Rohrplattens-zu-Mantel-Schweißverzug: Warum er unvermeidlich ist und wie geringe Wärmeeinbringung ihn kontrolliert

Die Schweißverzug von Rohrböden wird oft als handwerklicher Mangel behandelt. Bei den meisten Rohrbündelwärmetauschern ist dies nicht der Fall. Wenn der Rohrboden mit einer einseitigen, einseitigen V-Nut mit einer einzelnen Fase an die Hülle geschweißt wird, ist das Volumen des abgeschiedenen Metalls auf der Wurzel- und Stirnseite nicht gleich, und die transversale Schrumpfung ist nicht gleichmäßig über die Wanddicke. Das Ergebnis ist eine Winkelabweichung der Rohrbodenebene. Diese Verformung ist inhärent und objektiv vorhanden: Sie kann kontrolliert und kompensiert werden, aber nicht allein durch ein strengeres Schweißverfahren weggeredet werden.

Zwei Mechanismen wirken zusammen.

Transversale Schrumpfung durch die Dicke.Die Schweißnaht schrumpft auf der Stirnseite stärker als auf der Wurzel. Da die Schrumpfung durch die Dicke nicht gleichmäßig ist, dreht sich die Verbindung, anstatt sich nur zu verkürzen. Diese Drehung ist es, die die Rohrbodenebene kippt.

Winkelverformung in zwei Teilen.Der erste Teil ist die Winkeländerung zwischen Hülle und Rohrboden, die der Winkelverformung einer Stumpfnaht zwischen zwei Platten entspricht. Der zweite Teil ist die Winkelverformung des Rohrbodens selbst, die dem als Auftragschweißung auf einer Plattenoberfläche abgeschiedenen Schweißmetall entspricht. Die beiden Teile addieren sich, und die endgültige Neigung ist die Summe.

Die Größe hängt von sechs Variablen ab: Steifigkeit des Rohrbodens, Fasenwinkel, Form des Schweißquerschnitts, Wärmeeinbringung, Volumen des abgeschiedenen Metalls, Schweißpraxis. Keine davon ist unabhängig von den anderen: Eine breitere Fase erhöht das abgeschiedene Volumen; höhere Wärmeeinbringung erhöht die Schrumpfung pro Durchgang; ein weniger steifer Rohrboden wandelt die gleiche Schrumpfung in eine größere Neigung um.

Die meisten Verformungen vor Ort lassen sich auf vier Ursachen zurückführen, die alle kontrollierbar sind:

• Schweißrichtung nicht wie vorgeschrieben eingehalten.Reihenfolge und Richtung sind Teil des Verfahrens, nicht die Präferenz des Bedieners. Das Überspringen oder Umkehren der vorgeschriebenen Richtung konzentriert die Schrumpfung auf einer Seite.
• Unangemessene Schweißparameter, die zu lokaler Überhitzung führen.Übermäßiger Strom oder geringe Vorschubgeschwindigkeit erhöhen die lokale Wärmeeinbringung, vergrößern die Schrumpfungszone und erhöhen die Winkelabweichung.
• Montage- und Schweißreihenfolge nicht eingehalten.Spannungen beim Fügen und die Schweißreihenfolge interagieren: Ändert man die Reihenfolge nach dem Fügen, absorbiert der Rohrboden ein anderes Schrumpfungsmuster, als für das Verfahren vorgesehen war.
• Unangemessene Hilfsmaßnahmen.Vorspannung, Verstrebungen, Balancieren der Reihenfolge und Kühlung sind keine optionalen Extras; weggelassen oder inkonsistent angewendet, liefert das gleiche Verfahren von Einheit zu Einheit unterschiedliche Ergebnisse.

Doppelseitiges Schweißen ist hier im Allgemeinen nicht praktikabel: Die Stirnseite auf der Rohrseite ist durch das Rohrbündel und das Ligament des Rohrbodens belegt, und der Zugang für Rückengraben und rückseitige Abscheidung ist nicht vorhanden. Der praktische Weg ist einseitiges Schweißen mit doppelseitiger Formung. Dieser Weg birgt ein spezifisches Risiko: Wenn der Strom hoch genug eingestellt ist, um eine Wurzelverschmelzung zu gewährleisten, kann er durchbrennen und die benachbarten Wärmetauscherrohre beschädigen. Die Kontrolle kann daher nicht heißeres Schweißen für Durchdringung sein, sondern geringe Wärmeeinbringung, reduzierter Gesamtwärmeeintrag und erhöhte Steifigkeit des Rohrbodens.

• Halten Sie die Wärmeeinbringung niedrig und kontrolliert.Kleine Durchgänge, kontrollierte Zwischenlagentemperatur, ein Strombereich, der eine Wurzelverschmelzung ohne Durchbrennen erreicht.
• Erhöhen Sie die Steifigkeit des Rohrbodens während des Schweißens.Verstrebungen, temporäre Versteifungen und eine symmetrische Reihenfolge widerstehen der Winkelrotation, ohne das Design zu ändern.
• Kontrollieren Sie das abgeschiedene Volumen.Der Fasenwinkel und der Schweißquerschnitt sollten spezifiziert werden, nicht dem Schweißer überlassen werden. Eine schmalere, korrekt dimensionierte Nut scheidet weniger Metall ab und schrumpft weniger.
• Befolgen Sie die vorgeschriebene Richtung und Reihenfolge.Richtung, Reihenfolge und Hilfsmaßnahmen gehören in das Verfahren, werden am Arbeitsplatz überprüft und nicht am Werkstück entschieden.

Verformung in einer Rohrboden-zu-Hüllen-Verbindung ist kein Zeichen dafür, dass das Verfahren falsch ist. Sie ist ein Zeichen dafür, dass der Mechanismus verstanden wurde und dass die Kontrollen auf die tatsächlich vorhandene Schrumpfung abzielen und nicht auf ein verzugsfreies Ergebnis, das einseitiges Schweißen nicht liefern kann.

Da die transversale Schrumpfung durch die Dicke nicht gleichmäßig ist: Die Stirnseite scheidet mehr Metall ab und schrumpft mehr als die Wurzel, so dass sich die Verbindung dreht und die Rohrbodenebene kippt. Dies ist der Geometrie der Verbindung inhärent und kein handwerklicher Fehler.

Es gleicht die Abscheidung aus und reduziert die Winkelabweichung, ist aber hier im Allgemeinen nicht praktikabel, da die Rohrseite für das Rückengraben nicht zugänglich ist. Einseitiges Schweißen mit doppelseitiger Formung ist der praktische Weg, wobei die geringe Wärmeeinbringung die Kontrolle darstellt.

Durchbrennen: Übermäßiger Strom kann die Wurzel durchdringen und die benachbarten Rohre beschädigen. Die richtige Kontrolle ist ein qualifiziertes Verfahren mit geringer Wärmeeinbringung und ausreichender Steifigkeit, nicht mehr Strom.

Steifigkeit des Rohrbodens, Fasenwinkel, Schweißquerschnitt, Wärmeeinbringung, Volumen des abgeschiedenen Metalls und Schweißpraxis. Sie interagieren: Eine breitere Fase und höhere Wärmeeinbringung erhöhen beide die Schrumpfung, und ein weniger steifer Rohrboden wandelt die gleiche Schrumpfung in eine größere Neigung um.