称为密鬼封焊，减密封焊染只保证润管子与咬管板连吩接的密挤封性能书，不能宜保证其包拉脱强翠度，典拾型结构愈如图4膜—10乘所示。物(a)呜为最常防用的焊帆接结构些形式；怪(c息)结构巾可避免摘停车后却管板上端积有残叶液，同罩时减少假流体进秃管口时节的阻力赢。(纱b)用结构在守管孔周图围开沟寸槽，能饰减少焊芒接应力万，适用键于管板驶经焊接论后(氩态弧焊)村不允许汤产生变询形的场价合，不圆锈钢管完与管板陆的焊接勺多采用链此结构沈，但加颗工麻烦跟，工作欲量大。俯小直径组管子不祝能胀接伞时，常泰采用(卧d)结伤构。图4-1夺0管板惊与管子的侧焊接形式（3）胀扛焊并用晚高温高挨压下，管寸端接头面源临着极其欠苛刻的工新作环境，狱无论是焊仿接，或是绝胀接，都靠难以保证难满足要求血。胀接法首虽可以承问受较高的集压力，但墓当温度升静到300伙-400宝℃以上时港，蠕变造流成胀接残葵余应力的扩松弛，将段很快使胀帐口失效。开焊接法虽峰然可以耐肃更高的温偏度，但高法温循环应坑力易使焊盾口发生疲逢劳裂纹，院故需考虑雨胀焊并用背。对于密封剧要求较高费的场合，联或承受振计动，疲劳篮载荷的场清合，及有仗间隙腐蚀房诚和采用复亡合管板的级场合，先藏胀后焊可抬提高焊缝增抗疲劳的回性能，且博管壁贴合捷于管板孔露壁，可防蠢止焊接时勇产生裂纹怜。但胀管佳残留的润净滑油易在专焊接过程虏中产生气固孔，严重些影响焊缝诊质量。而马先焊后胀懒可不必清术理胀管后灯残留的油炭污，但对夜焊后胀接韵时的胀管视位置要求愈较高，必所须保10推~12m阵m的范围厦内不进行愁胀节，否弦则损坏焊杰缝。在胀谱焊结合结宋构中，常虾用的是强花度胀加密括封焊，如陶图4-1伶1，和强贫度焊加贴拉胀如图4贿-12。投前者用胀云接来承