列管式换热器管板变形的原因及防止变形的工艺

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-11-24 10:11:16 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:换热器

 在石油化工装置中使用的列管式换热器大多是单件小批量生产。换热器一般经过壳体下料、滚圆、焊接与管板下料、加工、钻(铰)孔等工序,最后完成组装。由于列管式换热器大都是管板兼作法兰与壳体直接焊在一起的结构,管板直径与板厚之比往往很大,在加工、组焊、列管与管板的连接过程中,不可避免地产生管板密封面的变形。变形严重时,将直接影响密封效果,导致恶性循环,使承受过大预紧力的螺栓(柱)断裂或加大管板的局部变形,最终使密封失效。因此,采用合理的制造工艺,避免管板密封面产生过大的变形,是列管式换热器制造过程中不容忽视的重要内容。本文根据1台蒸发器制造的现场实践,分析管板变形的原因。进而讨论列管式换热器制造过程中防止管板变形的工艺对策,以达到提高制造工艺水平、满足生产工艺需要的目的。

    1 管板变形原因

    蒸发器管板用OCrl8Ni9Ti钢板制造,其上有正三角形排列的 57.5管孔233个(见图1)。管板与材料为OCrl8NigTi的 57 X 3.5的钢管胀作。接。管板与壳体为角焊缝连接(见图2)。壳体为12mm厚的16MnR钢板。蒸发器的壳程设计压力为0.5 MPa,管程设计压力为0.22 MPa。设备制造完工后,对壳程进行0.85 MPa、对管程进行0.32 MPa的水压强度试验。管板制造过程中的变形,主要是管板的加工变形和管板与壳体、换热管连接时产生的变形。其原因是:

    (1)管板的加工变形。管板的加工工序一般为下料(拼接成整圆下料,本例为整圆下料)、车加工外圆及密封面、划线、钻(铰)孔。在整个加工过程中,管板变形主要是管孔加工过程中装夹定位的方式不当和钻孔轴向力引起的。一般地,管孔的加工分为装夹定位、找正、钻孔、扩孔、铰孔等工序,为了排屑及冷却的需要,管板一般安装在两块方台上,其装夹方式和受力状态犹如固支圆平板(见图3)。由于两块方台之间存在高度误差,用摇臂钻床钻孔时,轴向力的作用必然引起两端支反力的不等。同时,由于管孔加工的不断进行,管板的支撑刚度不断削弱,加上钻头钻削时的磨损,轴向切削力不断增大。这些都是引起管板加工变形的原因。其中,装夹方式、钻孑L顺序、钻头几何角度和切削用量是引起加工变形的主要原因。据现场测试,图1中的管板采用图3的装夹方式(为保证两管板管孑L位置的一致性,往往两块管板对合在一起加工),先用 10钻头找正,再用 26钻头钻孔,最后用 55.7钻头扩孔至所需尺寸。拆开后进行测量,管板密封面平面凸起,变形量达到3/1 000,中点处凸起达4 mm。由于管孑L已经全部加工完毕,为避免管孑L轴线歪斜,已不可能对管板平面矫正。



                          图3 管板的装夹与加工

     (2)管板与壳体、换热管连接时产生的变形。管板加工后,由装配铆工按照两端管板与壳体点焊固定、穿人换热管、管板与换热器(焊)接、管板与壳体焊接的顺序完成组装。其目的是利用换热管与管板连接后增加管板的刚度来防止管板与壳体焊接时产生过大的变形,同时也有利于换热管截取长度的一致性。对于低压换热器且管板直径较小、厚度较大、对密封面要求较低时,这种工序安排一般能达到预期目的。但对于具有较高要求的换热器来说,显然是不能满足要求。特别是一般换热器壳体端部都焊有接管,无疑增加了壳体的刚度。焊缝收缩和换热

管的拉撑作用,使得管板变形加大,密封面凸起严重(见图4)。同时,布管区边缘处换热管与管板的胀接强度衰减严重,不得不重新补胀。经现场测量,管板中心处凸起达7 1Tim,密封面凸起3~4 mlTl,在壳体接管部位上还产生了不连续的局部变形。



    综上所述,管板的变形原因为:① 由加工过程中装夹方式选择不当、钻头几何角度不合适、切削用量不合适造成的;② 由组装顺序、焊接参数选择不当造成的。为了避免产生过大变形,必须制定合理的加工工艺和组焊工艺。

    2 防止管板变形的工艺对策

    2.1 管板加工工艺的考虑

    由于现有设备加工能力的限制,为了保证两块管板上管孑L位置的对应一致,两块管板必须先对合(正面对合或反面对合),再划线、钻孔。一般情况下,应采用正面对合—— 两管板密封面对合的方式。正面贴合时,钻孔后管板背面中心凸起,对组焊时引起的变形有一定的补偿作用。管板对合时,对合面必须贴紧、压实,不允许存在间隙,且应在中心和几个对称位置先钻孑L,然后用螺栓将两块管板紧固,避免切削过程中切屑挤入缝隙。

    管板的安装定位最好在一块完整的、且有较高平面度的方台上。调整好方台表面的水平度和对钻床主轴中心线的垂直度,然后装夹管板。当管板与方台的接触面为非加工面时,应用直角尺沿管板外圆周调整垂直度,调整垫块均匀分布。对于一般要求的管孑L,采用找正、钻孑L、扩孑L的工序就可完成加工。对于不同直径的管孑L,钻孑L时所用钻头的直径也应不同。一般来说, 32以下的管孑L钻削时轴向力对变形影响不大,而装夹方式是引起加工变形的主要原因。但对于超过 32以上的管孔,钻削轴向力的影响则是不可忽略的,管孔钻头直径的选择一般应为管孔直径的5O 以上,例如57.7的钻孔,钻头直径应选择 3()。对钻削轴向力影响较大的是钻头的主偏角和前角、后角,主偏角越大,轴向力越大;然而,主偏角过小,径向切削力增加,扭矩加大。一般选择(118±2)。即可。在不至削弱主切削刃强度的前提下,前角或后角都应尽量取得大些。钻孔过程中,必须保证供给充足的冷却润滑液(乳化液)。一方面降低切削温度,延长钻头的使用寿命;另一方面,冷却润滑液的清洗作用也有利于切屑排出。切削速度不宜超过15 m/min。同时,还应该注意钻头的磨损,随时刃磨、更换。钻孔应对称进行,绝不能依次钻孔。以避免因刚度下降造成的变形。对于不可能用一块方台安装的大直径管板,这一点尤为重要。由于设备条件和产品生产规模的限制,换热器管板基本上是采用两块管板对合在一起,在摇臂钻床上加工管孔。随着设备的更新换代,采用数控钻床加工管孔为期不会太远。从减少管板制造变形的角度考虑,使用数控钻床加工管孔时,不必把两块管板对合在一起加工,可以保证管孔的定位精度和互换性。这样,就有可能利用管孔加工后管板的回弹变形来补偿组焊时的变形。这时,管板的装夹定位基准面就应选择密封面,即在管板背面钻(铰)孔。由于回弹变形的影响因素(诸如几何尺寸、管孔排列形式、装夹方式、管伴材料等)很多,还需要在有条件时进行大量的试验,掌握规律后,才能在生产实践中应用。

    2.2 组焊工艺的安排

    前已述及,选择正确的组焊顺序和焊接参数是防止管板变形过大的重要措施。一般地,对于列管与管板胀接且对密封面要求较低的换热器,可以按管板和壳体点焊固定、穿管胀接、焊接的顺序进行组装。胀管时,应按照从中心向外依次对称的顺序进行,先在中心处和四周对称处轻胀固定,然后再依次对应胀接,使胀接轴向力(主要是换热管的塑性变形引起的)得以释放。管板与壳体焊接参数的选择对管板的边缘变形影响尤甚,因此应采用小直径焊条、小电流、分层焊的焊接工艺,且应在每层焊后用锤击焊缝以释放焊接应力,各层间焊接应在前一层焊缝冷却后进行。实践证明,采用这种组焊工艺完全可以达到设计要求。对于密封面要求较高的管板,应采用特殊的工艺措施来防止组焊时产生的管板边缘变形。例如,用一个直径和管板外径相同的刚性圈与管板用螺栓紧固(见图5)来增加管板的刚度;有条件时,也可将管板固定在较大刚度和强度的固定弯板上,再按照前述工序组装。一般情况下,采用这类工艺措施可以减少管板在组焊时变形。


 



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