减应力槽技术在油浆蒸汽发生器管板上的应用

说明： （ ）焊后 对 焊 接 试 板 检验 ， 现未 开 槽 管 外 １ 发
Ａ、 —— 应变 释放 系数 。该 系数 与应 变 片 Ｂ
尺 寸和其距 压痕 中心 的距 离 （ 用应 变 片两 端 与压痕 中心 中心距 ｒ 、ｚ ｒ
表示 ） 压 痕 的半 径 Ｒ、 测材 料 的 、 被 物 理 性 能 （ 弹 性 模 量 Ｅ 和泊 松 如 比 ） 有关 。可 用公式 （ ） ２ 计算 ：
应 力值 ， 结果 表 明 ， 热器 管板 开设减 应力槽 结构 换
后可有 效地 降低管 板在 管头焊 接后 的残余应 力 。
１ 管板上 的减应 力槽 结构
１ １ 减 应 力 槽 结 构 的提 出 ．
焊接过 程是 一个 局 部 的、 均 匀加 热 和 冷 却 不
过程 。焊缝 金属 受热会 膨胀 ， 冷却后 会 收缩 ， 加 在 热、 冷却过程 中势必 会 对 周 围 的金 属 产生 压 应 力 和拉 应力 ， 造成 变 形 。换 热 器管 板 上 的管 头 焊 缝 是封 闭 的环 形焊 缝 ， 的变 形受 到 比对接 焊 缝 更 它
用 压痕 应变 法对 ３块 焊接试板 进行 了焊 接残
余 应力 测试 。相 同尺 寸 的压痕在 残余应 力场 中产 生 的应 变增 量 （ 主应 力方 向） 残余 弹性应 变成 沿 与
２ １ 熔 深 的 测 量 ．
正比， 因而在 工 件测 量 点 中心放 置 直径 ２ｍｍ 的
焊 接 完 成 后 ，按 Ｊ ／ ７ ０ ２ ０ 《 压 设 Ｂ Ｔ ４ ３－ ０ ５ 承 备无 损检 测 》 对 焊 接 接 头进 行 １ ０ 渗 透 检 测 ， ， ０
３ ．抚 顺 化 工 机 械 设 备 制 造有 限公 司 ， 宁 抚 顺 １ ３ １ ） 辽 １ ０ ５
摘 要 ： 阐述 了减 应 力 槽 结 构 的优 点 ， 未 开槽 管 外 伸 角 焊 缝 、 头 平 齐 焊 缝 与 开槽 管 头 内缩 焊 缝 的 管 对 管 板 进 行 了焊接 残余 应 力测 试 ， 试 结 果显 示 ： 测 开槽 管 头 内缩 焊 缝 管 板 的 焊 接 残 余 应 力 明 显 小 于 未 开槽 管板 的 焊 接 残 余 应 减 小 。减 应 力 槽 技 术是 解 决 油 浆 蒸 汽 发 生 器 表
表 ２ 焊 缝 熔 深 测 量 结 果
余 应力 存在 一定 关 系 ［ 如式 （ ） １ 和式 （ ） 示］ 利 ２所 ，
用这种 关 系 即可 测定 出工 件表 面的残余 应力 。本
文 应 变 片 采 用 Ｂ ２ —Ｂ 型 双 向 应 变 花 ， 变 Ｅ１ ０２ Ａ 应
片 粘 贴 位置如 图 ２所示 。管板 焊接 残余应 力实
织会 发生 明 显 变 化 ， 导 致 硬 度 值 出 现 差 别 ｌ 。 会 ＿ ４ ］
而开槽 后使 换热 管 和管板 焊接接 头与 周 围冷 金属 隔断 ， 导致 冷却 速度 比未 开槽 的两块试 板要 小 ， 硬
度 值相 对来 说会 略低 些 。
２ ３ 焊 接 残 余 应 力 测 试 ．
・１ ・ ７
３ ６ｍｍ； 子 材 料 为 １ 管 ０号 钢 ， 格 为 ２ 规 ５ｍｍｘ
形时 ， 管头 焊缝无 裂 纹 ， 深满 足使用 要求 。 熔
２ ２ 硬 度 测 定 ．
２ ５ｍｍ， 成未 开槽 管头 外 伸 角 焊 缝 、 头平 齐 ． 制 管
焊缝 与 开槽 的管 头 内缩 焊 缝 ３块 焊 接试 板 ，试板
试 样 的熔深 ， 是 所有 受检 试 样 剖 面 焊 接 接 头熔 但
深 都不 小 于 ２ ５ｍｍ， ． 满足 制造 技 术 条 件要 求 ， 且
通 过拉 脱试 验检 测 ， 每种 结 构 当管 子 产 生 屈 服变
图 ２ 应 变 片 粘 贴 位 置 示 意
石
油
化
工
设
备
技
术
表 ４中的测 量值就 很好地 证 明了开减 应力槽 对减
管板 开 裂 问题 的 重要 手段 之 一 。 关 键 词 ： 应 力 槽 管 头 内缩 焊 换 热 器 管板 焊 接 残 余 应 力 减
油浆 蒸汽 发生 器是炼 油厂重 油催 化裂化 装置
所述 的专 利技术 的初衷 是 为了减少 周 围金 属对 管
中 的重要 设备 ， 换 热 管与 管 板 的焊 接 结构 最 早 其
轴承钢 球 ， 过 冲 击 的 方 法 施 加 冲 击 功 ｗ ， 其 通 使
在工件 表 面产 生一 球 冠 形 压痕 ， 由压 痕 引 起 的应 变变化 值 （ 即应 变 增量 ） 压痕 直 径 、 件 表 面残 与 工
管 头无 熔损 、 孔 、 纹 ， 气 裂 工级 合 格 。然 后 解 剖 试 板 进 行 宏 观 检 查 发 现 ， 样 管 头 焊 缝 熔 合 良好 ， 试 根 部 已焊 透 ， 发 现 熔伤 、 孔 、 纹 及 未 熔合 等 未 气 裂 缺 陷 。对熔 深进 行测量 ， 体数 值如 表 ２所示 。 具
静 设 备
Ｐ ｏ—工 备 术２１２）１ｙ 石ｒ化 ｅｍｉａｌＥｑｕｉ０ｎ３６・ｇ・ 油Ｃｈ设ｃ技 ，１ｔＴｅｃｈｎｏｌ６ ，（ ｏ ｅ ｔ ｐ ｍｅ
减应 力槽 技 术在 油 浆 蒸汽 发 生器 管 板 上 的应 用
高 磊 ， 张迎 恺 张莹 莹 ， ， 粱学峰 。
（．辽 宁 石 油 化 工 大 学 ， 宁 抚 顺 １３ ０ ； ．中 国 石化 Ｓ 程 建 设 公 司 ， 京 １０ ０ ； １ 辽 １０ １ ２ － 北 ０ １ １
图 １ 管 板 上 的减 应 力 槽 结 构 示 意
２ 焊 接 试 板 的检 验
大 的拘束 ， 在管 头 的环 焊缝 中产生 大小 不等 、 布 分
不均 匀 的应 力 ， 即径 向 的应 力 和切 向应 力 ， 径 向应力 在整个 焊缝 中均为 拉应 力 ， 切 向应 而 力 在焊 缝 附近 也 为 拉 应 力＿ 。 当这 种 焊 接 结 ３ ］
焊接 工 艺参数 如 表 １ 示 。 所
表 １ 焊 接 工 艺 参 数
开槽 的焊接 试板 试样 与未开槽 的焊接试 板试 样 硬度 值差 别不 是 很 大 ， 开槽 没有 对 焊缝 的硬 度 造成不 好 的影 响 ， 足 设 备 的使 用 要 求 。从 表 ３ 满 可 以看 出 ， 试 板 焊缝 的 最 高硬 度 值 都 出现 在 ３块 热影 响区 。一般 情况 下 ， 试件化 学成 分相 同 ， 在 冷 却速度 、 热度 以及 承受 的热过程 不 同时 ， 缝组 过 焊
伸 角焊缝 、 与管 板平 焊 缝 与 开槽 的管 内缩 焊 缝 管 经过 无损 检测 、 拉脱 试验 、 深 测量 、 度值 测 定 熔 硬
等 ， 项 指 标均 满 足 要求 ，证 明 管板 开 设 减应 力 各
槽 设 想 的可 行 性 。
ｆ一 ± 一 ４
一
２ １， ｒ Ｅ ｒ
换管 热
接 为强 度焊 ＋贴 胀 ， 用 液 压 胀 管 以减小 换 热 管 采
胀接 过 程 中产 生 的应力 和 疲劳残 留 。根 据换 热管 与管 板 的化 学成 分及力 学 性 能 ，考 虑母 材 与 焊材 的 匹配 ， 用 ＭＧ ０６焊 丝 ，规 格 为 １ ０ ｍｍ。 选 Ｓ— ．
采用 ＴＨ一４ １０型硬度 计测 量未经 焊后 热 处理 的管 头显 微硬度 。硬度测 量值 如表 ３所示 。
表 ３ 硬 度 测 量 结果 （ ） ＨＢ
尺 寸符 合 ＧＢ １ １ １ ９ 《 壳 式 换 热 器 》 录 Ｂ ５— ９ ９ 管 附 的要 求 。管板 与 换热 管管 头 的连接 采用 钨极 氩弧 焊 ， Ｐ ４ ６型管 子管 板 全 位 置 自动 钨极 氩 弧焊 用 Ｓ０ 机施 焊 ， 且焊 接工 艺参 数相 同 ； 热 管与 管板 的连 换
（ ）焊 接 残 余应 力 测 定 数 据表 明 ， 开槽 焊 ２ 未
［ 一
×
开槽 ］ 管头 外伸 角焊缝 的焊接 残 余 应 力 ； 焊 管 头 内
（ ２）
接试 板 中 ， 头平 齐 焊缝 的焊 接 残余 应 力 要小 于 管 缩焊 缝 的焊后残余 应力 要 明显 的小 于不 开槽焊接 的焊后残余 应力 。采用 减应 力槽专 利技 术管板 的 焊 接后残 余应力 得 到 很 大 改善 ， 大 大 降低 换 热 将 器 管板 在使用 过程 中开裂 的几率 。
角焊结 构口 。由于角 焊 结构 由于 自身 的局 限 ， ］ 使 得管板 表 面存在 较 大 的焊 接 残余 应 力 ， 管 制造 尽 厂对 管头做 了焊 后 消 除应 力 热 处 理 ， 在 实 际 换 但 热器 使用过 程 中未被 完全消 除 的残余 应 力与管 板 温 差应力 相叠 加 ， 造成许 多管板 开裂 ， 仍 严重 影
一百
十
１ ￡￡￡ Ｉ ＋
一百 一 —
式 中 ： 、。 ｅ ￡—～ 应变 片释放 的应变 ；
’
小焊缝 焊后 残余应 力有 积极 的作用 。
３ 结 语
在相 同的焊 接 条件 下 ， ３ 形 式 的换 热 管 对 种 与 管 板 焊 接 结 构 进 行 残 余 应 力 试 验 ， 试 数 据 测
开减应力槽
鬣
未开减应 槽 换 热管与管板。 警ｌ
测数 值如 表 ４所示 。
露圆
≮ 。¨ 瞻 。 ｜
ｊ外 伸角焊缝 ０ 平齐焊缝 ０内缩焊缝 ≮
（ 均值》 ｍ － 平 ／ｍ －
焊嘴深 爱
。 Ｊ ３ｏ ｌ
２４ ． ７
２８ ． ６
根 据 测量结 果 ， 开槽 的试 样 熔 深 大 于 开槽 未
为 圆底 的环 形 沟 槽 ， 头 内缩 于管 板 ， 图 １所 管 如 示 。此结 构 已 申请 专 利 ， 利名 称 为 减 应力 槽 式 专 油 浆蒸 汽发生 器 ， 利号 为 Ｚ ２ ０ ２ ０ ４ ５ ． 。 专 Ｌ ０ ７ ０ １ ２ ７ ８