换热设备典型焊接结构设计分析

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1、换热设备典型焊接结构设计分析二OO五年十一月四日主要内容：换热设备焊接结构的重要性换热设备焊接结构设计要求及原则压力容器焊缝形式及分类换热设备典型焊接结构结束语1、换热设备焊接结构的重要性换热设备的一大特点是压力容器数量多，操作条件复杂，具有爆炸危险，而且一旦爆炸，危害极大。事实证明，换热设备的断裂和爆炸事故，大多源于其上的焊接接头。因此，良好的焊接结构设计与制造，是确保换热设备安全、可靠运行的关键。换热设备的焊接结构是由：筒体、封头、接管、法兰、管板及换热管等基本构件通过焊接接头（或胀接）连接成的整体。该整体构成换热设备的重要组成部

2、分。因此，掌握好这些基本构件和焊接接头的设计，对进行换热设备的整体设计至关重要。合理的设计可以减轻设备重量，节约金属，提高经济效益。例如：薄管板与常规厚管板设计比较。2.换热设备焊接结构设计要求及原则2.1总的设计要求总的设计要求：结构的整体和各部分在使用过程中不应产生失效（弹性失效、塑性失效及断裂等），并达到所要求的使用性能。结构所要求的使用性能决定于以下因素：载荷的大小和种类、使用温度、使用环境以及由这些条件相应确定的设计原则。设计过程中，依据操作载荷的大小和种类，准确分析结构各部分在操作条件下的应力，确定合理、经济的结构方案，以

3、满足结构的各项设计要求。焊接结构的好坏，决定于结构的焊接接头实际性能能否较好地达到所要求的性能要求。焊接结构的设计与材料及加工方法有关。为提高焊接结构的可靠性，重要的是从设计、材料、加工等各方面综合考虑，使焊接接头满足要求。2.2焊接接头的设计原则焊接接头的设计应遵循以下原则：1)合理选择接头型式。2)焊缝填充金属应尽量少。3)合理选择坡口角度、钝边高和根部间隙等结构尺寸，使之有利于坡口加工和焊透，以最大限度地减少焊接缺陷。4)按等强度要求，接头的强度应不低于母材标准规定的强度下限值。5)焊缝外形应尽量连续、圆滑过渡，以减少应力集中。

4、3.压力容器焊缝形式及分类3.1压力容器焊接接头形式换热设备的结构型式是多种多样的，换热器壳体符合压力容器要求的制造要求最高，其基本主体的构成多为圆柱形、圆锥形、球形的壳体，这些壳体与封头、接管、法兰、支座、密封元件的组合，构成一种典型的焊接结构。压力容器中，焊接接头主要形式有：对接、角接、搭接接头。1）对接容器的主体、筒体与封头等重要部位的连接均采用对接接头，因对接接头受力比较均匀，强度可达到与母材相等。2）角接管接头与壳体的连接多用角接头。3）搭接搭接接头主要用于非受压部件与受压壳体的连接。鞍座，裙座，补强圈等。3.2压力容器焊缝

5、分类按GB150-1998《钢制压力容器》，对于温度t≥20℃的钢制单层、多层包扎、热套压力容器的焊缝，按其所在的位置，分为A、B、C、D四类。如图3-1所示。举例1；举例2.A类焊缝：筒节的拼接纵缝、封头瓣片拼接缝、筒节与半球封头的环缝，嵌入式接管与圆筒、封头的对接缝等。B类焊缝：筒节的环缝，锥形封头小端与接管连接的焊缝等。C类焊缝：法兰、平封头、管板等与壳体、接管连接的焊缝等。D类焊缝：接管、人孔、凸缘等与壳体连接的焊缝。图3-1压力容器焊缝分类3.3对不同类别焊缝的要求GB150-1998《钢制压力容器》对分类不同的焊缝有不同的

6、规定要求：1)探伤方法和合格等级A、B类焊缝的射线探伤按JB4730《压力容器无损检测》进行，检查结果对100％探伤的，II级的为合格；局部探伤的III级为合格。A、B类焊缝超声波探伤按JB4730《压力容器无损检测》进行，检查结果对100％探伤的，I级为合格；局部探伤的，Ⅱ级为合格。公称直径小于250mm，且壁厚小于等于28mm时仅做表面无损检测（磁粉或着色），其合格级别为JB4730规定的I级。注：进行100％无损检测或局部无损检测由标准：GB150、GB151等规定。2)对口错边量b和棱角度E对口错边量b直接导致结构不连续影响容

7、器的应力分布均匀性。而错边量b对应力分布的影响，主要取决于b与板厚δ之比b/δ，考虑工艺实现的可能性，我国标准参照ASMEⅧ-1，按δ的不同，确定b的允许值，且A类焊缝严于B类焊缝。详见图3-2和表3-1。图3-2图3-3复合钢板的对口错边量b不大于复层板厚度的50%，且不大于2mm。见图3-3。3)焊缝余高h（要过程不要结果）优势：压力容器的焊缝多为多层焊（电渣焊除外），下一层焊缝对上一层起保温、缓冷的作用，可使焊接残余应力下降，改善组织性能，而余高h对最后一层焊缝有上述作用，所以h是工艺需要的。劣势：余高h本身相当于局部形状突变，

8、会产生应力集中，可能成为发生疲劳断裂，脆断的根源。根据余高h对疲劳强度影响的试验表明，裂纹均从余高边缘产生，内壁焊缝余高打磨加工的比保留余高的疲劳强度高2.1~2.5倍。目前，国外的标准除了日本《压力容器构造规范》外，多