換熱器管箱球面隔膜密封關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)

陳孫藝

（茂名重力石化機(jī)械制造有限公司，廣東茂名525024）

換熱器管箱球面隔膜密封關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)

陳孫藝

（茂名重力石化機(jī)械制造有限公司，廣東茂名525024）

根據(jù)換熱器管箱球面隔膜密封的技術(shù)原理，介紹了各關(guān)鍵零部件或其局部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其技術(shù)背景，包括球面隔膜、管箱端部、緊固件和管箱端蓋，以及隔膜的組焊等，相應(yīng)還提出了主要的制造技術(shù)及質(zhì)量要求，指出了應(yīng)注意避免的問(wèn)題。

球面隔膜；換熱器；制造技術(shù)

類似高溫、高壓、高腐蝕性和臨氫、易燃、易爆高危介質(zhì)且大直徑、大流量、變動(dòng)工況的高參數(shù)換熱器在裝置中的應(yīng)用越來(lái)越多。圖1所示換熱器管箱的球形面隔膜密封是圖2示意的一種新的密封結(jié)構(gòu)，據(jù)中國(guó)石化報(bào)報(bào)道，隔膜密封結(jié)構(gòu)屬公知技術(shù)，但在設(shè)計(jì)、制造等環(huán)節(jié)形成技術(shù)秘密，其關(guān)鍵在于管箱端部和端蓋之間的隔膜密封的設(shè)計(jì)與制造。由于對(duì)膜密封結(jié)構(gòu)功能認(rèn)識(shí)不夠，結(jié)合強(qiáng)度設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)初步分析表明，目前隔膜密封的技術(shù)路線仍然是從管箱主體到密封元件的單向度獨(dú)立設(shè)計(jì)，或者說(shuō)先進(jìn)行傳統(tǒng)的管箱設(shè)計(jì)，再進(jìn)行局部的隔膜密封設(shè)計(jì)，隔膜對(duì)管箱殼體沒有反過(guò)來(lái)的修正要求。文獻(xiàn)［1］介紹了換熱器管箱球膜密封的功能原理和強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)［2］介紹了隔膜式熱交換器結(jié)構(gòu)及制造要點(diǎn)，本文結(jié)合文獻(xiàn)［1］案例參數(shù)表1進(jìn)一步對(duì)其密封結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量要求進(jìn)行討論。

圖1　敞開式管箱

圖2　密封結(jié)構(gòu)

表1　高壓管箱設(shè)計(jì)參數(shù)

1　球面隔膜設(shè)計(jì)

如果管箱在疲勞工況下運(yùn)行，則隔膜的結(jié)構(gòu)質(zhì)量重點(diǎn)是防疲勞開裂。如果管箱的運(yùn)行工況不會(huì)引起疲勞，則只需要求平穩(wěn)的開停車操作。

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［3］關(guān)于球面隔膜球面半徑計(jì)算結(jié)果的小數(shù)相對(duì)巨大的整數(shù)而言工程意義不大，只不過(guò)是保證球膜厚度和球膜拱高度均在整數(shù)的前提下，所得計(jì)算值。

（1）膜拱總高。在比較球面膜彈性補(bǔ)償量與管箱端口徑向位移時(shí)，基本滿足變形協(xié)調(diào)即可，補(bǔ)償量多也無(wú)用。另外，不銹鋼材料熱膨脹系數(shù)較大、塑性好、韌性高，所以球面膜可以緊密彌補(bǔ)上管箱端口徑向位移。并且，在管箱直徑已確定的前提下，補(bǔ)償量的增加需通過(guò)縮小其球面半徑來(lái)實(shí)現(xiàn)，不但占用更多的管箱空間，而且需要增加球面膜的總高度，制造困難。根據(jù)圖3，膜拱總高等于膜拱高h(yuǎn)與膜厚δ之和，即3.46+6=9.46mm，圓整為10 mm.

如果設(shè)Rs=10 000mm，則α=1.72°，得膜拱高h(yuǎn)≈4.50 mm，膜拱總高可圓整為12mm.如圖3所示。

圖3　球膜盤示意圖

（2）隔膜邊環(huán)高。球面隔膜邊環(huán)高度與管箱端口裝配的凹面止口深度有關(guān)，止口深一般是6 mm，邊環(huán)與管箱端口的密封焊腳高取k＝6 mm是合適的施焊操作，既可滿足密封焊要求、也不會(huì)給日后的檢修拆卸帶來(lái)很大的困難，再考慮邊環(huán)高度留有2 mm的余量，則邊環(huán)高H一般為14 mm.由此，隔膜墊總高取膜拱總高與邊環(huán)高的較大值，即14 mm.如果邊環(huán)太高，需按內(nèi)壓圓筒核算其厚度。

（3）邊環(huán)直徑及邊環(huán)寬。邊環(huán)外直徑較箱端部裝配凹面止口直徑約小2 mm，內(nèi)直徑較箱端部?jī)?nèi)直徑約大2 mm，邊環(huán)外半徑與內(nèi)半徑之差即是其寬度，金屬平墊密封是第一道密封，起基礎(chǔ)作用。其基本密封寬度按GB150-1998標(biāo)準(zhǔn)的表9-1選取。

隔膜墊邊環(huán)高度只需要滿足密封焊的結(jié)構(gòu)要求，圖4所示較厚的邊環(huán)寬度可增大圖2中密封焊施焊時(shí)的操作空間，但是會(huì)削弱來(lái)自螺栓的墊片壓緊力。

圖4　隔膜成品

（4）減薄區(qū)。圓平板隔膜墊的邊緣和中心部分稍厚，兩者之間的環(huán)形區(qū)域較薄，只有大約5 mm［4］.減薄區(qū)的功能或許是誘導(dǎo)整體彈性變形。文［5］有限元模擬分析表明，圓平板隔膜的應(yīng)力強(qiáng)度很低，而這里球面膜的大變行力學(xué)行為有明顯區(qū)別，失穩(wěn)可能性與其失穩(wěn)的形態(tài)是關(guān)聯(lián)而又有區(qū)別的兩個(gè)概念，為避免局部失穩(wěn)，可在球膜的凸面設(shè)置減薄區(qū)，更利于變形行為，且宜在球面成形前加工。對(duì)于球面半徑很大、拱高很淺的球面膜可不設(shè)減薄區(qū)。

（5）隔膜整體性。即便是非疲勞工況，隔膜也是整體加工成形，膜拱與邊環(huán)之間一般不焊接連接，也不宜存在貫穿膜厚的環(huán)焊縫或拼板對(duì)接焊縫。

從設(shè)計(jì)受力分析說(shuō)，文［6］通過(guò)有限元分析模擬了圖5所示薄平板的圓盤形平板封頭的內(nèi)壓爆破試驗(yàn)，該封頭中φ254/φ125.4×25.4mm的邊環(huán)內(nèi)側(cè)通過(guò)圓弧R3.175 mm過(guò)渡連接中間的φ146.05×3.175 mm圓平板隔膜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于304材料，圓盤中心鼓起近似球形，最終破裂。而對(duì)于A553-B材料，圓盤中心變形相對(duì)不大時(shí)，就已經(jīng)在邊緣內(nèi)圓角區(qū)域開裂而失效。對(duì)于設(shè)計(jì)溫度高、溫差應(yīng)力較大的場(chǎng)合，文［7］建議選擇不銹鋼或鎳基合金作為隔膜板材料，文［5］選擇耐腐蝕合金作為隔膜板材料。從制造工藝說(shuō)，這些材料的焊接工藝有明顯區(qū)別。由此可見，隔膜的質(zhì)量技術(shù)要求按所選材料不同而有所區(qū)別。

對(duì)于平面膜墊，如果不嫌平面膜墊太重，可以不設(shè)減薄區(qū)，更沒有必要強(qiáng)調(diào)其整體性。

1.2質(zhì)量技術(shù)要求

（1）隔膜墊選取不銹鋼材料可不考慮腐蝕余量，減薄厚度提高柔性。在GB150.1-2011附錄B中，爆破片材料奧氏體不銹鋼的最高適用溫度為400℃，鎳鉻合金（因康鎳）和鎳鉬鉻合金（哈氏鎳）和的最高適用溫度則達(dá)480℃，如果為了高溫下的耐腐蝕選用奧氏體不銹鋼材料，應(yīng)確認(rèn)其服役工況不屬于敏化溫度范圍。不銹鋼材料涉及到與高等級(jí)管箱常用的鉻鉬鋼類材料的異種鋼焊接技術(shù)及其質(zhì)量檢驗(yàn)，這是其工藝關(guān)鍵之一，必要時(shí)應(yīng)在管箱端口設(shè)置過(guò)渡層材料，如圖1所示。

（2）隔膜墊的制造技術(shù)路線分整體機(jī)加工成形、先沖壓成形后機(jī)加工和先機(jī)加工后沖壓成形等三種。均需輔助工裝支承以免加工過(guò)程中球膜的彈性變形造成幾何尺寸超差，夾持隔膜的著力點(diǎn)數(shù)量要足夠，點(diǎn)與點(diǎn)之間的夾持力要均衡。

應(yīng)優(yōu)先采用數(shù)控技術(shù)精加工隔膜，加工過(guò)程應(yīng)注意小量進(jìn)刀，注入充分的冷卻液以避免熱變形，及時(shí)檢測(cè)，見圖6.根據(jù)操作工況是否穩(wěn)定，判斷隔膜在機(jī)加工后是否需要進(jìn)行雙面拋光，提高抗疲勞性能。

圖6　隔膜機(jī)加工

（3）隔膜墊是否需要固熔熱處理要根據(jù)材料和加工成形過(guò)程而定。

（4）隔膜的密封功能也體現(xiàn)在其薄壁的致密性上，在組裝之前應(yīng)經(jīng)雙面PT檢查或其他滲透試驗(yàn)。

（5）邊環(huán)作為第一道密封的作用是基礎(chǔ)性的，其產(chǎn)品質(zhì)量要求基本與傳統(tǒng)的金屬平墊同，但是不與介質(zhì)接觸、即與端蓋貼合的一側(cè)其質(zhì)量要求應(yīng)與另一側(cè)不同。為使邊環(huán)取得足夠的摩擦力以免密封焊縫受到徑向收縮拉力作用，與端蓋貼合的一側(cè)其功能主要是壓緊面，而不要理解為密封面，為取得足夠的摩擦力以免密封焊縫受力，該壓緊面要粗糙而不要光滑，具體可參考GB150.1-2011表7-1的壓緊面形狀來(lái)選取。

2　管箱端部設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）端部結(jié)構(gòu)6種形式。鍛制縮口、圓平板加人孔、正向法蘭、反向法蘭、厚壁小徑圓筒倘開，殼體收口等，具體選擇應(yīng)考慮到人員進(jìn)出管箱施工的便利性。

（2）止口臺(tái)階。球面隔膜邊環(huán)材料是金屬且與管箱端口相焊，圖2中的止口高度Z沒必要取凹凸法蘭的止口高度，這里可取矮一些，以便在同樣的邊環(huán)厚度下增大管箱端面與端蓋之間的空間。球膜墊應(yīng)與管箱端部的臺(tái)階止口靜配合安裝，目的之一是減少密封焊封與墊片之間圍閉的空間，提高焊縫質(zhì)量，減少焊封徑向受力，也便于拆卸。

（3）主螺柱孔直徑和深度。主螺柱及配對(duì)螺孔的有效螺紋深度與螺紋直徑有關(guān)，宜設(shè)計(jì)成相對(duì)小直徑的細(xì)牙螺紋。主螺柱數(shù)目應(yīng)取4的倍數(shù)。螺柱孔中心距與螺柱孔徑之比不應(yīng)大于5［8］，但是應(yīng)有足夠的扳手空間，如果設(shè)計(jì)要求使用液壓拉伸器上緊緊固件，設(shè)計(jì)者應(yīng)對(duì)拉伸器的外形尺寸有所了解。文［7］、［9］均認(rèn)為隔膜密封焊結(jié)構(gòu)的密封比壓為零，可以不考慮預(yù)緊工況而使主螺柱的直徑或數(shù)量減少。這對(duì)于設(shè)備制造組裝中的密封焊接操作或者設(shè)備檢修過(guò)程端蓋的拆裝都是有利的。作為重要的密封結(jié)構(gòu)，為了保證每一個(gè)主螺柱孔的螺紋質(zhì)量，加工中應(yīng)控制螺紋基孔最大深度，保證有效螺紋長(zhǎng)度和有效嚙合長(zhǎng)度［10］。

（4）密封面。端部密封面?zhèn)认蚱室暯Y(jié)構(gòu)見圖1，實(shí)物局部見圖7.在密封面堆焊的不銹鋼過(guò)渡層和非堆焊面之間可設(shè)如圖7所示的隔離槽。如堆焊層選用鎳基金屬，則與的線膨脹系數(shù)較為接近，可減少熱應(yīng)力。

圖7　管箱端部

（5）對(duì)于反向法蘭式端部人孔，其內(nèi)側(cè)面里端拐角處應(yīng)圓滑過(guò)渡。

2.2質(zhì)量技術(shù)要求

（1）根據(jù)螺柱孔的直徑大小、深度和精度要求，加工螺柱孔螺紋的5條不同工藝路線如圖8中帶圓圈的序號(hào)標(biāo)記所示，實(shí)踐表明路線①已可以滿足一般的質(zhì)量要求，路線⑤可以滿足盲底深孔螺紋的加工質(zhì)量要求［11］。在鉆好基礎(chǔ)孔后，可對(duì)孔壁表面專門處理改善其硬度等性能以提高螺紋強(qiáng)度。應(yīng)優(yōu)先采用數(shù)控專用機(jī)床加工螺紋，如果是手工攻螺紋，應(yīng)根據(jù)材料性能及基孔尺寸專門設(shè)計(jì)絲攻數(shù)量及其加工量，絲攻應(yīng)檢測(cè)后才能使用，并且經(jīng)過(guò)首個(gè)螺紋孔加工檢測(cè)合格后才繼續(xù)加工第二個(gè)及其他螺紋孔。螺紋加工后，可通過(guò)對(duì)比試樣檢測(cè)螺栓孔內(nèi)的光潔度。螺紋檢測(cè)合格后如管箱還需整體熱處理，應(yīng)對(duì)螺紋專門保護(hù)。

圖8　螺柱孔加工流程

3　密封緊固件設(shè)計(jì)

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）主螺柱。螺柱數(shù)量與螺柱直徑有關(guān)，但螺柱直徑不僅僅與內(nèi)壓大小有關(guān)。由于主螺柱一端擰進(jìn)管箱端部，另一端露于空氣，以及隔膜對(duì)端蓋的隔熱作用，致使螺柱兩端的配合零部件之間存在溫差載荷，該附加載荷與溫差或螺柱截面積均成正比，這也是設(shè)計(jì)小直徑螺紋的理由之一。再考慮到高壓高溫工況的波動(dòng)性，因此應(yīng)適當(dāng)考慮安全系數(shù)，并要求螺柱進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)，高溫工況下采用圓根細(xì)牙螺紋，對(duì)中間段芯桿直徑、長(zhǎng)度和全長(zhǎng)直度進(jìn)行控制，按標(biāo)準(zhǔn)指定螺柱型式。

對(duì)于圖1的敞開式管箱端部，熱量更多從側(cè)面?zhèn)鬟f給螺柱，對(duì)于圖9的反向法蘭或緊縮口式管箱端部，熱量更多從端面?zhèn)鬟f給螺柱，螺柱孔直徑和深度對(duì)管箱端部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及附加溫差載荷都有不良影響，應(yīng)加以控制。

圖9　反向法蘭管箱

對(duì)于大直徑主螺柱（M45及以上規(guī)格）應(yīng)在外端設(shè)置加油孔，且其擰進(jìn)螺柱孔里面的端部應(yīng)設(shè)置一段與螺柱孔底部緊貼配合的光桿，以便在預(yù)緊時(shí)取得螺柱孔底部的反作用力，從而擴(kuò)大有效螺紋深度并降低螺紋受力的不均勻性。

預(yù)留有足夠長(zhǎng)度以便使用螺柱拉伸器上緊螺母，預(yù)留長(zhǎng)度設(shè)置保護(hù)帽。

（2）主螺母。高度及外接圓直徑?jīng)Q定于主螺柱公稱直徑。

3.2質(zhì)量技術(shù)要求

（1）螺柱應(yīng)在材料熱處理后抽取一件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，每根進(jìn)行硬度檢測(cè)，以保證它們與螺母之間的硬度差不小于30 HB.

（2）螺柱熱處理后才加工螺紋，不推薦車加工螺紋，應(yīng)一次滾壓且通絲成形以獲取均勻的壓應(yīng)力、較高的精度和光潔度，牙底是圓根光滑的，包括螺紋在內(nèi)的表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)。成品表面應(yīng)經(jīng)磷化處理。

（3）高強(qiáng)螺柱螺母副出廠前，建議增做承載試驗(yàn)，按設(shè)定的力矩上緊，模擬實(shí)際安裝和受力過(guò)程進(jìn)行以強(qiáng)度為主的綜合性檢驗(yàn)。

（4）管箱端部與球膜墊裝配的臺(tái)階止口直徑宜根據(jù)球膜墊的外圓實(shí)際尺寸配尺加工，且應(yīng)在管箱整體熱處理后機(jī)加工。

4　管箱端蓋設(shè)計(jì)

4.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先，端蓋按GB 150.3-2011進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

為取得較大間隔的軸向空間以便于密封焊，端蓋周邊是錐形斜角結(jié)構(gòu)，外圓與端蓋中間不等厚，見圖1.文獻(xiàn)［9］認(rèn)為，15°的斜角設(shè)計(jì)是不會(huì)削弱平蓋強(qiáng)度的。此時(shí)，密封已有焊縫保證，隔膜墊邊環(huán)所受到的預(yù)緊力的周向均勻性對(duì)密封的影響力已下降，可以把主螺柱設(shè)計(jì)成直徑大而數(shù)量少的方案，以取得較大間隔的周向空間才最終取得便于密封焊的操作環(huán)境，也減少裝配和拆卸的工作量?？紤]到前文需要把主螺柱設(shè)計(jì)成直徑小的方案，主螺柱直徑及其數(shù)量就存在一個(gè)合適的范圍。最后，管箱上適宜設(shè)置端蓋的鉸鏈吊桿，以便保證組裝質(zhì)量。

4.2質(zhì)量技術(shù)要求

由于高壓下端蓋撓度的存在，技術(shù)對(duì)策一是選取高強(qiáng)度的材料，二是以足夠的厚度使撓度趨于零，或以預(yù)變形抵消撓度的影響。前者成本略高，后者設(shè)計(jì)需精確。

為使隔膜墊取得足夠的摩擦力以免密封焊縫受到徑向收縮拉力作用，端蓋上壓緊隔膜墊的臺(tái)階功能是壓緊面，不是密封面，該壓緊面沒必要過(guò)高的粗糙度要求。

5　組焊設(shè)計(jì)

5.1隔膜密封焊設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［12］對(duì)球面隔膜密封焊縫具體案例的受力分析表明，外載施加給焊縫很大的應(yīng)力，球膜與管箱端部的密封焊縫無(wú)法承受高溫高壓對(duì)密封面處徑向位移變形的協(xié)調(diào)要求，密封主要由密封焊縫來(lái)保證，但是密封焊縫自身的安全一方面主要依靠球面隔膜的彈性補(bǔ)償來(lái)保證，除了球膜墊應(yīng)與管箱端部的臺(tái)階止口在徑向采取靜配合公差外，同時(shí)還需要管箱端部和端蓋起輔助作用。因此文獻(xiàn)［13］在對(duì)球面隔膜或圓平板隔膜受力狀態(tài)進(jìn)行定性分析的基礎(chǔ)上，提出了保證隔膜組焊質(zhì)量的關(guān)鍵工藝，其中的密封焊接技術(shù)包括施焊前提、焊接方向等。

文獻(xiàn)［14，15］模擬分析了加氫換熱器圓平板隔膜密封焊縫手電焊的殘余應(yīng)力，難以保證密封質(zhì)量，利用有限元軟件ABAQUS，開發(fā)了一組使焊接殘余應(yīng)力最小的最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。結(jié)果表明，焊接速度對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響最大，該角焊縫焊接殘余應(yīng)力的最高值集中在焊縫和熱影響區(qū)附近。因此，密縫焊縫施焊中要注意的是按文［13］的要求采用低參數(shù)的氬弧焊，控制焊縫高度，保持整圈焊縫外形尺寸的均勻性，特別是要避免出現(xiàn)圖10所示焊焊接的兩個(gè)質(zhì)量問(wèn)題：一是焊縫大部分分布在管箱端部密封面上，二是焊接參數(shù)過(guò)大造成隔膜邊環(huán)外緣過(guò)熱燒損或變形，兩者的成因都與該密封焊縫下部一段的仰焊操作有關(guān)，這些問(wèn)題是在垂直的密封面上進(jìn)行360°的全位置焊所造成的。當(dāng)換熱器臥置在滾輪架上，利用滾輪架轉(zhuǎn)動(dòng)換熱器，則可持續(xù)實(shí)現(xiàn)在管箱端面的頂部對(duì)密封焊縫進(jìn)行平焊，焊縫成形質(zhì)量較好，但是管束在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)對(duì)管頭造成一定的損傷。因此，最好是運(yùn)用專用裝備進(jìn)行焊接。

圖10　仰焊的隔膜密封

5.2隔板組焊設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［16］報(bào)道了表1案例的失效歷程，在重新設(shè)計(jì)制造該帶管束管箱時(shí)，增加了隔板厚度，并在隔板兩側(cè)組焊加強(qiáng)筋，在隔板上增設(shè)平衡孔，隔板之間以及隔板與管箱之間采用全焊透結(jié)構(gòu)，改善了隔板抵抗動(dòng)態(tài)工況下的疲勞作用，實(shí)現(xiàn)了換熱器的安全運(yùn)行。

6　結(jié)束語(yǔ)

（1）提出了球面隔膜密封系統(tǒng)主要零部件及其局部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，提出有關(guān)零部件的主要制造技術(shù)及質(zhì)量要求。

（2）球面膜密封的技術(shù)路線仍然是從管箱主體到密封元件的單向度獨(dú)立設(shè)計(jì)，這是不夠的，隔膜密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以從制造質(zhì)量技術(shù)的角度對(duì)管箱殼體有反過(guò)來(lái)的修正要求。

（3）球面隔膜墊屬新技術(shù)產(chǎn)品，由此帶來(lái)對(duì)管箱整體功能的影響值得注意，零部件加工中不宜隨便改變?cè)O(shè)計(jì)尺寸，否則會(huì)影響密封元件的協(xié)調(diào)性。

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Fabrication Technology of Key Structure about SphericalDiaphragm Sealing on Tube Channel in Heat Exchanger

CHEN Sun-yi
（The Challenge Petrochemical Machinery Corporation of Maoming，Maoming Guangdong 525024，China）

This paper introduces the design and technology background of all key parts or their local structure according to the technology principle of spherical diaphragm sealing of channel of heat exchanger，which includes the spherical diaphragm，the ends of channel，fasteners，channel cover and fit-up welding of diaphragm.It also put forwards its key fabrication technology and quality requirementaswellas some attention questions to be prevented.

spherical diaphragm；heat exchanger；fabrication technology

TQ05

A

1672-545X（2016）05-0044-06

2016-02-03

陳孫藝（1986-），男，廣東化州人，工學(xué)博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事承壓設(shè)備及管件的設(shè)計(jì)開發(fā)、制造工藝、失效分析及技術(shù)管理。