羊衣木 吳賢春

（四川科新機(jī)電股份有限公司）

傳統(tǒng)纏繞管式換熱器管板與換熱管的連接方式為換熱管外伸角接，此結(jié)構(gòu)本身有一定的局限性，角焊處有較大的應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生焊接接頭根部裂紋，焊接質(zhì)量難以保證；角焊后即便采用脹接（強(qiáng)度脹或貼脹），在高溫、振動(dòng)等工況下，也不可能避免縫隙腐蝕，脹接又為應(yīng)力腐蝕提供了條件；角焊焊接接頭在承受較大壓力波動(dòng)和溫度變化時(shí)， 容易在焊縫的根部產(chǎn)生疲勞裂紋，造成管端焊縫處泄漏；角接焊縫所受的是剪應(yīng)力，其承受力有限。 筆者采用無(wú)間隙對(duì)接接頭中的內(nèi)孔對(duì)接接頭結(jié)構(gòu)，有效避免了以上問(wèn)題的出現(xiàn)［1，2］。

1 換熱器結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)參數(shù)

纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 設(shè)備主要由球形封頭、管板、芯筒、筒體和換熱管組成，換熱管布置在芯筒與筒體之間的有限空間內(nèi)，換熱管按螺旋形狀逐層交替纏繞而成，相鄰兩層換熱管的纏繞方向相反，兩層換熱管之間用平墊條進(jìn)行隔離，形成殼程流體通道，每層換熱管采用管箍和異形墊條進(jìn)行固定， 換熱管的纏繞角度9°，管板（圖2）與換熱管采用對(duì)接接頭，并采用手工氬弧焊焊接。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 管板的結(jié)構(gòu)形式

纏繞管式換熱器換熱面積為24m2，換熱管規(guī)格為φ12mm×2.5mm， 設(shè)備的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 主要受壓部件的材料性能要求

2.1 管板

管板選用材料為S30408Ⅲ（鍛），該管板的熱處理狀態(tài)為固溶（1 010～1 150℃快冷），管板鍛件按標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3—2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第3 部分：超聲檢測(cè)》進(jìn)行100%檢測(cè)，達(dá)Ⅰ級(jí)合格， 管板的化學(xué)成分和力學(xué)性能均應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47010—2017 《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》的規(guī)定，其余項(xiàng)均按Ⅲ級(jí)鍛件進(jìn)行檢驗(yàn)、驗(yàn)收和復(fù)驗(yàn)。

管板的化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

管板的拉伸試樣采用GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1 部分： 室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中的R4 號(hào)試樣， 管板的拉伸試驗(yàn)復(fù)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 管板的化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)結(jié)果 wt%

表3 管板的拉伸復(fù)驗(yàn)結(jié)果

管板的沖擊試樣采用GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》 標(biāo)準(zhǔn)本體取樣，管板的沖擊試驗(yàn)復(fù)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4（設(shè)計(jì)要求值為：試驗(yàn)溫度-196℃，沖擊功值不小于41J）。

表4 管板的沖擊試驗(yàn)復(fù)驗(yàn)結(jié)果

2.2 換熱管

換熱管材料選用 S30408（06Cr19Ni10）高精度冷拔管，并經(jīng)1 010～1 150℃急冷熱處理；外徑偏差±0.1mm，壁厚偏差±0.2mm，不允許拼接；換熱管逐根進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力49.5MPa；換熱管的化學(xué)成分、力學(xué)性能（拉伸試驗(yàn)）、工藝性能（擴(kuò)口試驗(yàn)、 壓扁試驗(yàn)） 進(jìn)行復(fù)驗(yàn)均應(yīng)符合GB/T 13296—2013 《鍋爐、 熱交換器用不銹鋼無(wú)縫鋼管》的規(guī)定。

換熱管的化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 換熱管的化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)結(jié)果 wt%

在室溫環(huán)境下，再進(jìn)行換熱管的縱向拉伸性能復(fù)驗(yàn)，結(jié)果詳見(jiàn)表6。

表6 換熱管的縱向拉伸復(fù)驗(yàn)結(jié)果

換熱管的工藝性能復(fù)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7， 合格標(biāo) 準(zhǔn)為試樣擴(kuò)口、壓扁試驗(yàn)后不出現(xiàn)裂縫和裂口。

表7 換熱管的工藝性能復(fù)驗(yàn)結(jié)果

2.3 焊接材料

換熱管與管板間的焊接方式采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊，選用的焊接材料應(yīng)保證焊縫金屬的力學(xué)性能高于或等于相應(yīng)母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值，且應(yīng)保證 Cr、Ni、Mo 或 Cu 等主要合金元素的含量不低于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值。 焊絲牌號(hào)按照HG/T 20581—2011《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》和YB/T 5092—2005《焊接用不銹鋼絲》標(biāo)準(zhǔn)附錄B 進(jìn)行選擇， 焊絲牌號(hào)選H03Cr21Ni10Si（308L）。 焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表8。

表8 焊絲的化學(xué)成分 wt%

焊絲的力學(xué)性能參考GB/T 29713—2013《不銹鋼焊絲和焊帶》標(biāo)準(zhǔn)附錄A 中的值，復(fù)驗(yàn)時(shí)對(duì)該焊絲焊接的焊縫進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-196℃，沖擊功為 75、80、85J，焊絲的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 焊絲的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3 管板與換熱管的連接

換熱管與管板的連接接頭不僅應(yīng)具有良好的密封性， 還應(yīng)具有承受內(nèi)壓和熱應(yīng)力的能力，在某些特殊的工況下還應(yīng)具有較高的耐蝕性。 傳統(tǒng)換熱管與管板的焊接形式如換熱管外伸角接、換熱管內(nèi)縮角接、換熱管與管孔平齊端接都不可避免地存在一定的局限性。 而采用無(wú)間隙式接頭中的內(nèi)孔對(duì)接接頭就能有效避免上述局限性。 無(wú)間隙式內(nèi)孔對(duì)接接頭的優(yōu)點(diǎn)為：對(duì)接接頭焊縫承受的拉脫力與角接焊縫相比更大，能承受更高的壓力；焊接處殘余應(yīng)力小，不易產(chǎn)生焊縫根部裂紋，焊縫質(zhì)量可檢測(cè)；完全消除角接焊縫根部縫隙，避免縫隙腐蝕和提高抗應(yīng)力腐蝕能力；對(duì)接接頭焊縫的連接強(qiáng)度、 抗疲勞強(qiáng)度得到顯著提高，能承受更大的溫度和壓力波動(dòng)［3］。

3.1 連接形式

傳統(tǒng)換熱管與管板的連接方法主要有強(qiáng)度脹接、強(qiáng)度焊接和脹焊并用，這些連接方式都存在一定的局限性。

我國(guó)在20 世紀(jì)70 年代中期開(kāi)始對(duì)內(nèi)孔焊進(jìn)行試驗(yàn)和研究， 并在70 年代末期開(kāi)始應(yīng)用于核設(shè)備和電站設(shè)備上。 內(nèi)孔焊是將換熱管與管板的端部焊接改為管束內(nèi)孔焊接，從而能夠有效地克服傳統(tǒng)連接方式的不足之處。 但是，內(nèi)孔焊要求管板加工精度和裝配精度很高，提高了設(shè)備的造價(jià)；焊接時(shí)要求采用專(zhuān)用焊接設(shè)備和自動(dòng)化程度很高的焊接技術(shù)；焊縫出現(xiàn)不合格時(shí)，返修十分困難［4］。為了避免以上不足之處，筆者采用管板外坡口和換熱管對(duì)接，管板與換熱管的對(duì)接接頭形式如圖3 所示。

圖3 換熱管與管板的對(duì)接接頭形式

3.2 焊接參數(shù)

奧氏體不銹鋼的焊接接頭可能出現(xiàn)下述一種或多種問(wèn)題，如：焊接接頭的熱裂紋、焊接接頭的耐蝕性下降；焊接接頭的脆化，在實(shí)際焊接工藝方法的選擇及其焊接材料的匹配方面應(yīng)予以足夠的重視［5］。本工藝中，換熱管與管板的焊接采用手工鎢極惰性氣體保護(hù)焊， 且選用直流正接法，該焊接方法具有電弧穩(wěn)定、熱影響區(qū)窄、較強(qiáng)的局部熱輸入和獲得的焊縫窄而深。 同時(shí)采用純度為99.99%的氬氣以進(jìn)行焊縫保護(hù)，預(yù)熱溫度不小于5℃，道間溫度控制在5～150℃之間，氣體流量為10～12L/min，其他焊接參數(shù)見(jiàn)表10。

3.3 無(wú)損檢測(cè)

管板與換熱管的對(duì)接接頭按 NB/T 47013.2—2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2 部分：射線檢測(cè)》 標(biāo)準(zhǔn)中的雙壁雙影法進(jìn)行100%射線檢測(cè)， 經(jīng)檢測(cè)對(duì)接焊縫質(zhì)量全部達(dá)Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求；再按NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5 部分：滲透檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)對(duì)接焊縫質(zhì)量全部達(dá)Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表10 換熱管與管板的焊接參數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

在低溫高壓工況下，單股流纏繞管式換熱器的管板和換熱管最佳的連接方式——內(nèi)孔對(duì)接接頭的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

a.對(duì)接接頭焊縫承受的拉脫力與角接焊縫相比更大，承受的壓力更高，使用的范圍更加廣闊；

b.對(duì)接接頭焊接處殘余應(yīng)力小，不易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕環(huán)境， 而且對(duì)接處不易產(chǎn)生焊縫根部裂紋，焊縫質(zhì)量可檢測(cè)，焊縫出現(xiàn)不合格時(shí)，返修比較方便；

c.對(duì)接接頭完全消除了角接焊縫的根部縫隙，避免了縫隙腐蝕，提高了焊接接頭的抗腐蝕能力；

d.對(duì)接接頭的連接強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度都得到顯著提高，從而能夠承受設(shè)備在使用過(guò)程中出現(xiàn)更大的溫度和壓力波動(dòng)，即使在高溫、振動(dòng)等工況下，也能有效地避免在焊縫的根部產(chǎn)生疲勞裂紋，造成對(duì)接焊縫處泄漏；

e.對(duì)管板加工精度和裝配精度要求不是很高，設(shè)備的造價(jià)較低；

f.焊接時(shí)，不需要采用專(zhuān)用焊接設(shè)備，對(duì)自動(dòng)化程度要求不高。

筆者提出的低溫高壓工況下單股流纏繞管式換熱器管板和換熱管最佳連接方式和焊接方式，為單股流、多股流纏繞管式換熱器在其他特殊工況下管板與換熱管的連接方式和焊接方式提供了制造經(jīng)驗(yàn)和工藝參考。