陶彥文，朵元才，杜金濤，劉建平，牛步娟，張建曉

(1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，蘭州 730087；

0 引言

換熱器在石油化工、醫(yī)藥、核電、軍工等工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用[1-3]，其結(jié)構(gòu)類型也多種多樣，其中管殼式換熱器是普遍用到的一種換熱器[4]。其失效主要發(fā)生在換熱管與管板接頭的部位，所以接頭是管殼式換熱器設(shè)計(jì)與制造最關(guān)鍵的點(diǎn)之一[5]。目前，換熱管與管板的焊接接頭大都采用了換熱管伸出管板、縮入管板或與管板平齊的角接形式[6]。以上這幾種端部焊接的形式換熱管都是伸入管板里面的，雖然進(jìn)行了脹接，但管板與換熱管之間還是存在間隙，一方面脹接是在外力的作用下?lián)Q熱管發(fā)生塑性變形的過程，在此過程中也存在彈性變形，脹接緊的換熱管與管板會(huì)有一定量的回彈；另一方面，設(shè)備在高溫高壓的環(huán)境運(yùn)行過程中存在震動(dòng)，使脹緊的換熱管與管板松動(dòng)，從而產(chǎn)生間隙。殼程中的介質(zhì)在這個(gè)間隙位置存在濃度差，會(huì)形成微電池，從而引起間隙腐蝕。再者，殼程介質(zhì)中的Cl-在這個(gè)間隙中積聚，而且貼脹后存在應(yīng)力，在應(yīng)力的作用下加快了換熱管與管板接頭的腐蝕。正是因?yàn)檫@樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，換熱器頻頻發(fā)生泄漏事故，而內(nèi)孔對(duì)接形式的焊接接頭具有很多優(yōu)于端部焊加脹接的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步開始應(yīng)用[7-9]。

1 產(chǎn)品概況

某重質(zhì)原油改制項(xiàng)目的轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器，管板材料為15CrMoⅣ，換熱管材料為15CrMo，采用兩種不同規(guī)格的直管，管板中心部位分布有19根?70 mm×5 mm的換熱管，周圈分布有199根?33.4 mm×3.4 mm的換熱管，管程進(jìn)口端工作溫度850 ℃，設(shè)計(jì)壓力3.3 MPa，介質(zhì)為高溫高壓、易爆的轉(zhuǎn)化氣。因此，設(shè)計(jì)要求管程進(jìn)口端管板與換熱管的焊接接頭采用內(nèi)孔對(duì)接全焊透的結(jié)構(gòu)，并且焊縫需要逐根進(jìn)行100%RT檢測(cè)及水壓試驗(yàn)。圖1示出換熱管在管板上的結(jié)構(gòu)分布，圖2示出不同規(guī)格換熱管與管板的裝配焊接節(jié)點(diǎn)。

圖1 換熱管在管板上的結(jié)構(gòu)分布示意

(a)?70 mm×5 mm換熱管

2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

2.1 焊接設(shè)備

目前，換熱管與管板絕大多數(shù)連接方式為端部焊加脹接的形式，國(guó)內(nèi)對(duì)于內(nèi)孔對(duì)接焊專用焊機(jī)的研發(fā)、制造處于摸索階段，為此與國(guó)內(nèi)某公司合作開發(fā)內(nèi)孔對(duì)接焊專用焊機(jī)。該焊機(jī)由操作機(jī)架、數(shù)控氬弧焊機(jī)、控制系統(tǒng)和內(nèi)孔焊專用焊接機(jī)頭等組成，數(shù)控氬弧焊機(jī)能夠輸出焊接所需的脈沖電流，并能精確控制電流的大小以及輸出時(shí)間，焊接過程非常穩(wěn)定，配用內(nèi)孔焊專用機(jī)頭完成對(duì)換熱管與管板內(nèi)孔對(duì)接的自動(dòng)焊接。焊接機(jī)頭由2個(gè)獨(dú)立的機(jī)頭組成，?33.4 mm×3.4 mm的換熱管與管板由自熔焊機(jī)頭一次性完成單面焊雙面成型焊接；?70 mm×5 mm的換熱管與管板首先由自熔焊機(jī)頭一次完成單面焊雙面成型，再由填絲焊機(jī)頭完成填絲蓋面?？梢愿鶕?jù)換熱管內(nèi)徑的大小更換相應(yīng)的機(jī)頭來實(shí)現(xiàn)各種尺寸的焊接。

2.2 試件加工

對(duì)于?70 mm×5 mm的換熱管，由于其壁較厚，不開制坡口很難焊透，故開制坡口的角度α和鈍邊尺寸L的大小是影響一次性焊透的重要因素。坡口角度α選擇30°，45°兩種，鈍邊L選擇1.5,1.8,2 mm三種尺寸，加工成6種規(guī)格的試件分別進(jìn)行試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果來得到最佳的焊接參數(shù)、坡口角度以及鈍邊尺寸，如圖3(a)所示。對(duì)于?33.4 mm×3.4 mm的換熱管，由于其內(nèi)徑小，很難在狹小的空間內(nèi)完成填絲焊，所以不開制坡口，采用自熔焊接單面焊雙面成型，如圖3(b)所示。

(a)?70 mm×5 mm換熱管

該產(chǎn)品的管板是由鍛件整體加工而成的，而試驗(yàn)用管板是由2塊厚度δ=30 mm、材料為15CrMoR的板與兩種規(guī)格的換熱管共同組成。一塊管板上鉆有?34 mm的孔，將長(zhǎng)度為45 mm的?33.4 mm×3.4 mm的換熱管穿入管板內(nèi)，一端與管板一側(cè)平齊，用手工鎢極氬弧焊點(diǎn)焊，裝配成與產(chǎn)品管板結(jié)構(gòu)形式一樣的試驗(yàn)管板;另外一塊管板上鉆有?70.60 mm的孔，將長(zhǎng)度為45 mm的?70 mm×5 mm的換熱管按上述方法裝配成另一塊試驗(yàn)管板。這樣既可以保證與圖紙要求相同，又方便試件的理化性能檢測(cè)。

2.3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

2.3.1 焊槍定位

為了保證在盲焊時(shí)鎢極尖端正好處于待焊處，在焊槍上裝了定位環(huán)，焊接?70 mm×5 mm與?33.4 mm×3.4 mm的換熱管時(shí),分別采用與各自尺寸相匹配的定位環(huán)，如圖4所示。定位環(huán)前端突起部分的外徑正好等于管孔的內(nèi)徑，將定位環(huán)前端插入管孔內(nèi)與管板面貼合，管板貼合面到鎢極的距離正好是焊縫中心距管板面的距離。施焊時(shí)，槍頭必須與管板端面垂直，保證焊槍沿圓周方向轉(zhuǎn)動(dòng)過程中離焊縫表面的距離是一致的。

圖4 內(nèi)孔焊示意

2.3.2 背面保護(hù)

為了保證背面焊縫質(zhì)量，在焊接時(shí)焊縫背面應(yīng)采用氬氣保護(hù)。為此制作兩種規(guī)格且操作簡(jiǎn)便、適用性強(qiáng)的氬氣保護(hù)工裝，焊接時(shí)只需要將保護(hù)氣軟管接在通氣嘴上，然后用一個(gè)夾子將兩個(gè)瓣片保護(hù)罩夾在待焊區(qū)，再通入氬氣就可以進(jìn)行背面的保護(hù)。

2.3.3 試件焊接過程

施焊時(shí)，槍頭必須與管板端面垂直，保證焊槍沿圓周方向轉(zhuǎn)動(dòng)過程中離待焊處的距離是一致的，通過定位環(huán)來確定機(jī)頭伸入管板的深度，調(diào)節(jié)定位環(huán)的位置使它離鎢極尖的距離正好等于管板的厚度，這樣機(jī)頭伸入管孔里面后，定位環(huán)正好緊貼在管板上，此時(shí)鎢極的位置正好處在待焊位置的正上方，用調(diào)節(jié)螺絲調(diào)節(jié)鎢極離施焊位置的距離至施焊狀態(tài)，空轉(zhuǎn)一周，調(diào)試確保定位環(huán)與管板垂直且可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。在-300°左右方向起弧，這個(gè)位置方便焊工觀察背面的焊縫熔透情況，然后進(jìn)行自動(dòng)焊接，焊接完成抽出機(jī)頭，再進(jìn)行下一根的焊接。

對(duì)?70 mm×5 mm的換熱管，通過兩種不同坡口角度以及三種不同鈍邊尺寸的6種規(guī)格的試件進(jìn)行大量的焊接試驗(yàn)，最終確定換熱管開制坡口角度α=45°，鈍邊L=1.5～1.8 mm是最合理的，不僅可以焊透，而且焊縫成型美觀，也不影響后續(xù)的填絲蓋面焊。

對(duì)?33.4 mm×3.4 mm的換熱管，通過采用不同的參數(shù)進(jìn)行大量的焊接試驗(yàn)，最終確定了一個(gè)合理的焊接參數(shù)，焊接完成的試件背面完全焊透，而且焊縫成型美觀。

2.3.4 焊接工藝參數(shù)

由于管板與換熱管內(nèi)孔對(duì)接焊既是盲焊，又是全位置焊，焊接電流的大小及起弧初始角度直接影響焊縫的成型及焊透。焊接電流過大，可能在-240°～-300°的方位上會(huì)焊穿，在60°～120°的方位上會(huì)焊塌陷，起弧的角度設(shè)置在-300°左右的方向是最合理的，通過重疊時(shí)間及?；∠陆禃r(shí)間后，息弧位置在-240°左右的方位上，這樣就避免了由于重疊過熱而使焊縫塌陷。根據(jù)試驗(yàn)所得結(jié)果確定的焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

2.3.5 理化檢測(cè)

將焊接完成的兩種規(guī)格的試件按標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第2部分：射線檢測(cè)》進(jìn)行100%RT檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果合格。再進(jìn)行理化性能檢測(cè)，其化學(xué)成分見表2，物理性能檢測(cè)結(jié)果見表3，檢測(cè)結(jié)果均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 兩種規(guī)格試件的化學(xué)成分 %

表3 焊接接頭力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

3 生產(chǎn)應(yīng)用

采用試驗(yàn)所得的焊接工藝參數(shù)及坡口形式，對(duì)轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器上199根?33.4 mm×3.4 mm的換熱管和19根?70 mm×5 mm的換熱管與管板進(jìn)行了焊接，裝配及焊接過程中有以下質(zhì)量控制點(diǎn)。

(1)管板加工(如圖5所示)應(yīng)符合圖紙要求，管板上銑出的凸臺(tái)的內(nèi)外徑應(yīng)與換熱管的內(nèi)外徑保持一致且保證同心，坡口形式也應(yīng)保持一致，焊接裝配前管板內(nèi)側(cè)與換熱管連接的部位應(yīng)采用有機(jī)溶劑去除加工油污。

圖5 管板數(shù)控加工

(2)對(duì)?33.4 mm×3.4 mm的換熱管，按圖紙要求，用平管機(jī)對(duì)其管口端部進(jìn)行加工平齊(如圖6所示)，管口內(nèi)外表面至少20 mm長(zhǎng)的區(qū)域拋光打磨出金屬光澤。

圖6 換熱管端部加工平齊

(3)對(duì)?70 mm×5 mm的換熱管，加工時(shí)必須保證坡口形式及鈍邊要求，加工完成的坡口應(yīng)與管板上相對(duì)應(yīng)的坡口保持一致，管口內(nèi)外表面至少20 mm長(zhǎng)的區(qū)域拋光打磨出金屬光澤。

(4)為了保證焊接過程可以一次性熔透，而不產(chǎn)生任何缺陷，對(duì)換熱管與管板的對(duì)接位置加工及裝配精度要求非常高，應(yīng)保證管孔與對(duì)應(yīng)的換熱管的同心度，且應(yīng)保證換熱管與管板焊接部位的組對(duì)間隙≤0.2 mm，錯(cuò)邊量≤0.1 mm。裝配過程中采用手工鎢極氬弧焊在外側(cè)進(jìn)行點(diǎn)焊固定(如圖7所示)，相隔120°點(diǎn)焊1點(diǎn)，共點(diǎn)焊3點(diǎn)，點(diǎn)焊過程中不需要填絲，自熔點(diǎn)焊即可，盡可能保證焊點(diǎn)足夠小，不影響后續(xù)的焊接。

圖7 換熱管與管板裝配點(diǎn)焊

(5)采用對(duì)稱的方法焊接(如圖8所示)，首先焊接完成管板中心軸上的一排換熱管；然后進(jìn)行表面檢測(cè)及射線檢測(cè)；檢測(cè)合格后再逐根進(jìn)行水壓試驗(yàn)；水壓試驗(yàn)合格后，以中心軸上的一排為對(duì)稱軸，一次上下焊接兩排，焊接完成后進(jìn)行無損檢測(cè)以及水壓試驗(yàn)，以此類推。

圖8 對(duì)稱上下分別焊接

(6)如RT檢測(cè)不合格，當(dāng)缺陷產(chǎn)生在換熱管上部240°左右可見的范圍內(nèi)時(shí)，盡可能在外表面采用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)完按標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.2—2015進(jìn)行100%RT檢測(cè)合格。當(dāng)缺陷產(chǎn)生在換熱管下部120°左右不可見范圍內(nèi)時(shí)，采用專用鏜刀在鏜床上將焊縫割除，管板的端口用專用鏜刀進(jìn)行平齊，換熱管端口用平管機(jī)加工平齊，將加工完的端口按NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第5部分：滲透檢測(cè)》進(jìn)行100%PT檢測(cè)，合格后再按裝配要求進(jìn)行組對(duì)，并進(jìn)行再次焊接。

4 結(jié)語

換熱管與管板采用傳統(tǒng)的端部焊加脹接的接頭連接形式已經(jīng)很難滿足換熱器在高溫高壓腐蝕介質(zhì)中安全運(yùn)行[10-11]，內(nèi)孔對(duì)接焊作為一種最佳的連接方式已經(jīng)在廢熱鍋爐、轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器、余熱鍋爐等石油化工行業(yè)重要設(shè)備上得到應(yīng)用。但由于換熱管與管板的這種特殊的連接方式，給加工、裝配、焊接等環(huán)節(jié)都帶來了很大的困難[12-13]。相信隨著整個(gè)行業(yè)的不斷發(fā)展，換熱管與管板內(nèi)孔焊接所配套的焊接設(shè)備、加工設(shè)備等都會(huì)趨于自動(dòng)化、智能化，會(huì)極大地避免制造中的人為干擾因素，從而使得換熱管與管板的內(nèi)孔焊接技術(shù)應(yīng)用更加廣泛，操作更加簡(jiǎn)便[14]。