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淺述換熱器的設計與制造
2016-03-15  來源:admin    發布者:小A

近年來,國內換熱器行業生產規模迅速擴大,換熱器企業近2,000家,其中銷售收入超過500萬元的企業在900家以上。目前我國換熱器行業存在:行業集中度不高、行業研發和創新能力低、制造技術水平低等問題。

 
1換熱器目前發展特點


  1.1行業生產集中度低
  在全世界換熱器約300億美元的銷售額中,世界8大跨國公司占75-80%。德國兩大公司占其全國總量的90%,日本5家占其全國總量的90%,美國1家占其全國總量的56%,而我國年銷售額10億元以上的7家換熱器企業,銷售額僅占全行業的28.3%,前30家企業的生產集中度也僅為43.6%。


  1.2行業研發和創新能力低
  由于大多數企業在創新體系的建設、研發和創新的資金投入、人才開發等方面仍處于低水平,加上面向行業服務的科研院所走向企業化,國家對行業共性技術研究投入較少,從而削弱了行業研發的能力。因此,全行業“兩弱兩少”突出,即基礎理論研究弱,參與國際標準制訂力度弱,少原創技術,少專利產品。


   1.3我國換熱器行業制造技術水平低
我國換熱器工業制造工藝和工藝裝備技術發展緩慢,車加工數控率低,磨加工自動化水平低,全國僅有200多條自動生產線。大多數企業,尤其是國有老企業中作為生產主力的仍是傳統設備。對換熱器壽命和可靠性至關重要的先進熱處理工藝、裝備和許多技術難題攻關未能取得突破。

2換熱器設計及制造

2.1法規及標準選用
行業相關法規和標準是產品設計的依據,有些換熱器設計人員對換熱器的設計及制造的法規和標準不夠熟悉,不了解新舊法規和標準的替換,使得在設計換熱器的時候,會出現法規和標準的選用不夠正確,影響產品的性能甚至造成不必要的損失。目前換熱器相關法規和標準主要有:《中華人民共和國特種設備安全法》、《固定式壓力容器安全技術監察規程》、《換交換器》、《制冷裝置用壓力容器》、《壓力容器》等。

2.2材料的代用
在換熱器的設計與制造工作中,時常會因為材料采購較為困難,出現材料代用的現象,在實際的操作中,因為材料代用所引發的問題,卻比較容易被人們所忽視。
 

(1)以厚代薄
如果將材料以厚代薄,會出現由于殼體的受力,而使其從平面應力狀態轉變為平面應變狀態,這樣對于容器受力狀態產生的負面影響較大。通常來說,厚壁容器相較于薄壁容器,更加容易出現三向應力,會導致平面應變的脆性斷裂。對于筒體和封頭之間等厚的焊接容器,如果對殼體的個別零件進行以厚代薄,那么一定會導致殼體幾何不連續性增加,從而導致應力的集中,使筒體和封頭的連接部位具有的局部應力加大,在這個時候,可能對應力腐蝕傾向比較大的的容器產生一定的危害。對于那些高變載荷的容器,還可能導致疲勞斷裂,甚至是疲勞裂紋。鋼板的許用應力與厚度有著密切的關系,鋼板的厚度不斷地增加,它的許用應力值就呈不斷下降的趨勢。例如Q245R鋼板,其溫度在100 ℃下,鋼板厚度從16 mm 加至18 mm,其許用應力就從147 MPa 降到140 MPa。而Q345R 鋼板,溫度在100℃的狀況下,鋼板厚度從16 mm 加至18 mm,其許用應力從189MPa 降到185 MPa。因此,使用以厚代薄的方法,可能造成設備的強度不能滿足設計的要求,所以,在處于臨界狀態時,使用以厚代薄,必須要對設備的強度進行詳細的驗算。特別是封頭制造,需要給予高度重視,在對封頭進行下料時,要增加毛坯的厚度,保證成型后的封頭,具有小成型厚度。

(2) 以優代劣
換熱器使用的金屬材料性能包括了工藝性能、化學性能以及力學性能等,每種材料的性能,通常都是不變的,從材料的性能出發,材料之間通常有優劣之分,但是這樣的優劣之分,也是相對的,需要具體問題具體分析,以下就是以優代劣的事例。在換熱器的生產制作過程中,低合金鋼的強度、機械性能明顯優于碳素鋼,但是其冷加工性能與可焊性不如碳素鋼。通常來說,強度的級別越高,具有的冷加工性能與可焊性就越差,所以在進行這類的代用時,還應該相應的調整焊接的施工工藝。在濕硫化氫的環境下,換熱器存在著應力腐蝕開裂的風險,隨著施工設備的用鋼級別不斷地提高,對于應力腐蝕開裂的程度也越高,如果選用Q345R來替代Q245R鋼材就容易產生問題。因此,以優代劣的方式值得研究。綜上所述,材料代用所造成的影響是較為復雜的,在進行材料代用的時候,應該先取得原設計單位許可文件,并且對改動的部位進行詳細的記載,同時,原設計單位應該對材料代用的影響以及可行性進行綜合的考慮,決定材料代用方案是否可行,對相應的檢測方法以及焊接工藝進行相應調整,在大程度上消除或者減少由于材料代用所造成的不良影響。

2.3管板與換熱管的連接形式
在殼管式換熱器制造中,換熱管與管板之間的連接結構和連接質量決定了換熱器的質量優劣和使用壽命,是換熱器制造過程中至關重要的一個環節。大多數換熱器的破壞及失效都發生在換熱管與管板的連接部位,其連接接頭的質量也直接影響換熱器安全可靠性。因此,換熱管與管板的連接工藝成為了殼管式換熱器制造質量保證體系中關鍵的控制環節。目前,換熱管與管板的連接主要有:焊接、脹接、脹焊并用等方法。
 

(1 )焊接
焊接分為內孔焊和管板端部焊兩種。換熱管和管板采取端部焊時,管板與換熱管之間存在間隙,介質不易流動,間隙易產生腐蝕,還無法用超聲波或X 光進行檢測,這樣就無法確保焊接的可靠性。只有有效的焊接工藝評定,才能保證全焊透以及焊縫無裂紋。這種焊接形式存在焊縫溫度應力、焊接殘余應力以及剪應力,焊縫較易出現裂紋。當換熱管厚度超過2 mm 時,管板和換熱管宜采用焊接形式。特殊情況下也可采用內孔焊。內孔焊接主要采用全熔透形式,消除了端面焊的縫隙,提高了抗間隙腐蝕和抗應力腐蝕的能力。其抗振動疲勞強度高,能承受高溫、高壓。焊接接頭的力學性能較好,對接頭可進行內部無損探傷,焊縫內部質量可得到控制,提高了焊縫的可靠性。但內孔焊接技術裝配較難,對焊接技術要求高,制造和檢驗復雜,并且制造成本相對較高。隨著高溫、高壓和大型化換熱器發展,對其制造質量要求越來越高,內孔焊接技術將會得到更加廣泛的應用。
(2)脹接
脹接可以分為爆破脹管、液壓脹接、機械滾脹法三種形式。爆破脹管,指的是利用爆炸時產生的徑向力,使得管子脹緊,與此同時,利用爆炸時產生的軸向力,將管內殘渣甩出管外。液壓脹接法,使管板與換熱管的連接位置應力分布均勻,具有勞動強度低、生產效率高、密封性良好等優點,但是對于管板的管孔以及開槽的精度要求特別高。機械滾脹法,通常使用于換熱管產生欠脹或者過脹,其內壁容易產生硬化現象,還有在高溫的作業下,因為溫差的變化,脹接位置的殘余應力慢慢消失,然后降低了抗拉脫力和密封性,導致連接的失效。機械滾脹法具有結構簡單的優點方便進行修補于更換。脹接適用于無劇烈振動,無過大的溫度變化,無嚴重的應力腐蝕的場合。
(3)脹焊并用
當溫度和壓力較高時,且在熱變形、熱沖擊、熱腐蝕和液流體壓力的作用下,換熱管與管板連接處易被破壞,采用脹接或焊接均難以保證連接強度和密封的要求。目前廣泛采用的是脹焊并用的方法。脹接加焊接結構能夠有效地阻尼管束振動對焊縫的損傷,可以有效地消除應力腐蝕和間隙腐蝕,提高了接頭的抗疲勞性能,從而提高了換熱器的使用壽命,比單純脹接或強度焊具有更高的強度和密封性能。
設計人員在設計產品時要同時考慮產品的安全性、經濟性和價值。 產品安全性主要體現在:產品有足夠的強度 、足夠的剛度(或穩定性) 、可靠的密封性能 、一定的使用壽命。 產品經濟性主要體現在:經濟可靠的材料、經濟的制造方法、低的操作和維護費用、長周期的安全運行。產品價值主要體現在:產品的功能、品質、節能環保。 堅守品質、不斷創新是企業可持續發展的保證。產品質量做好了,所有業務可以順勢而為。

3換熱器未來發展前景
換熱器廣泛應用于制冷、石油、化工、電力、冶金、船舶、機械、食品、制藥等行業,我國換熱器行業在未來一段時期內將保持穩定增長,預計至2020年期間,我國換熱器產業將保持年均10-15%左右的速度增長。換熱器的設計及研發符合可持續發展要求!


                                                     聯合技術中心   蔣連勝

 

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