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            浅述换热器的设计与制造
            2016-03-15  来源:admin    发布者:小A

            近年来,国内换热器行业生产规模迅速扩大,换热器企业近2,000家,其中销售收入超过500万元的企业在900家以上。目前我国换热器行业存在:行业集中度不高、行业研发和创新能力低、制造技术水平低等问题。

             
            1换热器目前发展特点


              1.1行业生产集中度低
              在全世界换热器约300亿美元的销售额中,世界8大跨国公司占75-80%。德国两大公司占其全国总量的90%,日本5家占其全国总量的90%,美国1家占其全国总量的56%,而我国年销售额10亿元以上的7家换热器企业,销售额仅占全行业的28.3%,前30家企业的生产集中度也仅为43.6%。


              1.2行业研发和创新能力低
              由于大多数企业在创新体系的建设、研发和创新的资金投入、人才开发等方面仍处于低水平,加上面向行业服务的科研院所走向企业化,国家对行业共性技术研究投入较少,从而削弱了行业研发的能力。因此,全行业“两弱两少”突出,即基础理论研究弱,参与国际标准制订力度弱,少原创技术,少专利产品。


               1.3我国换热器行业制造技术水平低
            我国换热器工业制造工艺和工艺装备技术发展缓慢,车加工数控率低,磨加工自动化水平低,全国仅有200多条自动生产线。大多数企业,尤其是国有老企业中作为生产主力的仍是传统设备。对换热器寿命和可靠性至关重要的先进热处理工艺、装备和许多技术难题攻关未能取得突破。

            2换热器设计及制造

            2.1法规及标准选用
            行业相关法规和标准是产品设计的依据,有些换热器设计人员对换热器的设计及制造的法规和标准不够熟悉,不了解新旧法规和标准的替换,使得在设计换热器的时候,会出现法规和标准的选用不够正确,影响产品的性能甚至造成不必要的损失。目前换热器相关法规和标准主要有:《中华人民共和国特种设备安全法》、《固定式压力容器安全技术监察规程》、《换交换器》、《制冷装置用压力容器》、《压力容器》等。

            2.2材料的代用
            在换热器的设计与制造工作中,时常会因为材料采购较为困难,出现材料代用的现象,在实际的操作中,因为材料代用所引发的问题,却比较容易被人们所忽视。
             

            (1)以厚代薄
            如果将材料以厚代薄,会出现由于壳体的受力,而使其从平面应力状态转变为平面应变状态,这样对于容器受力状态产生的负面影响较大。通常来说,厚壁容器相较于薄壁容器,更加容易出现三向应力,会导致平面应变的脆性断裂。对于筒体和封头之间等厚的焊接容器,如果对壳体的个别零件进行以厚代薄,那么一定会导致壳体几何不连续性增加,从而导致应力的集中,使筒体和封头的连接部位具有的局部应力加大,在这个时候,可能对应力腐蚀倾向比较大的的容器产生一定的危害。对于那些高变载荷的容器,还可能导致疲劳断裂,甚至是疲劳裂纹。钢板的许用应力与厚度有着密切的关系,钢板的厚度不断地增加,它的许用应力值就呈不断下降的趋势。例如Q245R钢板,其温度在100 ℃下,钢板厚度从16 mm 加至18 mm,其许用应力就从147 MPa 降到140 MPa。而Q345R 钢板,温度在100℃的状况下,钢板厚度从16 mm 加至18 mm,其许用应力从189MPa 降到185 MPa。因此,使用以厚代薄的方法,可能造成设备的强度不能满足设计的要求,所以,在处于临界状态时,使用以厚代薄,必须要对设备的强度进行详细的验算。特别是封头制造,需要给予高度重视,在对封头进行下料时,要增加毛坯的厚度,保证成型后的封头,具有小成型厚度。

            (2) 以优代劣
            换热器使用的金属材料性能包括了工艺性能、化学性能以及力学性能等,每种材料的性能,通常都是不变的,从材料的性能出发,材料之间通常有优劣之分,但是这样的优劣之分,也是相对的,需要具体问题具体分析,以下就是以优代劣的事例。在换热器的生产制作过程中,低合金钢的强度、机械性能明显优于碳素钢,但是其冷加工性能与可焊性不如碳素钢。通常来说,强度的级别越高,具有的冷加工性能与可焊性就越差,所以在进行这类的代用时,还应该相应的调整焊接的施工工艺。在湿硫化氢的环境下,换热器存在着应力腐蚀开裂的风险,随着施工设备的用钢级别不断地提高,对于应力腐蚀开裂的程度也越高,如果选用Q345R来替代Q245R钢材就容易产生问题。因此,以优代劣的方式值得研究。综上所述,材料代用所造成的影响是较为复杂的,在进行材料代用的时候,应该先取得原设计单位许可文件,并且对改动的部位进行详细的记载,同时,原设计单位应该对材料代用的影响以及可行性进行综合的考虑,决定材料代用方案是否可行,对相应的检测方法以及焊接工艺进行相应调整,在大程度上消除或者减少由于材料代用所造成的不良影响。

            2.3管板与换热管的连接形式
            在壳管式换热器制造中,换热管与管板之间的连接结构和连接质量决定了换热器的质量优劣和使用寿命,是换热器制造过程中至关重要的一个环节。大多数换热器的破坏及失效都发生在换热管与管板的连接部位,其连接接头的质量也直接影响换热器安全可靠性。因此,换热管与管板的连接工艺成为了壳管式换热器制造质量保证体系中关键的控制环节。目前,换热管与管板的连接主要有:焊接、胀接、胀焊并用等方法。
             

            (1 )焊接
            焊接分为内孔焊和管板端部焊两种。换热管和管板采取端部焊时,管板与换热管之间存在间隙,介质不易流动,间隙易产生腐蚀,还无法用超声波或X 光进行检测,这样就无法确保焊接的可靠性。只有有效的焊接工艺评定,才能保证全焊透以及焊缝无裂纹。这种焊接形式存在焊缝温度应力、焊接残余应力以及剪应力,焊缝较易出现裂纹。当换热管厚度超过2 mm 时,管板和换热管宜采用焊接形式。特殊情况下也可采用内孔焊。内孔焊接主要采用全熔透形式,消除了端面焊的缝隙,提高了抗间隙腐蚀和抗应力腐蚀的能力。其抗振动疲劳强度高,能承受高温、高压。焊接接头的力学性能较好,对接头可进行内部无损探伤,焊缝内部质量可得到控制,提高了焊缝的可靠性。但内孔焊接技术装配较难,对焊接技术要求高,制造和检验复杂,并且制造成本相对较高。随着高温、高压和大型化换热器发展,对其制造质量要求越来越高,内孔焊接技术将会得到更加广泛的应用。
            (2)胀接
            胀接可以分为爆破胀管、液压胀接、机械滚胀法三种形式。爆破胀管,指的是利用爆炸时产生的径向力,使得管子胀紧,与此同时,利用爆炸时产生的轴向力,将管内残渣甩出管外。液压胀接法,使管板与换热管的连接位置应力分布均匀,具有劳动强度低、生产效率高、密封性良好等优点,但是对于管板的管孔以及开槽的精度要求特别高。机械滚胀法,通常使用于换热管产生欠胀或者过胀,其内壁容易产生硬化现象,还有在高温的作业下,因为温差的变化,胀接位置的残余应力慢慢消失,然后降低了抗拉脱力和密封性,导致连接的失效。机械滚胀法具有结构简单的优点方便进行修补于更换。胀接适用于无剧烈振动,无过大的温度变化,无严重的应力腐蚀的场合。
            (3)胀焊并用
            当温度和压力较高时,且在热变形、热冲击、热腐蚀和液流体压力的作用下,换热管与管板连接处易被破坏,采用胀接或焊接均难以保证连接强度和密封的要求。目前广泛采用的是胀焊并用的方法。胀接加焊接结构能够有效地阻尼管束振动对焊缝的损伤,可以有效地消除应力腐蚀和间隙腐蚀,提高了接头的抗疲劳性能,从而提高了换热器的使用寿命,比单纯胀接或强度焊具有更高的强度和密封性能。
            设计人员在设计产品时要同时考虑产品的安全性、经济性和价值。 产品安全性主要体现在:产品有足够的强度 、足够的刚度(或稳定性) 、可靠的密封性能 、一定的使用寿命。 产品经济性主要体现在:经济可靠的材料、经济的制造方法、低的操作和维护费用、长周期的安全运行。产品价值主要体现在:产品的功能、品质、节能环保。 坚守品质、不断创新是企业可持续发展的保证。产品质量做好了,所有业务可以顺势而为。

            3换热器未来发展前景
            换热器广泛应用于制冷、石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业,我国换热器行业在未来一段时期内将保持稳定增长,预计至2020年期间,我国换热器产业将保持年均10-15%左右的速度增长。换热器的设计及研发符合可持续发展要求!


                                                                 联合技术中心   蒋连胜

             

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