劉 昕1，伍 硯，趙天波，文羽軍

(1.中石化武漢分公司，武漢 430000；2.湖北長江石化設(shè)備有限公司，湖北洪湖 433226)

0 引言

換熱器管束是換熱器的核心組成部分，換熱管與管板的焊接為制造的關(guān)鍵工序，其焊接質(zhì)量的好壞直接決定換熱器設(shè)備能否平穩(wěn)運(yùn)行。國內(nèi)對換熱管與管板的焊接大多采用自動(dòng)脈沖TIG焊，其優(yōu)點(diǎn)是效率高、操作穩(wěn)定性強(qiáng)。但目前國內(nèi)對換熱管與管板的焊接大多采用單邊V形深坡口，根部由于電弧的“可達(dá)性”較差，難以送絲，常產(chǎn)生未焊透等缺陷，焊接質(zhì)量難以保證；由于設(shè)備運(yùn)行時(shí)殼程換熱管會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，極易在根部產(chǎn)生未焊透部位裂紋并擴(kuò)展，成為換熱器管與管板焊縫在設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生泄漏的主要根源。

為此，筆者對換熱管與管板采用J形坡口結(jié)構(gòu)[1]，在不同的焊接工藝組合下進(jìn)行試驗(yàn)研究[2]，對結(jié)果進(jìn)行分析對比，優(yōu)選出手工鎢極氬弧焊M-GTAW打底焊+脈沖TIG相結(jié)合的焊接工藝。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫中氣孔極少，未出現(xiàn)未焊透缺陷，極大地提升了焊縫的質(zhì)量。本文介紹其焊接試驗(yàn)過程，以供同行借鑒。

1 設(shè)備簡介

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

硫冷凝冷卻器結(jié)構(gòu)主要由管箱、管束、殼體三部分組成[3]，管板與管箱及殼體皆采用焊接形式連接為一個(gè)整體。換熱管為?38 mm×3.5 mm的10#鋼，管板為Q345R厚鋼板[4-5]，該設(shè)備對管與管板的焊縫要求高，因?yàn)樵摬课灰坏┌l(fā)生泄漏，直接影響裝置的安全運(yùn)行，且設(shè)備失效后維修難度也非常大。

1.2 設(shè)備主要制造特點(diǎn)及難點(diǎn)

該硫冷凝冷卻器設(shè)備管殼程設(shè)計(jì)溫度相差180 ℃，在設(shè)備運(yùn)行過程中，換熱管與管板焊接接頭承受著較大的溫差應(yīng)力，而管板較薄，脹接對換熱管與管板連接起到的效果較弱，因此，需對換熱管與管板焊縫坡口加深[6]。

通常換熱管與管板角焊縫采用單邊V形坡口，如深度較大時(shí)，焊縫根部不可避免出現(xiàn)未焊透。為該設(shè)備設(shè)計(jì)的J形坡口，使電弧有很好的“可達(dá)性”，徹底解決以上難題。單邊V形坡口和J形坡口焊縫分別如圖1，2所示，單邊V形坡口根部會(huì)出現(xiàn)未焊透；另外由于單邊V形坡口根部應(yīng)力集中系數(shù)(缺口軸向峰值應(yīng)力/缺口軸向平均應(yīng)力)高達(dá)3.99，遠(yuǎn)高于J形坡口，因此J形坡口抗疲勞裂紋能力要遠(yuǎn)強(qiáng)于單邊V形坡口[7-8]，從而更好地保證焊接質(zhì)量。

圖1 單邊V形坡口焊縫示意

圖2 J形坡口焊縫示意

2 換熱管與管板J形坡口焊接試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)項(xiàng)目

表1 焊接工藝試驗(yàn)項(xiàng)目

換熱管與管板焊接接頭選擇同材質(zhì)、同規(guī)格的換熱管及管板進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，依據(jù)圖樣，換熱管材料10#，規(guī)格為?38 mm×3.5 mm，管板材料Q345R，規(guī)格為300 mm×300 mm×δ50 mm。為優(yōu)選換熱管與管板J形坡口的焊接工藝，筆者對4個(gè)焊層選用3種不同的焊接組合，見表1。

2.2 焊前準(zhǔn)備

(1)按GB/T 151—2014《熱交換器》[9]表8-2進(jìn)行管孔加工，管孔排列分布圖見圖3，直徑、倒角、粗糙度等要求見圖4。

(2)對管板管孔、管板焊接面、換熱管與管板連接端(至少長度15 mm)進(jìn)行機(jī)械清理，要求呈現(xiàn)出金屬光澤[10]，換熱管端口要求加工平齊。

圖3 管孔分布示意

圖4 管孔加工示意

(3)穿管前，采用丙酮等化學(xué)清洗劑對管板管孔、管板焊接面及換熱管管端內(nèi)外表面進(jìn)行清洗，保證焊接部位的清潔度，然后對換熱管與管板進(jìn)行組裝。

(4)施焊前，對焊接區(qū)域再次采用丙酮等化學(xué)清洗劑對焊接區(qū)域進(jìn)行清洗，去除水、固體顆粒等影響焊接質(zhì)量的雜物。按預(yù)先擬定的焊接工藝對其進(jìn)行焊接，換熱管與管板強(qiáng)度焊接形式如圖5所示。

圖5 換熱管與管板強(qiáng)度焊接形式

2.3 焊接工藝參數(shù)

(1)試驗(yàn)P0924A采用脈沖鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接，除第1層外均為填絲焊，焊接工藝參數(shù)如表2所示[11-12]。

表2 試驗(yàn)P0924A焊接工藝及參數(shù)

(2)試驗(yàn)P0924B采用脈沖鎢極氬弧焊全部填絲的焊接工藝，焊接工藝參數(shù)見表3[11-12]。

表3 試驗(yàn)P0924B焊接工藝及參數(shù)

表4 P0924C焊接工藝及參數(shù)

(3)試驗(yàn)P0924C采用M-GTAW焊與脈沖TIG焊相結(jié)合的焊接工藝，具體焊接工藝參數(shù)如表4所示[11-12]。

2.4 焊后無損檢測

(1)焊接后的試板如圖6所示。焊接完成后對管頭焊縫按NB/T 47013.5進(jìn)行100%PT檢測,試驗(yàn)P0924A,P0924B及P0924C在焊縫表面皆未見任何缺陷。

圖6 焊接后試板照片

(2)采用微焦點(diǎn)棒陽極X射線管對管頭焊縫按NB/T 47013.2進(jìn)行100%射線檢測[13]。試驗(yàn)P0924A,P0924B及P0924C各檢測11個(gè)管頭焊縫，其射線檢測結(jié)果見表5。

表5 試驗(yàn)P0924A，P0924B，P0924C的100%RT檢測結(jié)果

(3)參照文獻(xiàn)[14]的射線照相方法，如圖7所示。將部分試樣加工到8 mm進(jìn)行射線檢測，射線底片如圖8所示，本次射線結(jié)果與表6檢測結(jié)果基本吻合。

圖7 換熱管與管板焊接后射線照相方法

圖8 射線照相底片

2.5 宏觀金相檢驗(yàn)

對試驗(yàn)P0924A,P0924B及P0924C試板的焊接接頭進(jìn)行宏觀金相檢驗(yàn)[15]，宏觀金相試樣照片見圖9，圖中顯示試驗(yàn)P0924A,P0924C的根部焊透性較好，試驗(yàn)P0924B根部存在輕微倒三角形式的未焊透。

圖9 宏觀金相試樣

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從表6中可看出，試驗(yàn)P0924A,P0924B及P0924C試樣焊縫內(nèi)部皆有氣孔缺陷產(chǎn)生，但試驗(yàn)P0924C試樣相比試驗(yàn)P0924A,P0924B試樣焊縫，由于根部先采用M-GTAW自熔，再采用打底M-GTAW打底，防止了焊接保護(hù)氣體在根部產(chǎn)生紊流，因此試驗(yàn)P0924C試樣中氣孔缺陷數(shù)量最少。

試驗(yàn)P0924B試樣焊縫根部未進(jìn)行自熔，而采用焊絲打底。由于底部空間較小，電弧擺動(dòng)困難，熔化的鐵水未能充分熔化坡口根部，因此產(chǎn)生了未焊透缺陷，且未焊透出現(xiàn)幾率高達(dá)45%。

試驗(yàn)P0924A,P0924C采取根部自熔技術(shù)，電弧的熱量不用熔化焊絲，全部作用到坡口的根部，熔合良好，沒有產(chǎn)生未焊透缺陷，表明根部自熔技術(shù)對管與管板的焊縫質(zhì)量至關(guān)重要。因此在正式產(chǎn)品焊接時(shí)，先采用M-GTAW自熔，第2層為M-GTAW填絲焊接，第3，4層采用機(jī)動(dòng)鎢極脈沖氬弧焊。但焊接過程中還需與焊接電流密切配合，如焊接電流過大易產(chǎn)生氣孔甚至將換熱管擊穿，焊接電流過小易造成未焊透、未熔合等缺陷。

4 結(jié)論

(1)為更好地保證管與管板焊縫根部焊透，坡口宜采用J形坡口，避免換熱器運(yùn)行時(shí)因換熱管振動(dòng)產(chǎn)生根部裂紋并擴(kuò)展而失效。

(2)從工藝試驗(yàn)結(jié)果看，對于大管徑J形坡口的管-管板焊縫，采用M-GTAW打底加脈沖TIG填充的方法好于全部采用脈沖TIG焊，可有效減少焊接氣孔等圓形缺陷的數(shù)量；為避免根部的未焊透，第1層應(yīng)采用自熔焊接技術(shù)。

(3)通過對換熱管與管板強(qiáng)度焊接接頭的大量焊接工藝試驗(yàn)，確定了硫冷凝冷卻器換熱管與管板強(qiáng)度焊接方法組合及合適的焊接工藝參數(shù)，保證了本臺產(chǎn)品的焊縫質(zhì)量。