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高頻焊螺旋翅片管的制造及在石化工業中的應用

首頁    高頻焊螺旋翅片管的制造及在石化工業中的應用

高頻焊螺旋翅片管制造及在石化工業中的應用

黃靖國

(茂名石油化工公司,廣  525011)

    高頻電阻焊翅片管作為一種新型、高效傳熱元件已在石化工業中得到越來越廣泛的應用。本文重點介紹了高頻焊翅片管的焊接原理、制造工藝、翅片管的性能、檢驗方法及其在石化工業中的應用情況。

關鍵詞  高頻翅片管特性

The Characteristic and Industry Application of Helical Fin - to - Tube Welds of High - Frequency Welding

Huang Jingguo

(Ma07ning Petrolchemical Corporatirm.,Guangdon.g 525011)

Abstract Taking as a kind of high efficiency exchange heat element,high - frequency helical fin - to tube has gotten a widely application,it is described the welding principle of high - frequency helical fin - to - tube,the properties of fin - to - tube.inspection methods and industry application in this paper.

Keywords high frequency welds helical finned tube characteristic

高頻電阻焊翅片管是利用流經工件表面的高頻電流所產生的電阻熱加熱,并在施加頂鍛力的情況下,將鋼帶焊接在鋼管上形成的產品。

 

高頻焊接翅片管其主要優點是生產效率高,可連續纏繞生產;成本低,它依靠高頻焊接本身的特集膚效應加熱工件表面,達到焊牢的目的,焊接過程中不需添加任何填充金屬材料;由于高頻電流僅在鋼管淺表面通過,焊接熱影響區小,因此設計計算時,不需考慮由此引起的壁厚附加量;工件焊后也不需要進行熱處理;焊接牢靠,在設備配置合理、工藝參數完善的情況下,可以達到翅片與鋼管之間焊接牢固,能承受頻繁開、停工而引起的熱沖擊波動。正因為高頻焊翅片管具有上述優點,因此,它越來越廣泛地應用于石油、化工、電力等行業的新型高效傳熱元件中,起到強化管外傳熱、提高回收熱效率、節能降耗的目的。

1  高頻焊翅片管原理[1]

高頻焊的基礎就是利用高頻電流的兩大效應:集膚效應和鄰近效應,籍助高頻電流的集膚效應可使高頻電能量集中于工件的表層,而利用鄰近效應又可控制高頻電流流動的位置和范圍。當要求高頻電流集中在工件的某一部位時,在集膚效應和鄰近效應的作用下,相鄰兩邊金屬端部便會迅速地被加熱到熔化或焊接溫度,然后在外加壓力作用下,兩零件即可牢固焊成一體。

img1

1  高頻翅片管纏繞焊接圖

高頻焊翅片管焊接過程如1所示,鋼帶按一定螺距均勻平穩地纏繞在鋼管表面,與此同時,以高頻電流作為焊接熱源,局部加熱鋼管與鋼帶的接觸面及待焊區,使之達到熔化可焊狀態,在施加外力下焊牢。螺旋翅片管焊接過程中,鋼帶較薄且電流集中,容易達到焊接溫度,而鋼管較厚且電流分散,不容易集中,鋼管溫度往往低于鋼帶溫度,影響焊接質量。若靠增大電源功率的辦法來提高鋼管的溫度,往往造成鋼帶加熱溫度過高而被拉斷、鋼管表面溫度卻不夠的情況。因此,調節二者電流的分配,選擇合適的焊接參數,是非常重要的。另外,我國生產的高頻焊接電源,均為高頻焊管用電源,沒有翅片管焊接專用高頻電源,因為翅片管焊接時的阻抗比鋼管焊接時大,故存在電源與負載不匹配的問題,只有合適的匹配才能增大輸出功率,防止能量消耗掉。因此,改進高頻焊接電源特性,使電源獲得最佳的匹配是保證翅片管焊接質量的前提[2]。

2高頻焊翅片管的制造工藝

高頻焊螺旋翅片管的焊接大體上分為以下幾個工序(1)鋼管的采購及復檢:鋼管應按照圖紙要求的標準及技術條款進行采購;回廠后須認真進行復檢,復檢內容應包括:核對數量、規格、材料是否相符,有關材質證明材料、各項檢驗報告是否齊全、有效;逐根進行外觀及幾何尺寸檢查,分別按爐、批號進行抽檢材料化學成份和機械性能;對有逐根要求超探的材料,應至少10%進行超探抽查等;(2)翅片繞制焊接前的準備:鋼管表面狀態必須有利于繞片,光管表面應無凹坑、凹痕、迭合、溝槽。焊接前,必須清除基管外表面的氧化物、油脂及影響焊接質量的雜質及覆涂層,通常采用拋光或噴砂處理。翅片管繞制用翅片,采用薄鋼板開帶,按要求的翅片高度把整卷薄鋼板裁為所要求的寬度;(3)翅片繞制焊接:待繞制的鋼管裝在翅片纏繞焊機上,按評定合格的繞制焊接工藝焊接翅片,翅片管在固定的導軌上邊行進邊焊接,直至達到所要求的焊接長度為止(4)檢驗及試驗:對繞制好的翅片管逐根進行外觀檢查及刮聲、剝片檢查,檢驗結果應符合圖紙及技術要求。然后逐根進行水壓試驗,試驗壓力按設計壓1.5倍或圖紙要求,保壓時間不少5 min;(5)翅片保護:翅片管制造完畢后用壓縮風吹掃干凈。經檢驗確認合格的翅片管;碳鋼和合金鋼翅片管外表面噴涂防腐油漆,不銹鋼翅片管表面噴涂光油;翅片管的兩端用蓋帽保護,防止水和雜物進入管內。

3翅片管性能及檢驗

影響翅片管傳熱性能的主要因素有焊接強度;焊接結合率;翅化比;翅片與管子材料的匹配;翅片型式及幾何尺寸;積灰;煙氣流速等。其項由工藝設計計算時確定,這里重點介紹翅片管的焊接質量及檢驗。

翅片焊接焊著率的高低、質量的好壞,直接影響翅片的強度和翅片的傳熱性能;焊著率低,則焊縫強度降低,翅片管的熱阻增大,傳熱系數降低。判斷焊著率的好壞,常用的檢查方法是刮聲法,即用一片鋼條,刮動焊接好的翅片,若聽到清脆、均勻一致聲,表明焊接質量好,翅片焊著率高;若聽到不均勻聲,表明焊接質量不好,沒有焊牢。這一方法只是根據經驗,從宏觀上定性判斷翅片焊接的好壞;定量檢驗焊著率好壞的方法是逐根進行剝片檢查,即在每根翅片管末端多23圈,并將多焊翅片剝離進行定量檢查,設焊著長度La,焊著寬度SaLt、St分別為剝去的理論長度和翅片寬度,則焊著Φ的計算公式為Φ=(La×Sa)÷(Lt×St)×100%,其LaSa的測量以連接面有灰白色金屬為準Sa120。測一處的平均值,標準要求焊著率Φ97% [3]。

翅片的焊接強度也是衡量翅片焊接質量的重要指標,如果焊縫強度低,則翅片管在工作條件下,因承受熱應力及波動和彎曲應力等,而出現翅片脫落,甚至翅片脫落后聚集一起影響傳熱,造成翅片管燒壞。

翅片焊接強度的檢驗方法,試樣如2所示,對于每種規格的翅片管,采用首件帶試樣,用抗拉脫強度試驗進行拉伸,測得其拉斷應力,通常要求翅片管的接頭抗拉脫強170 MPa為合格。

img2

2  拉脫試樣尺寸圖

img3

3  鋸齒形翅片管筒圖

4翅片管在石化工業中的應用情況

高頻焊翅片管越來越廣泛地應用于石油、化工生產的各個領域,最常用的是乙烯裂解爐對流段,根據以往使用經驗,翅片管在使用過程中若因制造、使用不當,出現損壞情況,則翅片管起不到對流強化傳熱作用,使爐子排煙溫度升高,影響爐子的熱量回收。

翅片管常見的幾種損壞形式為(1)翅片管翅片的脫落:即有制造焊接原因,也有操作使用原因。翅片管在繞制焊接過程中因工藝參數選擇不當,導致焊接不牢或翅片、管子表面油污引;翅片焊接時表面冷卻用水或其它溶劑油作冷卻劑使用不當導致焊縫出現裂紋。特別是操作不當時,翅片管吹灰前排凝不徹底,大量凝液帶入,反復急冷急熱,造成焊接熱疲勞裂紋,或爐子開、停工過程中頻繁升、降溫,也會造成翅片焊縫疲勞脫落,象彈簧狀堆聚在一起。因此,避免翅片脫落的方法是制造時選擇合適的焊接工藝參數,確保焊牢,且操作時避免反復升、降溫;(2)翅片局部燒熔、燒蝕:爐子燃燒所產生的灰燼及燃油爐燃燒不充分時,積碳被帶入對流段,積聚在翅片上,發生二次燃燒,從而燒壞翅片管。避免二次燃燒的方法是加強對流段爐管的吹灰,增加吹灰次數;(3)翅片管彎頭的局部減薄、爆烈:在工藝介質流道中彎頭結構突變,在操作使用過程中受到高溫、高壓氣流的沖刷,很容易引起局部減薄,減薄至一定程度后就會引起爆裂。此外,彎頭在熱推制過程中,可能出現局部拉薄或微裂紋,焊接過程中熱影響區影響等都有可能引起彎頭在使用過程中破壞;(4)翅片管因腐蝕減薄或長期服役狀態下,材質性能惡化而出現爆裂:如碳鋼管長期在500高溫下運行,極易發生珠光體球墨化傾向,導致材質高溫強度變低,塑性變差,出現爆管等。另外,特別是對于不銹鋼材質,在開工煮爐時堿溶液中的氯化物容易引起管材腐蝕破壞,這種事例在石化系統中曾發生過多次,應該引起足夠的重視。

目前國內裂解爐對流段翅片管生產技術已經成熟,國內經過十幾年的研制、攻關,無論是翅片管焊接工藝、裝備、質量保證等都可達到國外同類先進水平,采用高頻焊翅片管所承造的幾十臺乙烯裂解爐對流段,均已在石化裝置平穩運行良好,能滿足工藝設計要求。近年來,燕山石66萬噸乙烯改擴建、齊魯石化、上海石化、揚子石化等乙烯裝置改擴建中,6/、10萬噸/ 乙烯裂解爐對流段中均采用國產的高頻焊螺旋翅片管,它焊接牢固,傳熱效率高,結構緊湊,性能穩定,安裝投用以來,一直運行良好。

隨著制造工藝的不斷發展,各種不同形狀的肋化管已開始在石化工業中應用,高頻焊鋸齒型翅片管便是一種,它是在原有的常規螺旋翅片管連續光滑的螺旋表面上加工許多槽,沿圓周成鋸齒形分布,如3所示。其優點是可進一步提高對流傳熱系數;翅片表面上的鋸齒形結構不僅具有擾動氣流、阻止邊界層發展的作用,而且還能使流經它的氣流產生局部渦流,使翅片表面的傳熱得以增強。

翅片管基管與翅片焊接的材料選擇,根據操作溫度、介質不同而選擇不同的材料匹配,根據國Lumms公司KTI公司的常規選擇,常用的翅片管材料匹配如1所示。

1  常用翅片與鋼管材料匹配

基管材料

A106B

A335 P1

A335 P11

A335 P22

A312 TP316

翅片材料

C·S/SPCC

Cr

S·S

11%13%

11%13%

11%13%

基管材料

A312 TP304H

A312 TP347H

A312 TP321H

A335 P91

 

翅片材料

C·S

S·S

11%13% Cr

11%13% Cr

 

S·S

18Cr-8Ni

 

 

翅片管基管與翅片焊接的材料選擇,根據操作溫度、介質不同而選擇不同的材料匹配,其中碳鋼材料用于排煙溫度較低部位,Cr - Mo鋼及不銹鋼材料,分別用于裂解爐中、下部溫度較高部位,便于保證高溫強度及操作要求,整臺裂解爐對流段由幾組不同材料的高頻焊翅片管組焊而成。

5結論

高頻焊翅片管能實現流水線生產,它生產效率高,成本低,焊接牢靠,傳熱效率高,產品質量好,實現了批量生產和規模效益。隨著我國高頻焊翅片管生產技術的不斷成熟、完善,特別是設計、科研人員不斷開發出各種新型結構的翅片管,它必將越來越廣泛地應用于石油、化工設備中,為企業帶來更大的經濟效益。

參考文獻

1  潘際鑾.焊接手冊.北京:機械工業出版社1992

2  劉開緒.焊接技術,2000,(1)4546

3 QJmpccjxc.《高頻電阻焊螺旋翅片管技術條件》,中國石化總公司1999,01

2020年4月23日 15:19
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