熱交換器之銲接
[ 來自:不详 閱讀: 時間:2009.06.18 ] 甚麼是熱交換器?
在中世紀,在歐洲發明了一種蒸餾酒精的方法,同時使用一種冷凝器以冷卻及凝結酒精蒸汽以生產酒類。這冷凝器可以說是今日熱交換器之由來。在十九世紀後半,美國石油工業開始成功的從原油提煉熱油。在當時這簡單的蒸餾方法,原油被放在保持氣密的蒸餾器之內,然後加熱到汽化的溫度,然後送入冷卻管以蒸餾出熱油
(Figue 1)。這冷卻系統為今日所使用之石油精煉之熱交換器的由來。自從那時起,許多型式的熱交換器被開發出來且在進步的石油精煉以縱列式的使用。時至今日,熱交換器已在許多工業中應用,包括石油精煉、石化工廠以及化工廠。例如在石化工廠,生產30萬噸乙烯的乙烯設備,可能就要裝置多至二百座不同型式的熱交換器。熱交換器在石油製程中為不可少的設備,能有效的傳導成溫或涼的溫度,但是沒能產生熱的能力。
圖1 從原油得到熱油之蒸餾製程
由於不同效能之熱交換器有其流體,可以在加熱器、蒸發器、冷卻器及冷凝器。如Figure 2所示為熱交換器作為蒸餾筒之典型功能。熱蒸汽加熱素材(液油),轉換成蒸汽,所以為甚麼這種型式的加熱器稱蒸發器。而冷凝器是使用水來冷卻(蒸發的油)油蒸汽恢復成液態型式。冷卻器也是使用水來轉換這液態油成最終的產品。再蒸發器(reboiler)是加熱儲存在筒底的液態油。構造外形
熱交換器有兩種主要的型式:板狀式熱交換器及殼體-管子式熱交換器。殼體-管子式熱交換器在大部分的製程工廠為最普遍的設備,它又可以分類為三種主要的型式:浮頭(floating head)、固定管板(fixed tube sheet)及U形管。在這三種型式中,浮頭式熱交換器在石油精煉及石化工廠為最廣泛使用的。Figure 3所示為浮頭式熱交換器的結構圖;主要包括管子、管板、一個殼體及一個管道(channel)。這種型式熱交換器的工作(作功)是藉著從流體(或氣體)通過管子將熱傳導至另外通過容器殼體內部之流體(或氣體),或反之亦然。
圖3 浮頭蓋的圖形,由管束、管板、殼体及管道組成
管束(tube bundle)是由數量龐大的管子所組成及兩塊管板,如Figure 4所示。有壓力的蒸汽或水通過殼體內的管子,該管子被固定在筒狀殼體的內部殼體不但固定管束,而且也形成一供油或蒸發的油流動之容器,從內部管子流動之流體取得或傳導熱量。管板作為支撐管子及將殼體內管子流動的流體分散。最後,管道是裝置在壓力流體飼入管子之進、出口處。
圖4 浮頭蓋式熱交換器的管束包括許多熱交換器管及兩塊管板
元件的材料
鐵金屬或非鐵金屬能被作為製造熱交換器的材料,它視製程條件及配合流體之壓力、溫度與腐蝕性而定。一個熱交換器的結構元件似乎用各種不同的鋼材所製造,然而管束不但使用鋼材也使用銅合金。Table 1所示為使用於殼體、管板典型的材料及浮頭式熱交換器(加熱器及冷凝器)之管子。金屬配件包括板材、鍛材及管子,同時可以為碳鋼、耐熱低合金鋼(0.5Mo、1Cr-0.5Mo、1.25Mo-0.5Mo、2.25Cr-1Mo及5Cr-0.5Mo)、不銹鋼(304及321)與銅合金。除此之外,也有使用肥粒鐵系不銹鋼(405)及麻田散鐵系不銹鋼(410),視製程而定。
至於使用於石油精煉的熱交換器,由於對較輕級的油之需求增加而對製程條件有些微之調整,但是元件材料並沒有受到很大的影響。不管如何,有些元件材料之創新已導致熱交換器性能之改善,例如:
(1) 特殊鋼的開發更能耐氫引起的龜裂(HIC),
(2) 改良的2.25Cr-1Mo鋼藉以改善在高溫時耐回火脆性,韌性也一樣,
(3) 特殊不銹鋼的開發,使更能耐連多硫酸。
銲接製程及填料金屬
近年來,已有拒絕使用手銲的要求,反而要求使用自動或半自動遮護金屬電弧銲及氬弧銲且變成更加的普及。特別是半自動銲接更加的擴展,這是因為與自動銲接比較設備投資少且在適度的控制與手銲相近,這是指銲接開槽輪廓及銲接條件。而潛弧銲也已在特殊應用上穩定的使用。
在GMAW,無論是實芯或包藥銲線;特別是包藥銲線,由於具優異的銲道外觀、少的銲濺物及優異的使用性已急遽擴增。對於熱交換器使用的銲材已被改善以符合改良的鋼材、改善銲接性以及符合不同客戶的要求。下述的章節在強調一些改良的銲材。
(1) 改良的銲材適用於13Cr不銹鋼,例如以開發的405型及410型。這類包括CR-40Cb、CR-43CbS、TG-S410Cb、DW-410Cb及DW-430CbS。這類的銲材藉高水準的設計,其銲接金屬的化學成分含相當多的鈮(Nb)以及少量的Al與Ti變很有特徵。這唯一的化學成分能使銲接金屬具微細的肥粒鐵不銹鋼的顯微組織(Figure 5)。由於是肥粒鐵顯微組織,銲接金屬的淬火硬化性相當地被降低,因此也降低13Cr不銹鋼銲道延遲龜裂之敏感性。以這種突破,405型護面鋼的銲接比使用傳統之309型沃斯田鐵銲材的銲接已變成較為容易。
圖5 顯微組織的比較:CR-40Cb(圖左)及傳統JIS D410焊接金屬
(2) 2.25Cr-1Mo耐熱鋼銲材對於在高溫之回火脆性已改善。這類的銲材包括CMA-106N、CMA-106ND、MG-S2CMS、TG-S2CM、PF-200/US211S及PF-200D/US-521S。2,25Cr-1Mo銲材在高溫長時期的使用之後會發生回火脆性之趨勢;其結果會造成材料韌性的降低。為著降低銲接金屬的回火脆性的敏感性,例如P、Sb、Sn及As的不純物要降至低的水準。除此之外,這類銲材就是在高溫延長使用之後能提供優異的衝擊韌性。
(3) 已開發充分銲接性的低肥粒鐵數銲材。為著改善沃斯田鐵系不銹鋼在超低溫,如-196℃及-268℃的衝擊韌性及耐蝕性,其肥粒鐵數須被降低,換句話說,也要瞭解到低的肥粒鐵則銲接金屬的熱裂敏感性較高。為著克服這先天性的問題,所以對NC-38LT、NC-36LT、DW-308LT及DW-316LT的化學成分在設計與工程要注意。
(4) 對於平銲表面堆銲的電渣銲已有突破。在鍛造環內面上堆銲已足夠但要求淺熔滲且為平坦的銲道外觀。神鋼開發PFB-7FK(燒成型銲藥)及MFB-3(熔融型銲藥),能匹配各種不同的板帶銲接。
Figure 2所示可用於熱交換器元件中所適用各類型的鋼,如殼體、管板及管子。而異材銲接接頭,一般應用於護面鋼的銲接。板帶的銲材命名為USB,典型應用於殼體內表面之耐蝕堆銲接。
銲接程序
在本章節另集中討論的是典型應用於各元件之銲接程序。當然,應指出的是銲接程序是依銲材、元件的尺寸、製程及不同的設備而異。
(1) 殼體對接接頭
殼體-殼體胴圍對接接頭(C線)、殼體-殼體胴圍對接接頭縱向銲縫接頭(L線)、管道-管道法蘭胴圍對接接頭及管道-殼體胴圍對接接頭之接銲,它是從接頭的準備開始,無論是X(雙V)開槽(壁厚為50mm及以下)或單V窄開槽(厚的壁厚)。而X型槽接頭適用於潛弧,窄單V型槽適用於潛弧或用實芯銲線之自動GMAW銲接。從殼體-端板對接銲內面部分,一般使用手銲或半自動GMAW銲接,這是因為使用用自動很困難。
(2) 耐蝕堆銲
100mm或更厚鍛造的殼體經常使用板帶,以潛弧(SAW)或電渣銲(ESW)藥來銲接。ESW以平銲並提供淺熔滲,其結果母材稀釋少及平坦的銲道外觀。在ESW(Figure 6)無產生電弧來熔融板帶及母材,它是利用熔渣產生的電阻熱。由於熔滲淺,所以308L或347L型不銹鋼銲道能以單層銲接來完成。
管板可以用護面鋼或堆銲銲道製造。利用堆銲的管板,由於具高的銲接效率推薦使用板帶銲接。當然,板帶銲在當銲接至管板中心部分時變成困難,所以也可利用GMAW或手銲。
圖6 板帶及特殊焊藥匹配之電渣堆焊
圖7 護面鋼接頭之典型的開槽形狀
(3) 護面銲
Figure 7所示為護面鋼接頭典型的開槽情形。碳鋼或低合
金鋼的V型槽以匹配的銲材先銲接。其次是緩衝層的銲接,
例如用309型銲材在護面側銲接,然後接著用匹配護面鋼母
材(例304型)銲材(即E308)銲接。護面鋼接頭,一般使用手
銲、GMAW或氬銲。
(4) 管板對管子的銲接
熱交換器的管子與管板的銲接須防漏。這類接頭的銲接,一
般使用手銲及兩種型式的自動氬銲。其中一種自動氬銲使用
兩個銲頭(two welding heads);然而一個銲頭在工作銲接一
個接頭時,操作人員能設定另外一個銲頭以銲接另外一個銲
接接頭。另外一種型式的自動氬銲是所有的作業包括銲頭的
設定均為自動控制的。Figure 8所示為一些不同型式的接頭
輪廓。(譯自神鋼Welding Today 2008 Vol.11﹝No.1﹞)參考文件
(1) Japan Institue of Plant Maintaince. Book of Heat
Exchanger(2006)
(2) K. Hirai. Heat Exchangers. Welding Technology. Sanpo
Publication Inc.(1986)