唐照國(guó) 王賢軍 陳堅(jiān) 黃煜 梁林嬌

換熱器傳熱效果好壞的關(guān)鍵在于折流板的設(shè)置和換熱管的導(dǎo)熱性能。為了得到好的換熱效果，在滿足強(qiáng)度要求的情況下，設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，通常會(huì)將換熱管的設(shè)計(jì)厚度盡量取薄，一般低合金高強(qiáng)鋼換熱器的換熱管厚度為2～3mm，而管板厚度一般都超過(guò)30mm，因而換熱管與管板的焊接難度較大。由于管板與換熱管的焊接質(zhì)量直接影響到換熱器設(shè)備的使用和安全，因此對(duì)換熱管與管板的焊接制訂合理的焊接工藝至關(guān)重要。

1. 焊接工藝附加評(píng)定

（1）焊前準(zhǔn)備 制作附加評(píng)定時(shí)，選用材料為S31603的試板，尺寸為150mm×120mm×20mm，選用材料為S31603的換熱管，尺寸為φ19mm×2mm，L=80mm，焊接方法采用手工鎢極氬弧焊。

試板換熱管鉆孔及坡口按圖1要求加工（手工氬弧焊時(shí)h= 1.5mm）。焊前將試板及換熱管口端部20mm范圍內(nèi)油污等雜物清除干凈，以免影響焊接質(zhì)量。

焊接前裝配時(shí)按圖1要求，將管子伸出管板4～5mm（為防止熱量集中在管口端部而焊穿管口，故管子伸出長(zhǎng)度比標(biāo)準(zhǔn)推薦的伸出長(zhǎng)度要長(zhǎng)些），換熱管與管板用手工氬弧焊進(jìn)行定位焊，定位焊時(shí)采用不加絲的自熔焊。定位焊時(shí)應(yīng)注意引弧在管板坡口面上起弧，不要在坡口根部或管上引弧，以免引弧時(shí)掌握不好造成缺陷。

（2）焊接 為了保證換熱器設(shè)備的焊接質(zhì)量，試件焊接位置和換熱器設(shè)備施焊位置一致，采用水平固定焊。分兩層焊接，第一層打底焊，采用不填絲的自熔焊，焊接時(shí)焊槍不擺動(dòng)，打底焊主要用于焊透管板的坡口根部；第二層蓋面焊，采用填絲焊，焊接時(shí)填充絲均勻送進(jìn)，焊槍則需要小幅度的擺動(dòng)，以不產(chǎn)生咬邊；蓋面焊主要是為了焊出一定的焊縫厚度，使焊縫具有足夠的強(qiáng)度和致密性。

選用焊接參數(shù)時(shí)應(yīng)控制焊接電流不能過(guò)大或過(guò)小，過(guò)大容易燒穿管壁，過(guò)小難以熔化厚度大的管板，容易造成未焊透。焊接參數(shù)如表1所示。

（3）檢驗(yàn)與結(jié)果評(píng)定 按NB/T47014—2011附錄D要求進(jìn)行表面檢測(cè)、宏觀金相分析和角焊縫厚度測(cè)定。按JB/T4730—2005規(guī)定進(jìn)行了滲透檢測(cè)，檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)焊縫表面無(wú)裂紋。角焊縫厚度如表2所示，厚度均＞1.3mm （即2/3b）。根據(jù)NB/T47014—2011附錄D的合格指標(biāo)，本次評(píng)定合格。

圖1 試板鉆孔及倒角示意

2. 換熱器設(shè)備施焊

換熱器的參數(shù)如表3所示。設(shè)計(jì)筒體的材料為Q345R，管板為S31603不銹鋼板，換熱管材料為00Cr17Ni14Mo2，規(guī)格均為DN800mm×12mm，筒體長(zhǎng)度為1.9m，換熱管為φ25mm×2mm，L=2 000mm。換熱器主要焊縫布置如圖2所示。

（1）焊前準(zhǔn)備 加工坡口：根據(jù)焊接工藝要求加工C1、C2坡口（見圖3），坡口角度為40°，鈍邊0～1mm，間隙2～3mm，坡口朝外。采用刨邊機(jī)加工坡口。

加工管孔：根據(jù)圖樣要求和焊接工藝要求加工管孔及管孔的倒角（見圖4）。

組焊：焊前將坡口表面及坡口兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的油污等不利于焊接的雜質(zhì)清理干凈。C1、C2焊縫組裝時(shí)用氬弧焊在筒體外面的坡口上定位焊，定位焊縫長(zhǎng)50mm，定位焊縫不得出現(xiàn)裂紋，否則重新焊接，定位焊如有氣孔夾渣等缺陷應(yīng)及時(shí)清除，組裝控制錯(cuò)邊量≤2mm；換熱管與管板的焊縫CG1、CG2組裝前將管孔周邊和管子兩端20mm范圍內(nèi)，以及管子兩端內(nèi)壁10mm范圍內(nèi)的毛刺、油污等雜質(zhì)清理干凈。為保證管口焊縫質(zhì)量，將管子伸出管板外4～5mm，用手工氬弧焊不填絲進(jìn)行定位焊。

（2）焊接 根據(jù)本設(shè)備的特點(diǎn)，著重考慮保證換熱管與管板的焊縫質(zhì)量和管板焊后焊接變形的控制，因此需要選擇合適的焊接操作方法、焊接順序及焊接參數(shù)。

第一，換熱管與管板的焊接操作方法。為保證本設(shè)備換熱管與管板的焊縫質(zhì)量，焊接時(shí)采用手工氬弧焊分兩次兩道焊。打底焊時(shí)采取不填絲的自熔氬弧焊，目的是使熱量更集中將管板根部與換熱管熔透，焊接時(shí)控制好焊接電流、焊接速度（見表1）和焊槍角度（見圖5）。管口軸線處于水平位置，0點(diǎn)處在正上方，在6點(diǎn)處左側(cè)5mm處引弧，不加焊絲，因?yàn)楣芸诤穸容^薄，電弧力不能直接沖在管口端上，所以要偏向管板，待頂角處熔化形成熔池后，按順時(shí)針?lè)较蚝钢?點(diǎn)處左側(cè)5mm處。然后從6點(diǎn)處引弧，電弧按逆時(shí)針?lè)较蛞频胶缚p端部預(yù)熱，待焊縫端部熔化形成熔池后，不加焊絲，按逆時(shí)針?lè)较蚝钢?點(diǎn)處，待焊縫熔化，就焊完打底焊道，形成了一個(gè)封閉的焊縫。

全部換熱管口打底焊完后，為檢驗(yàn)打底焊縫質(zhì)量，對(duì)設(shè)備進(jìn)行0.4MPa壓縮空氣密封性的壓力試驗(yàn)，這就需要打底焊縫既要把坡口根部焊透又不能焊穿管口，同時(shí)打底焊縫還需要有一定的厚度，能承受一定的壓力。如經(jīng)壓力試驗(yàn)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)，說(shuō)明打底焊道質(zhì)量得到了保證。

圖2 換熱器主要焊縫布置

圖3 C1、C2坡口

圖4 管孔坡口

圖5 焊接操作示意

表1 焊接參數(shù)

表2 角焊縫厚度 （mm）

表3 換熱器參數(shù)

打底焊縫試壓合格后再進(jìn)行第二道蓋面焊，蓋面焊為保證焊縫厚度采用填絲氬弧焊，由于管子較薄，焊接時(shí)需要控制好焊接電流、焊接速度和焊接手勢(shì)。在6點(diǎn)處左側(cè)5mm處引弧，先不加焊絲，待焊縫熔化形成熔池后，開始加焊絲，并按順時(shí)針?lè)较蚝钢?點(diǎn)處左側(cè)5mm。然后從6點(diǎn)處引弧，先不加焊絲，電弧按逆時(shí)針?lè)较蛞频胶缚p端部預(yù)熱，待焊縫端部熔化形成熔池后，開始加絲焊，焊槍并作小幅度擺動(dòng)，按逆時(shí)針?lè)较蚝钢?點(diǎn)處左側(cè)，待焊縫熔化時(shí)加絲，以防止產(chǎn)生弧坑裂紋。為防止換熱管被焊穿及咬邊的產(chǎn)生，電弧不能直接沖在管口端部，焊后焊腳高達(dá)2.5～3.5mm即可。

第二，焊接順序的編排。不銹鋼的導(dǎo)熱率低，線膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)變形大，如何降低變形量成為不銹鋼焊接的一個(gè)重點(diǎn)、難點(diǎn)。

本設(shè)備有505根換熱管，也就是每個(gè)管板上有505個(gè)焊口，焊接量很大，因此控制變形不容忽視。我們采取分散法焊接，管板上分兩個(gè)對(duì)稱部分焊接，內(nèi)外交錯(cuò)分散焊，相鄰的管口不得相繼施焊（見圖6）。第一道焊好后第二道同樣按照這樣的焊接順序。該對(duì)稱焊可以防止管板波浪變形。但無(wú)論怎樣的分散焊和對(duì)稱焊都會(huì)有不小的變形量，故在焊接筒體與管板的焊縫C1、C2時(shí)考慮了預(yù)應(yīng)力（或反變形）和熱矯正，即焊接換熱管與管板前先焊接C1、C2，注意每層焊縫應(yīng)進(jìn)行分段焊、對(duì)稱焊，并應(yīng)錯(cuò)開180°，兩端各焊一層，交替操作，但只焊2～3層，不能將C1、C2焊縫焊滿。按照這樣的方法焊接，焊后發(fā)現(xiàn)該設(shè)備的管板面變形量很小，不影響管板密封面的密封。管板變形小既保證了密封性，也保證了設(shè)備外觀。

第三，換熱器焊縫的焊接參數(shù)如表4所示。

第四，焊后檢測(cè)。換熱管與管板的焊縫是檢測(cè)的重點(diǎn)，經(jīng)檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)焊穿的管口，焊縫表面無(wú)咬邊、氣孔、裂紋等缺陷，焊腳高度達(dá)到2.5～3.5mm，換熱管與管板焊縫如圖7所示。按《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》TSGR0004—2009要求，進(jìn)行3.04MPa水壓試驗(yàn)和2.1MPa氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，表明焊接質(zhì)量的可靠。

表4 焊接參數(shù)

圖6 管板施焊順序

圖7 換熱管與管板焊縫

3. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)換熱管與管板的焊接工藝附加評(píng)定試驗(yàn)和換熱器產(chǎn)品的施焊，結(jié)果表明，這樣制造出的換熱器設(shè)備保證了使用性能和安全性能。

[1]國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).NB/T47014—2011，承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[2]焊接材料、工藝及設(shè)備手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.