汽轮机加热器装配焊接.docx
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汽轮机加热器装配焊接
1加热器结构
汽轮机中做过部分功的蒸汽,从一些中间级轴出来导入高、低压加热器,加热给水和主凝结水,使部分抽汽的热颔被充分利用以提高机组的热经济性,使电厂循环的热效率大大提高。
概括加热器在系统中的位置和压力不同分为高压加热器和低压加热器。
加热器是汽轮机辅机部分的关键布套之一,是重要的焊接结构。
加热器主要由水室、壳体、管系和其他附属配件组成。
见图1和图2.
加热器结构中的水室的筒体部分由钢板卷制焊接而成,球形封头部分由由钢板冲压而成,管系由管子和管板组成。
高、低压加热器由于工作压力和工作温度的不同,所用的材料和焊接技术要求有所不同。
加热器属于压力容器(属于换热压力容器类),其设计原则,加工制造以及使用必须遵循压力容器有关规定。
加热器制作过程中的装配、焊接、检验和验收应符合GB/T150《钢制压力容器》、GB151《管壳式换热器》和GB4730《压力容器无损检验规程》相关规定。
2装配技术要求
加热器按现场安装的位置分为立式和卧式,但生产中装配和焊接均采用卧式(或称平装),因为卧式适合用于断面不大但长度较大的细长结构。
同时,采用分部件组装法,分别为壳体、管系和水室的装配焊接并经检验合格后,在总装成加热器整体结构。
装配质量和装配顺序直接影响着焊接质量,产品质量和生产率,加热器严格按图样和焊接装配工艺卡进行装配和焊接。
将加热器主要受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类、按各自技术要求进行装配。
装配前复查材料确认标记,检查零件尺寸和表面质量,合格后方可进行装配,明确规定公差尺寸,保证零部件公差和装配成结构的公差符合成品尺寸要求。
为保证产品质量和外形尺寸,防止焊接变形,装配中必须控制对口错变量,控制装配件的相互位置偏差。
错边量对各类焊缝的具体要求为,壳体焊缝(δ=16mm);A类焊缝≤3mm;B类焊缝≤4mm;水室焊缝及水室与管板焊缝:
A类焊缝≤3mm,B类焊缝不大于对口处刚从厚度的1/8且≤5mm,对于法兰的装配,应保证法兰垂直于接管和圆筒的主轴中心线,其偏差不大于3mm。
另外,管筒(管节)组装后直线度≤8mm,同一筒节椭圆度≤8mm,同一管节椭圆度≤7mm。
焊缝的位置,为了避免相邻焊接接头的残余应力的叠加和热影响区的重叠,相邻筒节A类接头焊缝中心线间外圆弧长以及封头A类接头焊缝中心线与相邻筒节A类接头焊缝中心线间外圆弧长应大于钢材厚度的倍,且不大于100mm。
预留间隙,对于焊接坡口的预留间隙通过装配给予保证,必须根据接头坡口准备实际情况和焊接工艺,在工艺规程中规定装配间隙的具体要求。
为防止焊接裂纹和减小内应力,装配时要尽量避免强力装配,并保证间隙均匀。
定位焊,装配定位焊是正式焊缝的组成部分,定位焊的位置和尺寸应以不影响焊接接头和结构质量及工作能力为原则,因此,点固焊缝的位置,长度和数量要根据具体情况决定,所用焊材与正式焊接相同并按正式焊缝的工艺条件施焊,焊接电流比正式焊接时高10—15%,点固焊缝和发现焊接缺陷应铲除修磨干净并移位重焊。
加热器的壳体由封头,筒体、壳体前部、隔板、接管及支座组成。
其中筒体采用多段筒节由环缝连接而成,对于各个筒节的纵缝和环缝的装配间隙必须根据焊接工艺要求确定,同时,筒节纵缝按工艺简图装配焊接试板和引狐板。
壳体的装配焊接顺序为壳体前部与各节筒节及封头装配焊接,装配焊接导轨等壳体内部部件、装配焊接壳体外部部件。
加热器的管系主要由换热器、抽气管、隔板、折流板、端管板及管板组等零件组成。
首先将相关零件组成若干部件。
将管板的壳体前部装配、装配疏水冷却管、装配各分隔板、传入工艺铜管,找正各分隔板的管孔与管板的管孔同心,并保证各分隔板与管板平行,以管板为基础效验各隔板的管孔位置的正确性以保证各分隔板与管板平行,以管板为基础效验各隔板的管孔位置的正确性以保证穿管的顺利。
然后将管系中各分部件与管系骨架装配在一起找正后紧固,进行总装穿管、胀管、割管端等工序。
3焊接技术要求
作好焊前准备,焊接材料符合技术和使用要求,焊接坡口符合图样要求并进行清理,焊接按经过焊接工艺评定而制定的工艺规程或焊接装配工艺卡进行。
产品试板与产品使用同一个规范由同一焊工施焊。
A、B类接头均应采用双面全焊透对接接头形式,当只能从单面焊接时,也必须保证能形成相当于双面焊的全焊透对接接头,保证根部焊道双面成形并与坡口两侧完全熔合。
为此,可以采用氩弧焊封底或单面焊双面成形,或者在焊缝背面加临时衬垫,使焊缝根部焊道与坡口两侧完全熔合,焊后去掉衬垫。
焊接可使用焊条电弧焊和埋弧焊,先焊内侧焊缝,然后在外层清根并修磨、检查无缺陷后再焊外侧焊缝,直至焊满。
壳体上的法兰与筒身或接管之间的C类焊缝,法兰厚度一般比筒体或接管厚度大得多,因此没必要采用全焊透接头形式。
对于低压加热器可采用不开坡口的角焊缝接头或局部开坡口的接头型式,但对受力情况较复杂的焊缝应采用全焊透的T形接头型式。
D类焊缝主要用于接管、法兰、补强圈等与筒身的连接。
D类焊缝的受力条件比A、B类复杂的多。
因此在设计这类接头时应全面分析和对比,选择最合理最可靠的接头形式。
壳体上的开孔,不但会造成壳体强度削弱,而且会在开孔的边缘引起应力集中。
开孔直径愈大,这种不利影响就愈严重。
尽管低压加热器的使用压力较低,为安全起见,应设计成全焊透结构,对于直径较大的接管,还应设计补强圈。
加热器管板多选用低合金钢锻件,为了简化焊接工艺和改善性能应在与管子相焊接管板表面对焊,堆焊材料根据管子材料种类确定,堆焊厚度一般在5—10mm。
加热器制造技术条件对管子—管板接头的质量要求较高,质量检验中水压试验,一般是在1.5倍工作压力下无渗漏,因此采用手工氩弧焊和焊条电弧焊很难保证接头长期运行要求,可靠的方法是应用全自动控制的管子—管板接头自动氩弧焊。
低压加热器是在总装、穿管、胀接、铣平管子端面后进行氩弧焊。
高压加热器是管子与管板用爆炸胀接后,在管子的胀口处在管板上加工出坡口,用氩弧焊封底,再用手工焊接加以密封。
加热器的装配—焊接必须按相关规程进行,按技术要求分部件进行装配,装配必须考虑到焊接变形和保证焊前的各种尺寸规定要求,同时,焊接时也必须合理安排焊接顺序和采取防止焊后变形的措施,按规定的工艺规程进行焊接,既保证焊接质量又要保证焊后的结构形状和尺寸符合图样要求。
4管子和管板的连接
汽轮机配套的辅机有大量热交换器,包括加热器、凝汽器、冷油器、抽汽器等装置,这种管壳式热交换器采用直管、U型管,Π型管或蛇形管管束,而管子材料则根据机组工作要求选用碳钢、不锈钢、铜合金或钛材。
为了保证热交换器的效率,可靠,传热表面应绝对密封,通常用将管子胀接到管板上的方法来保证。
运行经验证实,管子和管板之间的连接质量是保证装置持久耐用和可靠性的关键。
主要事故的原因就是管子与管板连接接头密封性的丧失,也就是管子的渗漏。
这是由于运行过程中受腐蚀,热应力和机械力的同时作用而引起的连接接头质量的逐渐恶化,产生渗漏,从而导致功率降低。
所以说管系不但结构复杂,工作量大,而且质量要求高,是热交换结构中的关键组成部分,其中管子与管板接头的焊接是加热器生产的技术关键。
4.1管子与管板的接头形式:
对于管—板接头按其工况条件,不但具有承受内压和热应力的结合强度,而且具有密封性和耐蚀性。
常用的接头形式有管子外伸角接、管子内缩角接、管子与管板平齐端接和无间隙式接头。
其中无间隙式又分为内孔对接和内孔角接,见图3。
a)外伸角接b)平齐端接c)内缩角接d)无间隙式对接
图3管子与管板接头形式
4.2管子和管板接头的连接方法;
最常用的连接方法有焊接、机械滚子胀接、液压胀接和爆炸胀接,见图4。
焊接滚子胀接爆炸胀接液压胀接
图4
如管子材料为铜和铜合金,基本上使用机械轮子胀接;而对于碳钢,低合金钢,不锈钢和镍基合金管子则采用焊接或者对于要求高质量的管子—管板接头,应采用胀接—焊接的连接方法,以确保接头的密封性和结合强度。
4.3胀接的结构形式
(1)光滑孔胀接管孔不经加工。
(2)翻边胀接管端扳边成喇叭口或者管端翻边后进行管子胀接。
(3)开槽胀接光滑管和管板孔内带有各种圆形沟槽管板胀接,提高了连接的密封性和强度,而且减少管子壁厚的减薄量,降低胀管所需要的力矩。
此种形式在加热器已多有采用。
4.4胀接
胀接是利用管子在管孔中发生径向变形达到紧固和密封的连接方法。
胀接可以采用机械、爆炸和液压等方法扩胀管子直径,使管子产生塑性变形,管板孔壁产生弹性变形,利用管板孔的回弹对管子施加径向压力,使管子和管板的连接接头具有足够的胀接强度(拉脱力),保证工作受力后管子不会与管孔脱开松动,同时还具有较好的密封性(耐压力),在工作压力下保证设备内的介质不会从接头上泄漏出来。
胀接是管子和管板主要连接型式,这种连接形式在强度方面是安全可靠的,在气密性方面是可以保证的。
胀接是汽轮机辅机设备中管子和管板主要连接型式。
因此广泛用于汽轮机凝汽器、加热器、汽封抽汽器等部件上。
一般多采用机械轮子胀接。
随着大容量高参数设备的制造,对于管子与管板的连接技术和质量要求更高和更严格,必须采用新的胀接方法,提高产品质量以保证设计技术条件。
4.4.1液压胀接
液压胀接是目前采用的一种先进的胀接方法,子在汽轮机、锅炉、化工……等行业已推广应用并取得好的效果。
液压胀接是直接用工艺介质的胀紧压力来控制胀紧率,精度高,可靠性好。
液压胀管依靠液压控制一种新型式的液压胀管器—胀头,进行胀接工作。
在胀管前液体经油路送入胀头,经增压器转换成需要的压力进行胀接,其显示出胀管区管子与管孔的结合均匀、质量稳定;胀接长度基本上不受限制、一次可以同时胀接多根管子;不会损伤管子、管板变形小等优点。
4.4.2爆炸胀接
爆炸胀接是继爆炸焊接、爆炸成型采用同一原理用于胀接的一种新工艺,它不如机械、液压胀管使用那么广泛。
爆炸胀接的原理是用一个条形高能炸药塞入待胀的管内,在引爆雷管激发下瞬间内爆炸,产生高压高温冲击波,使管子在极短的时间内膨胀,产生塑性变形,而管孔仍处于弹性变形,从而使管子与管板紧密地胀接在一起。
爆炸胀接操作技术简单、成本低、劳动强度低、效率高;对管子直径大小,胀接长度,胀接位置不受限制;质量稳定,管子轴向伸长少,管板变形小;适合多种金属的胀接,尤其是双金属管子,更适用于补胀运行中的设备等优点,但此方法使用中的炸药用量计算必须准确,而且安全性要求高,因此爆炸胀接的使用受到一定条件的限制。
4.4.3胀接加密封焊随着工作压力和温度的提高,单靠胀接方法不能满足要求时,采取胀接和焊接的组合方法。
胀接承受强度,焊接保证密封,同时胀接不存在间隙,对焊缝起到保护作用。
4.5胀接的技术要求
4.5胀接的技术要求
4.5.1胀接前的准备胀接质量的好坏以及胀接工作的顺利与否,与胀接前的准备工作有直接关系。
1)选择胀管器和其他工具根据产品技术条件要求,确定胀管方法,并选择相应的胀管器以及其他工具。
在胀接产品前进行试验和工艺评定。
2)检查和清理管孔及管端对管子及管孔进行尺寸测量,检查管端内外表面有无凹陷、较深的划痕、锈斑、裂缝等缺陷。
管端加工、修磨保证尺寸要求。
3)清除管孔和管子胀接处的污物与铁锈,保证胀接和密封焊的质量。
a.管子初胀为了保证产品装配后的尺寸符合要求,先初胀定位。
b.复胀管子经初胀后各处尺寸基本固定,然后进行复胀。
复胀就是将已经初胀的管板接头再进行胀紧,达到规定的胀管率。
若管端需扳边的可采用前进式扳边胀管器进行,这样使胀接和扳边工作同时完成,将管端扩成需要的喇叭形。
c.胀紧程度的控制为了得到良好的胀接接头,胀接时管子的扩胀量必须控制在一定的范围内。
当扩胀量不足(欠胀)时,就不能保证接头的胀接强度和密封性;若扩胀量过量(过胀)管孔的四周充分地胀大而失去弹性,不能对管子产生足够的径向压力,因此密封性和胀接强度反而降低,所以欠胀和过胀都不能保证质量。
管子扩胀程度一般都用胀管率表示。
它有两种表示方法,一是内径增大率H,是管子在管孔中,在空隙已消除的情况下,扩胀的量(纯挤压量)与管孔直径的比值;另一表示方法是管壁减薄率ε,是扩胀量与两倍管子壁厚的比值。
通常,扩管的程度以管子壁厚减薄率表示,约在5%过去人们认为是恰当的。
胀管率的计算公式如下:
内径增大率H,H={[(d1-d2)-(D-d3)]/D}×100%
管壁减薄率ε,ε={[(d1-d2)-(D-d3)]/2t}×100%
式中
d1:
胀接后管子实测内径㎜
d2:
胀接前管子实测内径㎜
D:
胀接前管孔实测直径㎜
d3:
胀接前管子实测外径㎜
t:
胀接前管子的壁厚㎜
在工艺文件中胀接率也按下式计算:
W=[2t-(D-d)]×100%/2t
D:
胀前管板孔径
d:
胀后管内径
t:
胀前管壁厚
经验证明,在胀接时,当胀管率起初增加时,接头的强度和密封性都随着它的增加而增加,但达到一定的极限后,随着胀管率的增加而下降,得到相反的效果,只有一个最佳的胀管率才能够保证所要求的胀接强度和密封性。
胀管率(胀紧程度)不足或过量都不能保证质量。
而适宜的胀管率与管子的材料、直径、壁厚等因素有关。
d.管板接头的胀接顺序管子的胀接顺序是否合理,直接关系到能否保证管板的几何形状,以及所在的位置是否达到公差要求,同时还关系到胀接其中一个接头时,对邻近的胀接接头影响程度的大小。
对于平面管板若胀接顺序不当就会产生变形,同时,生产中为了防止管板变形,采用分区胀接胀接顺序必须在施工工艺中给予规定。
4.6胀接接头的质量和缺陷
胀接质量直接影响着产品是否满足技术要求,产品的安全、可靠运行及使用寿命。
4.6.1影响胀接质量的因素
胀接质量与管子扩胀程度(胀管率大小)、管子与管板材料之间的关系、管子与管孔间隙大小、接触面情况、胀管方法和胀管速度、胀管器使用情况及胀接前清理情况等因素有着直接管系。
正确选择和使用胀接方法,执行正确的工艺,认真注意各个环节的问题才能保证胀接的质量,达到产品技术条件,满足产品使用要求。
1)胀管率
胀管率与管子、管板的材料、直径及在机械胀管中、要求管板硬度比管子硬度高出HB30等因素有关。
经过试验确定了胀管率,才能确保拉脱力和密封性满足技术要求,保证胀接质量。
2)管子与管孔间隙
间隙对胀接质量有着很大影响,间隙的大小取决于管子和管孔尺寸组合后的结果。
间隙太大,接头强度会大大降低,由于在初胀定位过程中,管子受到过分地胀大,管子金属产生加工硬化,提高了弹性极限,所以管壁和孔壁不能紧密地接触,贴紧,同时管壁厚度减薄量大,导致接头拉脱力明显降低。
同时间隙过大时,管子又难以对准管孔中心,容易引起胀接偏斜和单面胀接;若间隙过小,则装配穿管困难,因此要求间隙的大小必须适宜。
在生产中应对管子和管孔进行测量,进行分组选配,以保证所要求的胀接间隙。
3)管壁和孔壁的表面光洁度
管壁和孔壁接触面的情况对胀接质量有很大的影响。
如果表面越粗糙,摩擦系数及啮合力增加越多,连接强度就越大,但由于管壁变形时很难填满粗糙的表面,因此密封性就差。
如果表面光洁度太光又使连接强度降低。
一般管孔表面进行铰加工使光洁度达
,管子表面光洁度达
。
4.7胀接接头的缺陷与防止方法
胀接管子工作,除正确选择胀接方法、掌握胀管设备和工艺施工中的各项注意事项外,为了避免胀接时产生某些缺陷,在胀接管子初期应及时进行中间检查,发现缺陷应立即分析原因并采取措施消除。
a.接头不严密,接头未胀牢,胀接管子胀大和未胀大的过渡区转变不明显,用手摸管子内壁无凹凸的感觉,接头上端和下端有间隙存在。
这是由于扩胀量不够所引起,产生原因有胀管时过早停止胀接;胀管器胀子长度不够、与管板厚度及管子直径不相称;胀管器的装置距离不当,比所需要的距离小;胀子的圆锥度和胀杆锥度不相配等。
这就是常说的欠胀,胀管率过小、选择不当是主要原因。
b.接头胀偏,管子在过渡区单面胀偏,而另一边转变不明显,是由于管子和管孔不同心造成的。
c.过胀,管端伸出量太长,在管孔端面的一圈有明显的鼓起现象,管子下端过渡区鼓出大孔,孔壁下端管子外表面被切,管子内壁起皮,这些现象说明管子过分的扩胀。
d.胀管后,管端表面粗糙出现起皮、夹层或压痕等现象,造成原因是由于胀管器的胀子表面存在裂痕或凹陷。
4.8胀接—焊接在汽轮机的应用
胀接是汽轮机凝汽器、加热器、抽汽器等部件中管子和管板的主要连接方法。
除了常规电站汽轮机外,对于大功率机组工作参数的提高,为了提高接头强度和密封性采用了胀接-焊接管板接头型式,即在管子、管板端面进行密封焊。
其中用于海水冷却,为了提高耐海水腐蚀,管子和管板采用钛、或铜镍合金材料,为了提高密封性同样采用了胀接-焊接管板接头型式。
管子管板接头密封焊的质量是产品安全可靠长期运行的关键。
焊接采用全位置自动脉冲氩弧焊。
这一先进方法对保证焊接质量和提高生产率起到很好的效果,因此逐步代替了手工氩弧焊。
为了保证自动焊的实施,必须对管子管板接头端面加工提出严格要求,必须保证管板上的所有接头平整,端面齐平、尺寸一致,否则影响焊机头的正常工作,难以保证焊缝尺寸和质量。
为了防止焊缝气孔,除了加强清理外,对于铜镍合金的焊接,还必须在氩气中加入适当比例的氢气来防止氧气孔产生。
生产中为了防止管板变形,除了合理安排焊接顺序外,在管孔周围加工隔热槽也起到了防止变形的效果。
一般的胀接长度约是管子外径的两倍,在60mm以上的扩管部分过长后密封性和紧固力就不再提高了。
对于胀接和焊接的先后顺序,实践证明先焊后胀优于先胀后焊。
一方面因为先胀后焊时,焊接易造成胀接接头松脱,使胀接强度下降,另外胀后焊接易使焊缝产生气孔。
焊接要求管子和管板的焊接部位必须齐平,而且一致,否则影响溶深和焊机机头的操作。
为了减小管板变形,一定控制焊接顺序,把整个管板分成几个区,由中央向边缘一根隔一根,一排隔一排地分区分段进行焊接,同时随时注意管板温度,手模不烫为准。
总之,注意操作技术是保证产品的重要手段。
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