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(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

制造技術(shù)

淺談黃銅熱交換器管束制造難點(diǎn)

苗剛，李樹勛，盧芳，劉永杰，楊蘭明

(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

熱交換器是煉油、煉化企業(yè)中的重要設(shè)備之一，換熱管束質(zhì)量直接影響熱交換器的整體質(zhì)量。熱交換器中換熱管常用的材質(zhì)包括碳素鋼、紫銅、黃銅和不銹鋼等。黃銅導(dǎo)熱系數(shù)較高、耐腐蝕且不易結(jié)垢，黃銅換熱設(shè)備可應(yīng)用于傳熱能力強(qiáng)、防腐、潔凈、高效等特定場合。黃銅熱交換器管束的制造難點(diǎn)在于換熱管管頭的焊接及應(yīng)力腐蝕的預(yù)防。通過實(shí)例探討了黃銅換熱管管束的焊接工藝及制造工藝，可為同類熱交換器的制造提供參考依據(jù)。

熱交換器； 管束； 黃銅； 焊接； 制造

銅是面心立方晶格結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率是鋁的1.5倍。純銅導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及延展性優(yōu)良，在特定環(huán)境中具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，是電子、化工、船舶、能源、動(dòng)力和交通等工業(yè)領(lǐng)域高效導(dǎo)熱和換熱管道、導(dǎo)電部件、耐腐蝕部件的優(yōu)選材料。

大多數(shù)國家都是根據(jù)化學(xué)成分對(duì)銅進(jìn)行分類，常用的銅及銅合金表面顏色區(qū)別很大，根據(jù)表面顏色可以分為純銅、黃銅、青銅及白銅。在銅中添加錫、鎳、鋁、硅等固溶合金元素，使其在加熱及冷卻過程中不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，可提高其耐蝕性、強(qiáng)度，并改善加工性能。此外，還可在銅中少量添加錳、磷、鉛、鐵、鉻和鈹?shù)任⒘吭兀鸬胶附舆^程中脫氧、細(xì)化晶粒和強(qiáng)化作用[1]。黃銅是熱交換器換熱管束常用材質(zhì)，文中對(duì)其制造難點(diǎn)及控制措施進(jìn)行簡要介紹。

1 熱交換器管束材質(zhì)經(jīng)濟(jì)性分析

熱交換器是煉油、煉化企業(yè)中的重要設(shè)備之一，換熱管束質(zhì)量直接影響熱交換器的整體質(zhì)量。熱交換器中換熱管常用的材質(zhì)包括碳素鋼、紫銅、黃銅和不銹鋼等，幾種換熱管材質(zhì)的性能見表1，具體使用壽命和相對(duì)價(jià)格見表2。

表1 換熱管材質(zhì)力學(xué)性能和物理性能

表2 換熱管材質(zhì)使用壽命和相對(duì)價(jià)格

由表1、表2可以知道，①碳素鋼具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和機(jī)械強(qiáng)度，熱膨脹系數(shù)較小，但其耐腐蝕、抗結(jié)垢性能差，容易在管壁上形成氧化腐蝕層，使壁厚減薄降低使用壽命，傳熱性能急劇下降。②紫銅T2的導(dǎo)熱系數(shù)高，但剛性和強(qiáng)度差，易磨損，價(jià)格較高。③不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)低，但具有較高的強(qiáng)度和抗腐蝕性能，其表面光滑，不易結(jié)垢或者雜質(zhì)不易沉積[2]。④黃銅H62、H68的導(dǎo)熱系數(shù)較高，耐腐蝕，不易結(jié)垢。

由于銅的標(biāo)準(zhǔn)電位比氧高，在一般碳溶液中不能置換出氫，故在大多數(shù)不含氧或空氣的非氧化性酸溶液中幾乎不被腐蝕。在含硫化氫的大氣中，隨著銅中含鋅量的增加，抗腐蝕性也增高，其對(duì)海水的耐腐蝕性很高。

與碳素鋼和不銹鋼設(shè)備相比較，黃銅制造的換熱設(shè)備可以應(yīng)用在傳熱能力強(qiáng)、防腐、潔凈、高效等特定場合，具有較高的經(jīng)濟(jì)性，是其它材料的設(shè)備無法取代的。

2 黃銅熱交換器管束制造難點(diǎn)分析

2.1焊接性能[3，4]

2.1.1難熔性

銅與鐵的部分物理性能參數(shù)見表3。銅的難熔性主要與其導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)和收縮率有關(guān)，焊件厚度越大，散熱越嚴(yán)重，越難達(dá)到熔化溫度。銅的線膨脹系數(shù)超過鐵的1倍，熔化狀態(tài)銅的表面張力比鐵小1/3，流動(dòng)性比鐵大1～1.5倍，焊縫成型難以控制。此外，大功率焊接規(guī)范的焊接熱影響區(qū)加寬。

表3 銅和鐵部分物理性能

2.1.2易產(chǎn)生熱裂紋

銅及銅合金中存在著氧、磷、硫、鉛以及鉍等雜質(zhì)元素，這些元素容易與銅生成多種低熔點(diǎn)共晶物，這些低熔點(diǎn)共晶物在結(jié)晶過程中分布在晶界和樹晶處，因此，銅及銅合金具有明顯的熱脆性，焊接過程中容易產(chǎn)生焊接熱裂紋。例如，熔煉過程中，危害性最大的氧元素以雜質(zhì)的形式存在于銅中，在軋制加工過程和焊接過程中都會(huì)以Cu2O的形式融入焊縫金屬中。

2.1.3易產(chǎn)生氣孔

在黃銅熔化焊過程中，產(chǎn)生氣孔的傾向很嚴(yán)重，遠(yuǎn)大于碳素鋼產(chǎn)生氣孔的程度。主要是氣體在液態(tài)銅中的溶解度很高，而銅的凝固時(shí)間短，使得產(chǎn)生氣孔的傾向大為增大，其中以氫直接產(chǎn)生的擴(kuò)散性氣孔為主。

2.1.4析出有害氣體多

黃銅為銅鋅合金，而鋅的燃點(diǎn)是420 ℃，沸點(diǎn)很低(通常為906 ℃)，在焊接過程中，鋅元素極易揮發(fā)，析出有害氣體，危害人體健康。

2.2應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是金屬在應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)聯(lián)合作用下的一種腐蝕破壞，其結(jié)果是使金屬產(chǎn)生腐蝕裂紋，并且迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致突然破壞。目前，許多壓力容器制造廠中對(duì)應(yīng)力腐蝕的認(rèn)識(shí)不夠，施工人員由于相關(guān)知識(shí)欠缺容易發(fā)生誤操作。黃銅管熱交換器發(fā)生應(yīng)力腐蝕，常出現(xiàn)在設(shè)計(jì)文件中要求有氨滲漏的設(shè)備中。

銅合金之所以具有良好的耐蝕性能，主要是添加了鋅、錳、錫、鎳、鋁等合金元素。銅合金焊接過程中合金元素不同程度的蒸發(fā)和燒損，是其耐蝕性能下降的主要因素。同時(shí)，如未能較好處理焊接過程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，焊接接頭在腐蝕環(huán)境中極易發(fā)生腐蝕破壞。

當(dāng)黃銅中Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于7%，尤其是大于20%時(shí)，冷加工的黃銅在潮濕的大氣且含氨環(huán)境中極易發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：Cu+nNH3+1/2O2+H2O=Cu(NH3)n2++2OH-，從而引發(fā)應(yīng)力腐蝕，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。黃銅熱交換器管束的應(yīng)力腐蝕主要發(fā)生在換熱管管頭、U形管的U形段及U形段與直管結(jié)合處。

3 黃銅熱交換器管束制造難點(diǎn)控制

3.1焊接方面

3.1.1焊接方法選擇

常用的銅及其合金的焊接方法有氣焊、焊條電弧焊和鎢極氬弧焊。氣焊及焊條電弧焊存在焊接變形大、工作效率低、焊縫成型差、焊接質(zhì)量難控以及操作環(huán)境差等問題，且對(duì)制造廠有地坑的要求，如后續(xù)對(duì)管束有脹接工藝要求，則脹管有一定的困難。相比這兩種焊接方法，鎢極氬弧焊則具有電弧穩(wěn)定、能量集中、保護(hù)效果好、熱影響區(qū)窄及操作靈活的突出優(yōu)點(diǎn)，完全符合焊接黃銅所需的大功率、高能束融焊熱源的特點(diǎn)，已經(jīng)逐步取代氣焊、焊條電弧焊，成為黃銅、其它銅及其合金焊接方法中應(yīng)用最廣泛的一種。

3.1.2焊絲選擇

硅青銅焊絲具有良好的可焊性，焊縫成型好，易于手工操作，焊縫質(zhì)量容易保證，不易產(chǎn)生氣孔、夾雜、咬邊、未熔合、未焊透等缺陷，同時(shí)滿足力學(xué)性能的要求，被廣泛應(yīng)用于銅鋅合金的焊接。常用的SG-CuSi3焊絲的導(dǎo)熱系數(shù)35 W/(m·K)、電導(dǎo)率3.5～4.0 m/(Ω·mm2)、抗拉強(qiáng)度Rm=350 MPa、延伸率不大于40%、硬度80 HB。

3.1.3預(yù)熱及層間溫度控制

焊接黃銅時(shí)，焊前一般不預(yù)熱，只有焊接厚度大于10 mm和邊緣厚度相差比較大的接頭時(shí)才需預(yù)熱。為防止產(chǎn)生裂紋、氣孔、未焊透等缺陷，焊前需對(duì)銅制熱交換器管束換熱管與管板進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度不高于150 ℃。焊接過程中保證層間溫度不高于270 ℃，以防止元素?zé)龘p嚴(yán)重。

3.2應(yīng)力腐蝕方面

應(yīng)嚴(yán)格按照GB/T 8890—2015《熱交換器用銅合金無縫管》[5]、GB/T 5231—2012《加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分》[6]技術(shù)要求進(jìn)行黃銅換熱管訂貨，提供消除應(yīng)力退火合格報(bào)告及曲線，并且按照GB/T 8890—2015進(jìn)行黃銅室溫縱向力學(xué)性能、擴(kuò)口、壓扁、液壓及內(nèi)應(yīng)力試驗(yàn)。

對(duì)冷彎U形管彎管段及至少包括150 mm的直管段進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，退火溫度為260～300 ℃，保溫1～3 h。應(yīng)當(dāng)逐根對(duì)冷彎U形管進(jìn)行水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)壓力為3.18 MPa，保壓時(shí)間不小于10 s。

管頭焊后應(yīng)加熱到300～400 ℃進(jìn)行退火處理[7]，以消除焊接應(yīng)力。

如果設(shè)備需要進(jìn)行氨滲試驗(yàn)，為防止在氨及銨鹽環(huán)境下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，可將氨滲試驗(yàn)安排在水壓試驗(yàn)前進(jìn)行。在充入氨氣前，應(yīng)當(dāng)清掃、吹干充氨管道以及熱交換器筒體中的水分、油污等雜物，并且在接管處放置干燥劑(如氧化鈣等)，然后向管道內(nèi)通入含氨約1%(體積分?jǐn)?shù))的干燥壓縮空氣，緩慢升壓到試驗(yàn)壓力后保壓10 min，合格后迅速用干燥空氣置換。水壓試驗(yàn)之后采用氣密試驗(yàn)檢查換熱管與管板脹接接頭的氣密性。試壓合格后將熱交換器內(nèi)部清掃、吹干，進(jìn)行沖氮，保持壓力0.02 MPa加以保護(hù)[8]。

換熱管管頭的脹接選用液壓脹接方式，脹接后管頭具有較好的拉脫力、極小的冷作硬化效果，幾乎不存在殘余應(yīng)力，工作效率較高。

4 黃銅熱交換器管束制造實(shí)例

某石化公司熱電廠需5臺(tái)熱交換器，設(shè)備管程介質(zhì)為海水。換熱管采用?225 mm×2.5 mm×9 000 mm的C68700鋁黃銅，管板采用10 mm/125 mm的C46400/SA-266M GR.2復(fù)合板。換熱管及管板覆層化學(xué)成分及力學(xué)性能見表4。

表4 換熱管及管板覆層化學(xué)成分及力學(xué)性能

4.1裝配

焊件裝配應(yīng)準(zhǔn)確，不得強(qiáng)行組對(duì)，以避免造成過大的應(yīng)力。采用機(jī)械方法加工坡口，加工后的坡口表面應(yīng)當(dāng)平整、光滑，不得有裂紋、分層、夾雜、毛刺、飛邊和氧化色。焊前應(yīng)對(duì)坡口尺寸進(jìn)行檢查，合格后方可施焊。換熱管和管板裝配的具體形式見圖1和圖2。

圖1 換熱管伸出長度及坡口示圖

圖2 換熱管與管板裝配示圖

4.2焊前準(zhǔn)備

必須將坡口表面及其兩側(cè)不少于30 mm范圍表面的水、油污清理干凈，最好用宣紙覆蓋在坡口兩側(cè)，以防止二次污染，同時(shí)起吸水作用。如表面清理后8 h之內(nèi)未焊，焊前應(yīng)重新清理。

焊絲表面可用不銹鋼絲刷或干凈的油砂紙擦洗，對(duì)表面氧化皮較厚的焊絲，焊前打磨后還需進(jìn)行化學(xué)清理。清理干凈的焊絲和焊件應(yīng)保持清潔和干燥，焊前嚴(yán)禁污染，否則應(yīng)重新進(jìn)行清理，局部污染可局部重新清理。

焊前需根據(jù)產(chǎn)品需求嚴(yán)格按照GB 150—2011《壓力容器》[9]、GB 151—2014《熱交換器》[10]、NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[11]、JB/T 4755—2006《銅制壓力容器》[12]、ASME第Ⅸ卷—2013《焊接和釬接評(píng)定》[12]等標(biāo)準(zhǔn)制定焊接工藝評(píng)定，評(píng)定合格之后方可進(jìn)行正常焊接。必須在焊接條件良好的情況下施焊，同時(shí)保障通風(fēng)良好，防止鋅元素?fù)]發(fā)。

4.3焊接工藝參數(shù)

該批黃銅換熱管束焊接采用鎢極氬弧焊，填充金屬為?2.0 mm的SG-CuSi3，電流極性AC，焊接電流130 A，焊接電壓14 V，層數(shù)1層，保護(hù)氣體氬氣的體積流量9 L/min。

按照上述工藝參數(shù)焊接的管板形貌見圖3。經(jīng)檢查，管板焊縫完全滿足文獻(xiàn)[1]以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的焊接要求，滲透檢測無氣孔、裂紋等缺陷，水壓檢驗(yàn)一次合格率達(dá)99%。經(jīng)過1 a的運(yùn)行，熱交換器運(yùn)行狀況良好。

圖3 管板焊接效果圖

5 結(jié)語

黃銅熱交換器管束的制造難點(diǎn)在于換熱管管頭的焊接及應(yīng)力腐蝕的預(yù)防，針對(duì)其制造特點(diǎn)，采購材料時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接過程中嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，焊后做好消除應(yīng)力退火處理。若有氨滲試驗(yàn)要求，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行文中方法，從而有效保證黃銅熱交換器管束的產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)例證明，按文中所述方法制造的熱交換器運(yùn)行狀況良好，可為同類銅及銅合金制熱交換器的制造提供參考。

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(ASME Ⅸ—2015，Welding，Brazing，and Fusing Qualifications[S].)

(張編)

ManufactureofBrassTubeBundlesofHeatExchangers

MIAOGang，LIShu-xun，LUFang，LIUYong-jie，YANGLan-ming

(Lanpec Technologies Limited， Lanzhou 730070， China)

The heat exchanger is one of the important equipment in oil refinery and petrochemical enterprises. The heat exchange tube quality will directly affect the overall quality of the heat exchanger. The materials including carbon steel， copper， brass and stainless steel etc.，are commonly used for the heat exchanger heat. Brass thermal conductivity is high，corrosion resistance and not easy to scale. The brass heat transfer equipment can be applied to heat transfer capacity，corrosion，clean，efficient and other specific occasions. The difficulty in manufacturing brass heat exchanger tubes in welding and prevention of stress corrosion of the heat exchange tube head. The welding technology and manufacturing process of brass tube bundle are discussed，which provides reference for the manufacture of the same kind of heat exchanger.

heat exchanger； tube bundles； brass； welding； manufacture

TQ051.506； TE965

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.007

1000-7466(2017)03-0031-05①

2016-12-06

苗 剛(1986-)，男，遼寧沈陽人，工程師，學(xué)士，主要從事壓力容器焊接試驗(yàn)及工藝工作。