李曉丹

（江蘇中圣壓力容器裝備制造有限公司， 江蘇 南京 211100）

換熱器管頭內(nèi)孔焊技術(shù)始于上世紀70年代，當時受機加工能力和制造成本限制，其使用范圍相對較窄，隨著機加工設(shè)備的自動化和大型化發(fā)展，制造成本隨之降低，越來越多的化工企業(yè)希望通過改進換熱器管頭焊接結(jié)構(gòu)來提高某些苛刻工況下作業(yè)的換熱器設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命，內(nèi)孔焊因其自身所具備的優(yōu)良承載結(jié)構(gòu)優(yōu)勢得到了充分發(fā)揮。我司于2012年開始致力于內(nèi)孔焊技術(shù)的開發(fā)和工程應(yīng)用，多次應(yīng)用于國標和ASME標準設(shè)備，在多年的實際生產(chǎn)制造中總結(jié)出一整套優(yōu)良成熟的管頭內(nèi)孔焊技術(shù)，并于2017年受某大型化工企業(yè)委托，成功開發(fā)出內(nèi)孔焊零泄漏焊接技術(shù)，運用該技術(shù)制造的換熱器設(shè)備至今已成功運行2年，無管頭泄漏。本文對該技術(shù)研究成果進行總結(jié)，以便為同類型設(shè)備的制造提供技術(shù)支持。

1 各類管頭形式的適用范圍和特點

換熱器常用管頭焊接接頭形式有強度焊、強度脹、強度焊+貼脹、內(nèi)孔焊[1]，其結(jié)構(gòu)形式及特點對比見表1。

表1

圖1

圖2

圖3

圖4

從以上各種焊接接頭形式的適用范圍，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔焊具有承載好，抗振動，耐疲勞，無間隙腐蝕的優(yōu)點，是苛刻工況和高參數(shù)工況的最佳選擇。

2 內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)形式的選擇和坡口尺寸的確定

2.1 內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)形式的選擇

GB/T 151-2014《熱交換器》介紹了以下四種內(nèi)孔焊管頭結(jié)構(gòu)，見圖5，其中(a)、(b)為全部對接形式，(c)、(d)為準對接形式。

全對接形式采用等厚對接連接，可以獲得最大的連接強度，承載能力高，應(yīng)力集中小，抗疲勞能力強，接頭質(zhì)量高，便于貼片進行RT射線檢測，確保接頭安全可靠，有效保證設(shè)備的穩(wěn)定運行[2]。

準對接形式管板接頭加工和裝配比較容易，但受力狀況不如全對接形式。

圖5

為了在保證焊接質(zhì)量的同時，提高換熱管對中準確性和裝配的便利性，我司通過多次焊接模擬試驗，對此焊接結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化處理，見圖6（圖中尺寸僅為示例），此方案在管板孔凸臺處機加出寬度0.5mm，深度0.65mm的限位孔臺，在組裝過程中能夠精準定位換熱管，提高管板孔與換熱管的對中效果，同時，限位孔臺在施焊過程中可自熔以保證全焊透。

2.2 坡口尺寸和焊接工藝的確定

圖6

換熱管與凸臺的對接焊縫通?？刹捎面u極氬弧焊自熔，開坡口填絲焊，以及自熔+填絲焊。采用何種方法以及具體開多大的坡口，需考慮以下因素：

（1）母材及焊材的焊接特性，并充分考慮熔池金屬黏稠度，以選擇合適的焊接方法。通常情況下，熔池金屬黏稠度越高，電弧推動熔池前進的效果就越差，仰焊位置易造成焊縫燒穿，此時，選擇一道自熔+一道填絲焊更為合理。

（2）換熱管的規(guī)格和厚度，厚度越大，焊接量越大，需根據(jù)不同的規(guī)格設(shè)計不同的坡口并匹配適當?shù)暮附与娏鳌?/p>

由于材料種類繁多，內(nèi)孔焊坡口尺寸及焊接工藝需通過多組模擬焊接實驗方可最終確定，除了考慮以上因素外，電流大小、熱輸入量、焊接速度、鎢極走向、保護氣體對電弧穿透力的影響等，也對焊縫成型效果有重要影響，焊接工藝方案制定時應(yīng)一并考慮。

我司通過多年的摸索和實踐，已掌握不銹鋼、鎳基合金、多種有色金屬的內(nèi)孔焊技術(shù)，換熱管直徑和厚度可達OD51×4mm，由于換熱管規(guī)格和材質(zhì)各不相同，本文不做具體闡述。

3 內(nèi)孔焊管頭焊接

3.1 焊前準備

施焊前的準備工作是整個焊接過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，準備不充分會直接影響焊接質(zhì)量，導(dǎo)致后期泄漏試驗或射線探傷不合格，且此類管頭返修難度大，故宜在準備階段充分考慮可能出現(xiàn)的缺陷，搭建專用的工作平臺并制定方案加以控制，主要準備工作如下：

（1）導(dǎo)電軸芯和鎢極定制及焊機調(diào)試

導(dǎo)電軸芯和鎢極為內(nèi)孔焊機重要零件，管板越厚，軸芯就越長，其精度要求越高，應(yīng)根據(jù)管板厚度定制以滿足焊接需要；導(dǎo)電軸芯和鎢極組裝后，焊機（內(nèi)孔焊原理圖見圖7[3]）應(yīng)按照焊接工藝反復(fù)模擬試驗，并修正焊接參數(shù)，以確保達到最佳焊接效果。

圖7

（2）焊接環(huán)境的保護和管頭處理

內(nèi)孔焊設(shè)備通常用于苛刻和高參數(shù)工況，換熱管材質(zhì)多為不銹鋼和有色金屬，必須保證施焊環(huán)境清潔，避免金屬離子污染使材料耐腐蝕性能和力學(xué)性能下降。

管頭必須機加平齊，內(nèi)外無翻邊無毛刺，換熱管內(nèi)壁端部10～20mm拋光處理，拋光應(yīng)均勻，去除所有氧化層，且不得過度減小換熱管壁厚，以免破壞管板孔臺與換熱管同心度。

換熱管應(yīng)逐根吹掃，清除內(nèi)部灰塵，保證換熱管中通狀態(tài)，防止焊接時內(nèi)部熱氣體散不盡導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)氣泡或鼓包缺陷。

3.2 內(nèi)孔焊過程要點

（1）引管

內(nèi)孔焊由于其特殊的結(jié)構(gòu)形式，基本上只能應(yīng)用于U形管，浮頭式等類似有獨立管束的換熱器，一旦焊接完畢，返修困難，故必須在正式焊接之前將所有換熱管引管就位，確保每根換熱管都可以精準定位，之后將所有換熱管向后退出一段距離，以保證足夠的操作空間。

（2）管頭焊接順序

管頭的焊接宜以列為單位從中間向外依次焊接，每列焊完之后應(yīng)立即逐根進行氦檢，如有附加射線檢測要求亦應(yīng)在每排焊完之后進行，若全部焊完后進行泄漏試驗和射線檢測，一方面沒有操作空間，另一方面，若檢出缺陷無法返修。

（3）焊接工藝的執(zhí)行

焊接參數(shù)，包括電流大小，熱輸入量，焊接速度，焊接方向和順序等，必須嚴格按照焊接工藝文件執(zhí)行。

（4）焊縫成形控制

焊縫成形應(yīng)美觀、無氣泡、無鼓包、無過度氧化等明顯缺陷，見圖8焊接成形示例。

圖8

3.3 檢驗

內(nèi)孔焊的管頭檢測通常包括VT、PT、RT和泄漏檢測，其中VT、PT和泄漏檢測為常規(guī)檢測要求，檢測方便，但RT對于內(nèi)孔焊焊縫來說并非國家規(guī)范強制要求，是否執(zhí)行需慎重考慮。

RT作為一項可靠的檢測手段，可以有效地檢測出焊縫內(nèi)部缺陷，但對于大型換熱器而言，換熱管數(shù)量多達成千上萬，100%RT會帶來極大的檢測成本和時間成本，所以，不論是客戶還是制造廠，對于RT要求的提出和執(zhí)行都應(yīng)理性考慮，對于工況苛刻的設(shè)備宜進行RT抽檢。

內(nèi)孔焊每焊接一排，通常VT檢查合格，然后需要進行氦檢，合格后再焊接下一排，氦檢的特殊檢測工裝一定要做好（兩端的橡膠密封圈密封性能要好）。簡圖如圖9。

圖9

氦檢儀的使用環(huán)境溫度為≥15.6℃，如果不達標需要對氦檢儀進行保溫，建議在清零狀態(tài)下檢測，提高檢測靈敏度，上下來回檢測兩次來保證不發(fā)生漏檢。

要實現(xiàn)真正意義上的內(nèi)孔焊零泄漏，必須認真做好前期準備工作，嚴格執(zhí)行工藝文件，做好每道工序的檢驗工作。

4 結(jié)語

內(nèi)孔焊接頭具有良好的單向受力結(jié)構(gòu)、抗疲勞、抗應(yīng)力腐蝕、無間隙腐蝕，適用于苛刻、高參數(shù)工作環(huán)境。隨著我國機加工水平的提高，內(nèi)孔焊的制造成本逐漸降低，為內(nèi)孔焊技術(shù)提供了更廣泛的應(yīng)用空間，本文總結(jié)了我司內(nèi)孔焊零泄漏技術(shù)要點，對內(nèi)孔焊的特點、加工、焊接、檢驗等技術(shù)要點進行了介紹，可供國內(nèi)制造廠商和相關(guān)單位參考，以共同提高內(nèi)孔焊設(shè)備制造水平。

◆參考文獻

[1] 陳石. 螺桿鉆具失效原因分析與技術(shù)對策探討[J].石油和化工設(shè)備，2019，22(11)：57-58.

[2] 廖貴鵬，趙廣慧，梁政，等. 螺桿鉆具傳動軸接頭表面裂紋斷裂性能研究[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2020，37(1)：258-264+486.

[3] 邱自學(xué)，王璐璐，徐永和，等. 頁巖氣鉆井螺桿鉆具的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].鉆采工藝，2019，42(2)：36-37+48+3.