DE3021075A1

DE3021075A1 - Welding of tubes in tube plates for heat exchangers - using bushes and TIG welds to minimise heating of tubes or plates so their corrosion resistance is not impaired

Info

Publication number: DE3021075A1
Application number: DE19803021075
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 5068 Odenthal Diekmann
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1980-06-04
Filing date: 1980-06-04
Publication date: 1981-12-10

Abstract

Both the tubes and the tube plates form pptes. when heated in a critical range; and such pptn. markedly reduces their corrosion resistance. To avoid this problem, a bush is first welded or rolled into each hole in the plate. Both ends of the bush project beyond each side of the plate. The bushes are made of the same material as the plate, or of a purer or more highly alloyed material, and possess a slightly larger bore dia. than the external dia. of the tubes. The plate contg. the bushes is heat treated; and then a tube is welded in each bush using the min. amt. of heat. Useful e.g. with highly alloyed stainless steels or Zr, so their corrosion resistance is not impaired by heat arising from a welding process.

Description

Verfahren zum Einschweißen von Rohren in RohrbödenProcess for welding pipes into pipe sheets

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Einschweißen von Rohren# in Rohrböden, wobei sowohl die Rohre als auch der Rohrboden aus einem ausscheidungsempfindlichen Werkstoff bestehen.The invention is directed to a method for welding Tubes # in tube sheets, with both the tubes and the tube sheet made of a precipitate-sensitive Material.

Bei der Herstellung bzw. Umsetzung bestimmte chemischer Produkte müssen aus Korrosionsgründen Apparate aus Sonderwerkstoffen eingesetzt werden. Die gute Korrosionsbeständigkeit der Werkstoffe wird in der Regel durch eine geeignete Wärmebehandlung erreicht.In the manufacture or implementation of certain chemical products must equipment made of special materials is used for reasons of corrosion. The good Corrosion resistance of the materials is usually achieved through a suitable heat treatment achieved.

Dabei liegt ein besonderer Gefügezustand vor. Ausscheidungen beispielsweise können die Korrosionsbeständigkeit stark verschlechtern. Da manche Sonderwerkstoffe durch die Wärmeeinbringung beim Schweißen stark zu Ausscheidungen neigen, müssen besondere Maßnahmen ergriffen werden, um solche Ausscheidungen zu verhindern. Ist das nicht möglich, muß durch eine geeignete Wärmebehandlung nach dem Schweißen der ursprüngliche Gefüge zustand wieder hergestellt werden, was stich in der Regel durch Lösungsglühen und Abschrecken der Banteile erreichen läßt. Bei großen geschweißten Apparaten ist das notwendige schnelle Abschrecken in Wasser oder bl praktisch nicht möglich, und man muß notgedrungen eine kürzere Lebensdauer der Schweißverbindung und der Wärmeeinflußzone in Kauf nehmen.There is a special structural condition. For example, excretions can seriously impair the corrosion resistance. Because some special materials must have a strong tendency to precipitate due to the heat input during welding special measures are taken to prevent such excretions. is this is not possible, must be achieved by a suitable heat treatment after welding the original structure can be restored, which usually stands out Solution annealing and quenching of the B components can be achieved. At large welded Apparatus, the necessary rapid quenching in water or bl is practically nonexistent possible, and one must necessarily have a shorter service life of the welded joint and the heat affected zone.

Ein Wärmeaustauscher, der durch Beaufschlagung mit einer aggressiven Flüssigkeit im Schweißgut und/oder in der Wärmeeinflußzone undicht geworden ist, muß daher verhältnismäßig frühzeitig wieder stillgelegt werden. Häufig wird er zerlegt, die Rohre werden aus der Bodenplatte ausgebohrt, um ca. 10 bis 20 cm verkürzt und wieder neu mit der Bodenplatte verschweißt.A heat exchanger which, when exposed to an aggressive Liquid in the weld metal and / or in the heat affected zone has become leaky, must therefore be shut down again relatively early. Often it is dismantled the pipes are drilled out of the base plate, shortened by approx. 10 to 20 cm and again welded to the base plate.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Einschweißen von Rohren aus einem ausscheidungsempfindlichen Werkstoff in einem artgleichen oder artfremden Rohrboden so zuverbessern, daß die Haltbarkeit des gesamten Wärmeausstauschers vergrößert wird. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zunächst nach außen ragende Hülsen aus arteigenem oder reinerem oder höher Legiertem Werkstoff mit einem größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser der einzuschweißenden Rohre anstelle der Rohre im Vorboden eingeschweißt oder eingewalzt werden, der Rohrboden dann -wärmebehandelt wird und dann die durch die Hülsen gesteckten Rohre mit der Hülse unter möglichst niedriger Wärmeeinbringung verschweißt werden.The object of the invention is the welding of pipes from a Precipitation-sensitive material in a tube sheet of the same or a different type to be improved so that the durability of the entire heat exchanger increases will. This object is achieved in that first outwardly protruding sleeves Made of native or pure or higher alloyed material with a larger inner diameter than the outer diameter of the pipes to be welded in place of the pipes in the front floor be welded or rolled in, the tube sheet is then heat-treated and then the tubes inserted through the sleeves with the sleeve below as low as possible Heat input are welded.

Von besonderem Vorteil bei diesem Verfahren ist, daß, nachdem die Hülsen in bekannter Weise anstelle der Rohre in den Rohrboden eingeschweißt worden sind, der Rohrboden entsprechend den bekannten Eigenschaften des eingesetzten Werkstoffes wärmebehandelt werden kann, d.h. in der Regel lösungsgeglüht und abgeschreckt in Wasser, einer wässrigen Lösung oder bl. Vorrichtungen mit entsprechenden Ofen und dem Abschreckungsbad, sind für Objekte bis 3,5 m.Durchmesser bekannt. Es ist auch nicht zu befürchten, daß sich der dicke Rohrboden bei fachgerechter Wärmebehandlung verzieht. Rohrboden und Hülsen sind trotz der vorgenommenen Schweißungen dann in einem optimalen Werkstoff zustand. Durch jede Hülse wird ein Wärmetauscherrohr gesteckt, und außen am Hülsenende werden Rohr und Hülse unter möglichst geringer Wärmeeinbringung üblicherweise zweilagig verschweißt.A particular advantage of this method is that after the Sleeves have been welded into the tube sheet in place of the tubes in a known manner are, the tube sheet according to the known properties of the material used can be heat treated, i.e. usually solution annealed and quenched in Water, an aqueous solution or bl. Devices with appropriate furnace and the quenching bath are known for objects up to 3.5 m in diameter. It is also there is no need to fear that the thick tube sheet will be damaged by proper heat treatment warps. The tube sheet and sleeves are then in despite the welds made an optimal material condition. A heat exchanger tube is put through each sleeve, and on the outside at the end of the sleeve, the tube and sleeve are brought together with as little heat input as possible usually welded in two layers.

Es ist möglich, die Schweißstelle zwischen Hülse und Rohr intensiv zu kühlen, wodurch sich Ausscheidungen beträchtlich verkleinern lassen. Da das Rohr ueber die Hülse übersteht, reicht es in vielen Fällen aus, das Rohr von innen mit Wasser oder Preßluft zu kühlen.It is possible to intensify the weld between the sleeve and the pipe to cool, whereby excretions can be reduced considerably. As the pipe protrudes beyond the sleeve, in many cases it is sufficient to use the inside of the pipe To cool water or compressed air.

Auch ein gekühlter Kupferstopfen, der von außen in das Rohr geschoben wird, sorgt für eine hinreichende Kühlung. Zur Kühlung der Nahtseite auf der Hülse kann es sinnvoll sein, nachdem eine Wurzel gelegt ist, den (entsprechend großen, mindestens ca. 0,-5 mm) Spalt zwischen Hülse und R#ohr mit einem Kühlmedium zu Füllen.Also a cooled copper plug that was pushed into the pipe from the outside ensures adequate cooling. For cooling the seam side on the sleeve it can make sense, after a root has been laid, the (correspondingly large, at least approx. 0.5 mm) gap between the sleeve and tube to be filled with a cooling medium.

Ein weiterer besonderer Vorteil ist bei diesem Verfahren, daß gegebenenfalls einzelne Rohre oder auch das ganze Rohrbündel ausgewechselt werden können, ohne daß die Bodenplatte erneut wärmebehandelt werden muß, da sie ja bereits im optimalen Werkstoffzustand ist, der durch das Rohre in schweißen nicht verschlechtert wird. Die Hülse wird entsprechend eingekürzt, und diese Prozedur kann entsprechend der Länge der Hülse mehrfach wiederholt werden.Another particular advantage of this method is that if necessary individual tubes or the entire tube bundle can be replaced without that the base plate must be heat treated again, since it is already in the optimal Is the material condition that is not deteriorated by the pipe in welding. The sleeve is shortened accordingly, and this procedure can be carried out according to the Length of the sleeve repeated several times.

Die Erfindung ist im folgenden weiter beispielhaft beschrieben und in der Zeichnung dargestellt.The invention is further described below by way of example and shown in the drawing.

Es zeigen: Fig. 1 Ausschnitt eines im Rohrboden erfindungsgemäß befestigten Rohres.The figures show: FIG. 1 a section of an object fastened according to the invention in the tube sheet Pipe.

Fig. 2 Befestigung eines Rohres aus Sonderwekstoffen im Rohrboden.Fig. 2 Attachment of a pipe made of special materials in the tube sheet.

Ein Werkstoff, der stark zu Ausscheidungen neigt, wodurch sein Korrosionswiderstand sehr stark herabgesetzt wird, ist der siliciumhaltige Stahl x 2 CrNiSi 18 15. In der Stahl-Eisen-Liste des Vereins Deutscher Eisenhüttenleute trägt dieser Werkstoff die Nr. 1.4361. Dieser Werkstoff ist gegenüber siedender 98 %iger Salpetersäure gut beständig. Ein Wärmeaustauscher aus diesem Werkstoff, der mit hochkonzentrierter heißer Salpetersäure beschickt wird, fällt in der Regel dadurch aus, daß das Schweißgut und der Bereich der Wärmeeinflußzone im Rohr, die bis ca. 10 bis 15 mm neben der Naht liegt, stark korrodiert wird. Im Rohrboden 1, der beispielsweise einen Durchmesser von 1,10 m hat, sind beispiels--weise 250 Rohre 2 aus demselben Werkstoff mit einer Länge von 4 m, einem Außendurchmesser von 25 mm und einer Wanddicke von 2 mm, eingeschweißt. Nach der Erfindung werden anstelle der Rohre 2 zunächst Hülsen 3 eingeschweißt 4 (links im Bild angedeutet) oder eingewalzt 5 (rechts im Bild angedeutet), deren Innendurchmesser in diesem Beispiel 26 mm beträgt; die Spaltbreite 6 zwischen Hülse und Rohr ist also 0,5 mm. Die Hülsen 3 3 ragen ca. 35 mm aus dem Rohrboden 1 heraus. Sie bestehen aus dem gleichen Werkstoff, ebenso wie das Schweißgut. Der Rohrboden wird bei 1-1200C -45 Minuten lang geglüht, als Obergrenze für die Abschreckzeit vom Glühofen in das Wasserbad gelten bei diesem Werkstoff etwa 30 Sekunden. Der Temperaturbereich von 950 bis 5000C muß schnell durchlaufen werden. Die bis 4 mm langen Wärmetauscherrohre 2 aus dem gleichen Werkstoff werden durch die Hülse gesteckt; das Rohr steht etwas über die Hülse hinaus oder befindet sich auf gleicher Höhe. Die Wurzel wird ebenso wie die Decklage WIG-geschweißt (Wolfram-Inertgas-Schweißung).A material that has a strong tendency to precipitate, which increases its resistance to corrosion is greatly reduced, the silicon-containing steel x 2 CrNiSi is 18 15. In This material bears the steel-iron list of the Association of German Ironworkers the number 1.4361. This material is opposite to boiling 98% nitric acid good resistance. A heat exchanger made from this material, which is highly concentrated hot nitric acid is charged, is usually caused by the fact that the weld metal and the area of the heat affected zone in the pipe which is up to about 10 to 15 mm next to the The seam is severely corroded. In the tube sheet 1, for example, a diameter of 1.10 m, there are, for example, 250 pipes 2 made of the same material with a Length of 4 m, an outside diameter of 25 mm and a wall thickness of 2 mm, welded in. According to the invention, sleeves 3 are first welded 4 instead of tubes 2 (indicated on the left in the picture) or rolled 5 (indicated on the right in the picture), their Inside diameter in this example is 26 mm; the gap width 6 between Sleeve and tube is therefore 0.5 mm. The sleeves 3 3 protrude about 35 mm from the tube sheet 1 out. They consist of the same material as the weld metal. Of the The tube sheet is annealed at 1-1200C for -45 minutes as the upper limit for the quenching time From the annealing furnace to the water bath, about 30 seconds apply to this material. Of the Temperature range from 950 to 5000C must be passed through quickly. The up to 4 mm long heat exchanger tubes 2 made of the same material are inserted through the sleeve; the pipe protrudes slightly over the sleeve or is at the same height. The root, like the top layer, is TIG welded (tungsten inert gas welding).

Es hat sich gezeigt, daß es ausreicht, wenn das Innenrohr mit Wasser oder Luft gekühlt wird. Die Lebensdauer eines solchen Wärmeaustauschers ist um mindestens 40 % größer. Von besonderem Vorteil ist, daß bei einer erneuten Berohrung lediglich die Hülse um 10 bis 15 mm gekürzt werden muß, wodurch sich der Reparaturaufwand ganz erheblich verringert. Auch das Ersetzen einzelner Rohre ist nach diesem Verfahren natürlich besonders einfach möglich.It has been shown that it is sufficient if the inner tube with water or air is cooled. The service life of such a heat exchanger is at least 40% bigger. It is of particular advantage that only when the tubing is touched again the sleeve has to be shortened by 10 to 15 mm, which reduces the repair costs reduced quite considerably. The replacement of individual pipes is also according to this procedure Of course, it is particularly easy to do.

Nach dem gleichen Verfahren läßt sich auch ein Wärmeaustauscher aus Zirkon (Fig. 2) herstellen. Auf Zirkon als Werkstoff kann bei manchen chemischen Verfahren nicht verzeichtet werden. Der Werkstoff neigt nach dem Schweißen stark zu Ausscheidungen, wodurch die Korrosionsbeständigkeit der Schweißverbindung stark verringert wird. Die Rohrbodenplatte 10 ist mit Zirkon 11 plattiert. Es sind Hülsen 12 eingeschweißt 13, die über die Rohrbodenplatte 10 überstehen. Die eingeschobenen Wärmetauscherrohre 14 sind stirnseitig mit der Hülse 12-verschweißt 15. Bei diesem Werkstoff hat es sich bewährt, wenn die Hülse 12 und das Schweißgut 17, 15 eine höhere Reinheit als der Rohrboden 11 und die Wärmetauscherrohre 14 haben.A heat exchanger can also be removed using the same procedure Produce zircon (Fig. 2). Zirconia can be used as a material for some chemical Procedures are not dispensed with. The material has a strong tendency after welding to precipitations, making the corrosion resistance of the weld joint strong is decreased. The tube bottom plate 10 is clad with zirconium 11. They are pods 12 welded 13, the protrude over the tube base plate 10. The inserted heat exchanger tubes 14 are welded to the sleeve 12 at the end 15. With this material, it has proven useful if the sleeve 12 and the weld metal 17, 15 have a higher purity than the tube sheet 11 and the heat exchanger tubes 14.

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Claims

Claim method for welding tubes (2,14) into tube sheets (1,10), both the tubes (2,14) and the tube sheet (1,11) being made of a precipitation-sensitive Material consist, characterized in that initially outwardly protruding sleeves (3,12) made of native or purer or higher alloyed material with a something larger inside diameter than the outside diameter of the pipes to be welded (2.14) Instead of the tubes being welded or rolled into the tube sheet, the tube sheet is then heat-treated and then the tubes (2.14) inserted through the sleeves (3.12) be welded to the sleeve with as little heat input as possible.