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列管式換熱器管板變形的原因及防止變形的工藝

點擊:1672 日期:[ 2014-04-26 22:21:52 ]
                  列管式換熱器管板變形的原因及防止變形的工藝                                      王立新                 (錦西化工機械(集團)有限責任公司,遼寧葫蘆島125001)     [關鍵詞]列管式換熱器;管板;變形;機加工方法;防變形的工藝     [摘要]詳細分析了換熱器中管板變形的原因,主要是管板的加工變形及加工時產生的變形,提出了防止管板變形的工藝對策。     [中圖分類號]TQ325.3 [文獻標識碼]B [文章編號]1009—7937(2006)10—0039—03     在石油化工裝置中使用的列管式換熱器大多是單件小批量生產。換熱器一般經過殼體下料、滾圓、焊接與管板下料、加工、鉆(鉸)孔等工序,最后完成組裝。由于列管式換熱器大都是管板兼作法蘭與殼體直接焊在一起的結構,管板直徑與板厚之比往往很大,在加工、組焊、列管與管板的連接過程中,不可避免地產生管板密封面的變形。變形嚴重時,將直接影響密封效果,導致惡性循環,使承受過大預緊力的螺栓(柱)斷裂或加大管板的局部變形,最終使密封失效。因此,采用合理的制造工藝,避免管板密封面產生過大的變形,是列管式換熱器制造過程中不容忽視的重要內容。本文根據1臺蒸發器制造的現場實踐,分析管板變形的原因。進而討論列管式換熱器制造過程中防止管板變形的工藝對策,以達到提高制造工藝水平、滿足生產工藝需要的目的。     1 管板變形原因     蒸發器管板用OCrl8Ni9Ti鋼板制造,其上有正三角形排列的 57.5管孔233個(見圖1)。管板與材料為OCrl8NigTi的 57 X 3.5的鋼管脹作。接。管板與殼體為角焊縫連接(見圖2)。殼體為12mm厚的16MnR鋼板。蒸發器的殼程設計壓力為0.5 MPa,管程設計壓力為0.22 MPa。設備制造完工后,對殼程進行0.85 MPa、對管程進行0.32 MPa的水壓強度試驗。管板制造過程中的變形,主要是管板的加工變形和管板與殼體、換熱管連接時產生的變形。其原因是:     (1)管板的加工變形。管板的加工工序一般為下料(拼接成整圓下料,本例為整圓下料)、車加工外圓及密封面、劃線、鉆(鉸)孔。在整個加工過程中,管板變形主要是管孔加工過程中裝夾定位的方式不當和鉆孔軸向力引起的。一般地,管孔的加工分為裝夾定位、找正、鉆孔、擴孔、鉸孔等工序,為了排屑及冷卻的需要,管板一般安裝在兩塊方臺上,其裝夾方式和受力狀態猶如固支圓平板(見圖3)。由于兩塊方臺之間存在高度誤差,用搖臂鉆床鉆孔時,軸向力的作用必然引起兩端支反力的不等。同時,由于管孔加工的不斷進行,管板的支撐剛度不斷削弱,加上鉆頭鉆削時的磨損,軸向切削力不斷增大。這些都是引起管板加工變形的原因。其中,裝夾方式、鉆孑L順序、鉆頭幾何角度和切削用量是引起加工變形的主要原因。據現場測試,圖1中的管板采用圖3的裝夾方式(為保證兩管板管孑L位置的一致性,往往兩塊管板對合在一起加工),先用 10鉆頭找正,再用 26鉆頭鉆孔,最后用 55.7鉆頭擴孔至所需尺寸。拆開后進行測量,管板密封面平面凸起,變形量達到3/1 000,中點處凸起達4 mm。由于管孑L已經全部加工完畢,為避免管孑L軸線歪斜,已不可能對管板平面矯正。                           圖3 管板的裝夾與加工      (2)管板與殼體、換熱管連接時產生的變形。管板加工后,由裝配鉚工按照兩端管板與殼體點焊固定、穿人換熱管、管板與換熱器(焊)接、管板與殼體焊接的順序完成組裝。其目的是利用換熱管與管板連接后增加管板的剛度來防止管板與殼體焊接時產生過大的變形,同時也有利于換熱管截取長度的一致性。對于低壓換熱器且管板直徑較小、厚度較大、對密封面要求較低時,這種工序安排一般能達到預期目的。但對于具有較高要求的換熱器來說,顯然是不能滿足要求。特別是一般換熱器殼體端部都焊有接管,無疑增加了殼體的剛度。焊縫收縮和換熱 管的拉撐作用,使得管板變形加大,密封面凸起嚴重(見圖4)。同時,布管區邊緣處換熱管與管板的脹接強度衰減嚴重,不得不重新補脹。經現場測量,管板中心處凸起達7 1Tim,密封面凸起3~4 mlTl,在殼體接管部位上還產生了不連續的局部變形。     綜上所述,管板的變形原因為:① 由加工過程中裝夾方式選擇不當、鉆頭幾何角度不合適、切削用量不合適造成的;② 由組裝順序、焊接參數選擇不當造成的。為了避免產生過大變形,必須制定合理的加工工藝和組焊工藝。     2 防止管板變形的工藝對策     2.1 管板加工工藝的考慮     由于現有設備加工能力的限制,為了保證兩塊管板上管孑L位置的對應一致,兩塊管板必須先對合(正面對合或反面對合),再劃線、鉆孔。一般情況下,應采用正面對合—— 兩管板密封面對合的方式。正面貼合時,鉆孔后管板背面中心凸起,對組焊時引起的變形有一定的補償作用。管板對合時,對合面必須貼緊、壓實,不允許存在間隙,且應在中心和幾個對稱位置先鉆孑L,然后用螺栓將兩塊管板緊固,避免切削過程中切屑擠入縫隙。     管板的安裝定位最好在一塊完整的、且有較高平面度的方臺上。調整好方臺表面的水平度和對鉆床主軸中心線的垂直度,然后裝夾管板。當管板與方臺的接觸面為非加工面時,應用直角尺沿管板外圓周調整垂直度,調整墊塊均勻分布。對于一般要求的管孑L,采用找正、鉆孑L、擴孑L的工序就可完成加工。對于不同直徑的管孑L,鉆孑L時所用鉆頭的直徑也應不同。一般來說, 32以下的管孑L鉆削時軸向力對變形影響不大,而裝夾方式是引起加工變形的主要原因。但對于超過 32以上的管孔,鉆削軸向力的影響則是不可忽略的,管孔鉆頭直徑的選擇一般應為管孔直徑的5O 以上,例如57.7的鉆孔,鉆頭直徑應選擇 3()。對鉆削軸向力影響較大的是鉆頭的主偏角和前角、后角,主偏角越大,軸向力越大;然而,主偏角過小,徑向切削力增加,扭矩加大。一般選擇(118±2)。即可。在不至削弱主切削刃強度的前提下,前角或后角都應盡量取得大些。鉆孔過程中,必須保證供給充足的冷卻潤滑液(乳化液)。一方面降低切削溫度,延長鉆頭的使用壽命;另一方面,冷卻潤滑液的清洗作用也有利于切屑排出。切削速度不宜超過15 m/min。同時,還應該注意鉆頭的磨損,隨時刃磨、更換。鉆孔應對稱進行,絕不能依次鉆孔。以避免因剛度下降造成的變形。對于不可能用一塊方臺安裝的大直徑管板,這一點尤為重要。由于設備條件和產品生產規模的限制,換熱器管板基本上是采用兩塊管板對合在一起,在搖臂鉆床上加工管孔。隨著設備的更新換代,采用數控鉆床加工管孔為期不會太遠。從減少管板制造變形的角度考慮,使用數控鉆床加工管孔時,不必把兩塊管板對合在一起加工,可以保證管孔的定位精度和互換性。這樣,就有可能利用管孔加工后管板的回彈變形來補償組焊時的變形。這時,管板的裝夾定位基準面就應選擇密封面,即在管板背面鉆(鉸)孔。由于回彈變形的影響因素(諸如幾何尺寸、管孔排列形式、裝夾方式、管伴材料等)很多,還需要在有條件時進行大量的試驗,掌握規律后,才能在生產實踐中應用。     2.2 組焊工藝的安排     前已述及,選擇正確的組焊順序和焊接參數是防止管板變形過大的重要措施。一般地,對于列管與管板脹接且對密封面要求較低的換熱器,可以按管板和殼體點焊固定、穿管脹接、焊接的順序進行組裝。脹管時,應按照從中心向外依次對稱的順序進行,先在中心處和四周對稱處輕脹固定,然后再依次對應脹接,使脹接軸向力(主要是換熱管的塑性變形引起的)得以釋放。管板與殼體焊接參數的選擇對管板的邊緣變形影響尤甚,因此應采用小直徑焊條、小電流、分層焊的焊接工藝,且應在每層焊后用錘擊焊縫以釋放焊接應力,各層間焊接應在前一層焊縫冷卻后進行。實踐證明,采用這種組焊工藝完全可以達到設計要求。對于密封面要求較高的管板,應采用特殊的工藝措施來防止組焊時產生的管板邊緣變形。例如,用一個直徑和管板外徑相同的剛性圈與管板用螺栓緊固(見圖5)來增加管板的剛度;有條件時,也可將管板固定在較大剛度和強度的固定彎板上,再按照前述工序組裝。一般情況下,采用這類工藝措施可以減少管板在組焊時變形。     3 結 語     由于各制造廠工藝水平不一,管板材料各異,引起換熱器管板變形的原因非常復雜。必須針對不同情況和制造技術要求編制合理的管板加工和組焊工藝。選擇合適的裝夾方式、鉆頭幾何角度和切削用量,選擇合適的組焊工藝和工裝,都是必須考慮的。                                                [編輯:陳立春]
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