需整体消应热处理管壳式换热器的加工工艺

技术领域

本发明涉及对管壳式换热器加工工艺的改进；尤其涉及对需整体消除焊接应力，同时管壳与管板为对接焊缝，且需拍片探伤的管壳式换热器加工工艺的改进。

背景技术

固定管板（壳）式换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种工艺设备。近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。

固定管板式换热器管程和壳程中，流过不同温度的流体，通过热交换完成换热。在使用过程中当两流体的温度差较大时，为了避免较高的温差应力，通常在壳程的适当位置上，增加一个补偿圈（膨胀节）。当壳体和管束热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。

随着本领域技术要求不断提高，目前，对各焊接位置需进行拍片探伤检测，目的主要是为了确保各焊接位置的强度。但在焊接加工后，由于焊接应力的残留，需进行消应力热处理工序，否则焊接缺陷不足以弥补前述补偿圈的作用。更为关键的是，在进行消应力热处理工序时，如图6所示，封闭连接为一体的管1和壳，由于材料差异、尺寸差异会导致热膨胀不同（一般管会迅速产生轴向膨胀），进而使得焊接部位受损。该问题已经成为本领域亟待解决而一直未有明确解决方案的技术难题。

国家知识产权局2011.11.09公布的CN102233500A，名称“一种用于大型管板拼焊和热处理中控制变形的工艺”，公开了一种控制加工中变形的工艺方法，其技术方案中包括两大部分，一是控制管板拼焊变形的工艺步骤，二是控制管板热处理变形的工艺步骤，其中第二部分采取的是控制热处理进炉温度、热处理温度、出炉温度，以及升温速度的技术手段。但探索该技术方案过程中，在各部件的材质、尺寸出现差异时，难以确定具体的技术参数。使得在实际应用中难以实施。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种在消除应力热处理过程中，能有效消除涨缩变形对产品中管头焊接环缝损伤，使得有关焊缝符合拍片探伤要求的需整体消应热处理管壳式换热器的加工工艺。

本发明的技术方案是：所述换热器包括管程、壳程，以及由折流板、定距管和拉筋构成的管架；所述管程包括若干管，所述壳程包括筒体和板面开设若干孔的管板一、二；

所述加工工艺按以下步骤进行：

1）、壳程制备；将所述筒体和管板一、二焊接为一具有两道管板焊接环缝的整体；

2）、筒体截断；开设一垂直于筒体轴线的破缝，使得所述筒体分为筒体一和筒体二，并在破缝两侧筒体一口缘、筒体二口缘分别开设焊接坡口，对步骤1）中两道所述管板焊接环缝进行拍片探伤，待用；

3）、拼焊；以所述筒体一或筒体二之一为安装基础，装设所述管架，在所述管架和前述安装基础中穿设所述若干管；再套合另一筒体，调定各所述管与所述筒体一和筒体二的位置精度，进行管板焊接，使得所述带有管板一的筒体一、带有管板二的筒体二和若干管连呈一体化，得坯体；对所述坯体上管板焊接后形成的若干管头环焊缝进行拍片探伤；

4）、夹持坯体；采用一导向连接装置夹持所述坯体；

所述导向连接装置包括卡盘一、卡盘二和若干导向销杆，若干所述导向销杆固定连接在所述卡盘一上，所述卡盘二上开设有与所述导向销杆一一对应的导向销孔，所述卡盘一和卡盘二通过所述导向销杆活动连接；

夹持方法为：将所述导向连接装置中的卡盘一固定连接在所述筒体一的口缘处、将卡盘二固定连接在所述筒体二的口缘处；所述卡盘一与卡盘二之间的导向销杆使得所述筒体一和筒体二同轴心；

5）、整体消应热处理；将被所述导向连接装置夹持的坯体置入热处理炉体内，进行消除焊接应力的回火热处理；

6）、筒体二次连接；热处理完毕后，冷却，完成对破缝的焊接。

在所述整体消应热处理工序中还具有承托装置，所述承托装置包括滚子、垫块和垫板，所述垫板搁置在所述炉体内的底面上，所述滚子设在所述垫板顶面；所述滚子的上部支撑所述卡盘一和卡盘二的底部；所述垫块设置在所述滚子与所述筒体一、筒体二之间；使得两所述卡盘和筒体一、二保持同轴心、且水平。

所述壳程具有进口和出口，所述破缝开设在进口和出口之间，偏向所述进口的一端。

筒体二次连接时，对所述破缝进行点焊固定；然后拆除所述导向连接装置，完成对破缝的焊接，制得所述破缝环焊缝。

对所述破缝环焊缝进行局部消应热处理。

在所述破缝处焊接有内凹式涨缩圈。

所述内凹式涨缩圈的内表面设有至少两道斜凹槽，使得所述壳程内的介质在流动时形成旋流。

本发明在管、壳材质为合金钢时，充分尊重该材种在回火处理时管的升温速率大大高于壳程筒体升温速率，进而使得变形速率有明显差异的事实。在进行热处理前，将筒体进行截断（此时管程和壳程仍连为一体）；然后采用导向连接装置对截断后的两截筒体进行“柔性”连接，给予两者间进行距离变化的空间（管的轴向伸缩造成的该距离变化）；同时确保两截筒体之间的同心度、相位差不变。这样，在热处理时即能有效避免管头环焊缝、筒端与管板焊接环缝的损伤。热处理后，对尺寸一致的筒体再进行焊接，此时的焊接由于尺寸一致、材质一致，很容易确保焊接质量符合拍片探伤的要求。本发明解决了本领域一直以来存在的技术难题，有效保证了换热器的耐压等级和质量，延长了使用寿命。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

图2是本发明第一种实施方式制得后的结构示意图，

图3是本发明第二种实施方式制得后的结构示意图，

图4是本发明中内凹式涨缩圈的结构示意图，

图5是图4的左视图，

图6是本发明背景技术状态的示意图；

图中1是管，11是管头环焊缝，

2是管板，21是管板一，22是管板二，23是管板焊接环缝，

3是筒体，30是破缝，31是筒体一，32是筒体二，300是破缝环焊缝，

4是导向连接装置，41是卡盘一，42是卡盘二，43是导向销杆，

5是承托装置，51是滚子，52是垫块，53是垫板，

6是折流板，7是定距管，

8是内凹式涨缩圈，80是涨缩圈焊接坡面，81是凹槽。

具体实施方式

图6是现有技术换热器的结构示意图，基本构成为：管程包括若干管1，壳程包括管板2、筒体3，换热器内部设有折流板6、定距管7和拉筋构成的管架。目前常规的制作流程本文不再赘述。出于克服消除使用时冷热交变形成的涨缩应力的目的：在壳程的适当位置上，增加一个补偿圈（膨胀节），这样，当筒体3和管1热膨胀不同时，补偿圈发生缓慢的弹性变形来补偿因温差应力引起的热膨胀。

但在加工合金钢钢材质（管程、壳程）的换热器时，焊接应力的残存异常“强大”，出于消除加工中焊接应力的目的，还需进行整体消除焊接应力的热处理。由于管的壁薄，壳的壁厚，会导致管的升温速率、轴向变形速率远远大于壳的变化，此时在达成消除焊接应力的同时，又产生了涨缩变形导致的轴向力对焊缝的损伤，严重的甚至会导致焊缝开裂、内裂；这就是本文所需消除的加工隐患。

本发明如图1-5所示，所述换热器包括管程、壳程，以及由折流板6、定距管7和拉筋构成的管架；所述管程包括若干管1，所述壳程包括筒体3和板面开设若干孔的管板一21、管板二22；

所述加工工艺按以下步骤进行：

1）、壳程制备；将所述筒体3和管板一21、管板二22焊接为一具有两道管板焊接环缝23的整体；

2）、筒体截断；开设一垂直于筒体3轴线的破缝30，使得所述筒体3分为筒体一31和筒体二32，所述破缝30宽度为2-4mm，并在破缝30两侧筒体一31口缘、筒体二32口缘分别开设焊接坡口，对步骤1）中两道所述管板焊接环缝23进行拍片探伤，待用；

3）、拼焊；以所述筒体一31或筒体二32之一为安装基础（如筒体一31），装设所述管架，在所述管架和前述安装基础（即筒体一31）中穿设所述若干管1；再套合另一筒体（即筒体二32），调定所述管1与所述筒体一31和筒体二32的位置精度（调定位置精度为本领域常规技术，此处不再赘述），进行管板焊接，使得所述带有管板一21的筒体一31、带有管板二22的筒体二32和若干管1连呈一体化，得坯体；对所述坯体上管板2焊接后形成的若干管头环焊缝11进行拍片探伤；

4）、夹持坯体；采用一导向连接装置4夹持所述坯体，通过导向连接装置4给予两者（即筒体一31和筒体二32）间进行距离变化的空间（管的轴向伸缩造成的该距离变化）；

所述导向连接装置4包括卡盘一41、卡盘二42和若干导向销杆43，若干所述导向销杆43固定连接在所述卡盘一41上，所述卡盘二42上开设有与所述导向销杆43一一对应的导向销孔，所述卡盘一41和卡盘二42通过所述导向销杆43活动连接；

夹持方法为：将所述导向连接装置4中的卡盘一41固定连接在所述筒体一31的口缘处、将卡盘二42固定连接在所述筒体二32的口缘处；所述卡盘一41与卡盘二42之间的导向销杆43使得所述筒体一31和筒体二32同轴心；这样，在热处理时即能有效避免管头环焊缝11、筒端与管板焊接环缝23的损伤；

5）、整体消应热处理；将被所述导向连接装置4夹持的坯体置入热处理炉体内，进行消除焊接应力的回火热处理；

6）、筒体二次连接；热处理完毕后，冷却，完成对破缝的焊接。

在所述整体消应热处理工序中还具有承托装置5，所述承托装置包括滚子51、垫块52和垫板53，所述垫板53搁置在所述炉体内的底面上，所述滚子51设在所述垫板52顶面；所述滚子51的上部支撑所述卡盘一41和卡盘二42的底部；所述垫块52设置在所述滚子51与所述筒体一31、筒体二32之间；使得两所述卡盘和筒体一31、筒体二32保持同轴心、且水平。此处需要说明的是在卡盘位置和筒体位置选择上述方案是不一致的，但目的只有一个，就是保证整体话的坯体轴线水平，垫块、垫板的高度本领域技术人员可以根据具体的尺寸进行选择。是否使用垫板、垫块组合，或将筒体位置的垫板、垫块合为一体本领域技术人员可以根据自身需要选择。

所述壳程具有进口和出口，所述破缝30开设在进口和出口之间，偏向所述进口的一端；这点也本案的一种优化措施；以体现在本案图1~3中状况为例，进口位于筒体二32上，破缝30与进口的距离根据需要可以在30~200mm范围内。

本发明的第一种实施方式，如图2所示，破缝30开设的宽度为2-4mm，热处理后，冷却、点焊、拆除导向连接装置4、完成焊接。具体过程为：冷却（至环境温度，如15~30℃），对所述破缝30进行点焊固定；然后拆除所述导向连接装置4，完成对破缝30的焊接，制得所述破缝环焊缝300，此时，由于焊接的尺寸一致、材质一致，很容易确保破缝环焊缝300的焊接质量符合拍片探伤的要求。

这种情况下，尽管筒体一、二材质、壁厚、直径相同，有必要时，也需对所述破缝环焊缝300进行局部消应热处理。

本发明的第二种实施方式，如图3~5所示，在所述破缝30处焊接有内凹式涨缩圈8。圈的两端加工为斜面，形成与构成破缝30的两侧筒体一31口缘、筒体二32口缘分别开设的焊接坡口相适配的涨缩圈焊接坡面80。

所述内凹式涨缩圈8的内表面设有至少两道斜凹槽81，使得所述壳程内的介质在流动时形成旋流，使得管程与壳程内介质的热交换更充分均匀，效率更高。使用一段时间后，需要清理壳程内介质，为了能够最大限度排出壳程内的杂质，至少有一个斜凹槽81位于内凹式涨缩圈8的最底部；这样，结合旋流的作用、加之其接近壳程进口的轴向位置，在涨缩圈和进口侧管板（如管板二32）之间一般不会残存杂质，杂质基本处于涨缩圈朝向壳程出口的一侧，便于杂质排尽。

本发明的技术效果是：在消除应力热处理过程中，能有效消除涨缩变形对产品中管头焊接环缝损伤且有效保证换热器的耐压等级和质量，同时延长了使用寿命的需整体消应热处理管壳式换热器的加工工艺。