鮑碧霞,王昌盛

(寧波明欣化工機(jī)械有限責(zé)任公司，浙江寧波 315202)

0 引言

銅制換熱器是電力、化工行業(yè)中常用的熱傳導(dǎo)設(shè)備，其制造難度大，質(zhì)量較難保證，在使用中易發(fā)生泄漏。由于銅和不銹鋼的物理性能差異性非常大，兩者間的可焊接性，傳統(tǒng)銅制換熱器管板與銅管連接方式主要為強(qiáng)度脹接，強(qiáng)度脹接的接頭密封性能主要取決于管板孔徑、溝槽寬度及深度，以及換熱管自身外徑，而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生偏差，換熱管與管板脹接時(shí)出現(xiàn)過(guò)脹、欠脹，導(dǎo)致設(shè)備在投入使用中發(fā)生泄漏。因此改進(jìn)的制造工藝十分必要。通過(guò)對(duì)某公司銅換熱器的制造，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最終確定采用強(qiáng)度焊+貼脹的新型制造工藝。

1 設(shè)備概況

該設(shè)備采用U形換熱管管束，按GB/T 151—2014《熱交換器》[1]進(jìn)行設(shè)計(jì)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示，管板與換熱管連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。

換熱管與管板焊接接頭型式不按比例，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，設(shè)備殼程、管程等主體材料如表2所示。

圖1 換熱器結(jié)構(gòu)示意

圖2 管板與換熱管連接示意

表1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

表2 設(shè)備主體材料

1)3為堆焊層厚度，mm

2 制造過(guò)程

2.1 工藝方案的制定

(1)方案1。強(qiáng)度脹一般要求管板表面硬度大于換熱管30HB為最佳狀態(tài)，但管板材料為S30408,銅管材料為TP1，材料S30408硬度遠(yuǎn)高于TP1，為驗(yàn)證強(qiáng)度脹是否能達(dá)到預(yù)期效果，進(jìn)行了第一組試驗(yàn)。采用?19 mm×1.2 mm銅管TP1，管板S30408，厚度45 mm。采用機(jī)械脹，脹度控制在6%～8%，按管壁減薄率理論計(jì)算脹后內(nèi)徑為17.06～17.11 mm進(jìn)行脹接，最終脹接各管口內(nèi)徑約17.15～17.24 mm，均為過(guò)脹。試驗(yàn)管板結(jié)構(gòu)如圖3所示。按TSG 21—2016[2]和GB/T 150—2011[3]進(jìn)行1.5 MPa水壓試驗(yàn)，在加壓過(guò)程中已出現(xiàn)泄漏，如圖4所示。初步判斷可能在試驗(yàn)制造過(guò)程中存在其他的影響因素，本次試驗(yàn)失敗?？紤]到此現(xiàn)象有可能在實(shí)際產(chǎn)品中出現(xiàn)，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，擬采用其他方法。

(2)方案2。借鑒其他單位制造經(jīng)驗(yàn)，擬在脹管前在銅管與管板間隙填塞金屬膠水，然后進(jìn)行強(qiáng)度脹。但對(duì)于這類金屬,膠水穩(wěn)定性無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，且對(duì)膠水在長(zhǎng)期高溫下使用是否穩(wěn)定存在顧慮。

(3)方案3。S30408管板與TP1銅管焊接+貼脹。采用ERNiCu-7氬弧焊焊絲進(jìn)行焊接，焊接中，在不填絲情況下，接頭無(wú)法熔合。填絲時(shí)，需把握較好的電弧角度和送絲角度才能實(shí)現(xiàn)管板接頭完全連接，操作難度非常大。在試驗(yàn)后仍有1/4的接頭存在泄漏，缺陷均為裂紋和未熔合。采用此方案，操作難度大，而且返修率較高。

圖3 試驗(yàn)用管板結(jié)構(gòu)示意

(a)裝配圖

(b)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

(4)方案4。在S30408管板上堆焊一層鎳基焊材，銅與鎳合金的可焊接性比與不銹鋼的好。試驗(yàn)采用在S30408管板上堆焊一層厚度4～5 mm的Ni307B，加工后有效厚度3 mm。試驗(yàn)坡口參考圖2，管板厚度(45+3) mm。進(jìn)行手工GTAW焊接和貼脹，水壓試驗(yàn)4 MPa時(shí)未發(fā)現(xiàn)接頭有泄漏，接頭密封性符合要求。同時(shí)為驗(yàn)證工藝性能和焊透性，按NB/T 47014—2011[4]進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定。S30408堆焊Ni307B,表面滲透檢測(cè)合格，側(cè)彎無(wú)裂紋，合格(見(jiàn)圖5)。換熱管管板接頭按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》附錄D進(jìn)行評(píng)定，焊接接頭表面滲透檢測(cè)合格，8個(gè)面宏觀金相檢驗(yàn)均合格，角焊縫厚度達(dá)到要求(見(jiàn)圖6)。

圖5 側(cè)彎試件

圖6 換熱管接頭照片

2.2 制造工藝的選取

對(duì)上述方案進(jìn)行分析，方案1：對(duì)強(qiáng)度脹要求極高，且須保證管板管孔、換熱管厚度、外徑在極嚴(yán)格的公差范圍內(nèi)，較難控制；方案2：對(duì)金屬膠穩(wěn)定性無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐；方案3：可行，但返修率較高；方案4：通過(guò)堆鎳銅管與管板焊接接頭較好的連接性，且通過(guò)了耐壓試驗(yàn)。因此選取方案4進(jìn)行制造，方案可行，且返修率較低。

2.3 產(chǎn)品制造工藝

實(shí)際制造過(guò)程中考慮整塊管板堆焊會(huì)發(fā)生變形，在管板毛坯表面預(yù)留高度3～4 mm的圓弧形凸臺(tái)。堆焊完成后，管板整體向凸臺(tái)方向變形，管板堆焊表面水平，如圖7所示。

圖7 管板堆焊方向及變形方向示意

堆焊時(shí)嚴(yán)格控制焊接方向，每圈焊道均為同心圓，且堆焊方向統(tǒng)一為順時(shí)針?lè)较?；堆焊完成后，表面進(jìn)行100%滲透，合格。對(duì)管板表面和背面進(jìn)行金加工、鉆孔、加工密封面，達(dá)到圖紙要求。不銹鋼與鎳焊接易形成熱裂紋，且在管板堆焊中，外徑方向變形加大，焊接應(yīng)力會(huì)加劇熱裂紋的產(chǎn)生。因此，手工堆焊Ni307B過(guò)程中，需嚴(yán)格控制道間溫度，堆焊1～2層；如發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生裂紋，需完全打磨去除缺陷后補(bǔ)焊[5-11]。

管板焊接接頭采用手工鎢極氬弧焊，不宜采用管板自動(dòng)焊。手工鎢極氬弧焊可靈活調(diào)節(jié)電弧高度、方向、送絲角度等，熔合較好；而管板自動(dòng)焊，當(dāng)裝配間隙偏大或偏小、管口端面不平整時(shí)極易造成未熔合，見(jiàn)圖8，9。完成后對(duì)管板角焊縫進(jìn)行100%PT，按NB/T 47013.5—2011評(píng)定合格，而后進(jìn)行貼脹。

圖8 手工鎢極氬弧焊試件

圖9 管板自動(dòng)焊試件

換熱器殼程、管程按照常規(guī)壓力容器產(chǎn)品進(jìn)行制作。

在S30408堆焊鎳基材料時(shí)，焊工需要按照TSG Z6002—2010《特種設(shè)備焊接操作人員考核細(xì)則》取得FeⅣ堆焊鎳基焊條資格；管板焊接接頭焊工需要取得FeⅣ與銅及銅合金相焊的焊接資格(填充焊絲類別為鎳及鎳合金焊絲)。

3 檢測(cè)及耐壓試驗(yàn)

按照?qǐng)D紙要求裝配設(shè)備殼程、管程，對(duì)換熱器殼程、管程分別進(jìn)行1.32，1.25 MPa耐壓試驗(yàn)，均合格，產(chǎn)品制造符合要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究成功完成了銅制換熱器的制作，主要采用強(qiáng)度焊+貼脹的新型工藝，其可操作性及穩(wěn)定性均得到提高，更好地保證了產(chǎn)品質(zhì)量。另外，銅制換熱器中采用強(qiáng)度焊+貼脹工藝，使銅管塑性變形較小，損壞較少，避免采用強(qiáng)度脹工藝時(shí)銅管在溝槽部位塑性變形較大而產(chǎn)生拉裂的現(xiàn)象。不銹鋼堆焊鎳基合金后與銅的可焊接性明顯改善，但不銹鋼堆焊鎳基合金焊材時(shí)，必須嚴(yán)格控制道間溫度(不宜超過(guò)150 ℃)。銅管與堆焊鎳基的管板宜采用手工鎢極氬弧焊，更易保證焊縫質(zhì)量。