羅永智，武靖偉，李義民，王志剛，王有銀，車文斌，厚喜榮，石慧君，龔 芳，王金霞

(1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，蘭州 730314;2.甘肅省壓力容器特種材料焊接重點實驗室培育基地，蘭州 730314)

0 引言

管殼式換熱器是石油、化工、核電領(lǐng)域中最常見的一種通用設備[1-4]，由于換熱管與管板焊接接頭長期承受加熱、冷卻以及介質(zhì)的腐蝕，換熱管與管板結(jié)構(gòu)的質(zhì)量直接影響著換熱器的安全和穩(wěn)定運行[5-6]，因此換熱管與管板的連接是制造過程中的關(guān)鍵程序[7]。常見換熱管與管板的焊接接頭形式有3種，即管端伸出式、平齊式和內(nèi)縮式接頭結(jié)構(gòu)[8]。內(nèi)縮式結(jié)構(gòu)與其他兩種常見接頭形式相比，其優(yōu)點是對于根部熔合質(zhì)量有改善，產(chǎn)品接頭射線檢測一次合格率較高，從而縮短了生產(chǎn)周期。對于立式換熱器的上管板應用，可有效避免積液現(xiàn)象，而且焊縫位于管程側(cè)，當殼程溫度過低時，可利用管程較高溫度對焊縫部位進行高溫保護，換熱管與管板接頭可承受更大的拉脫力，故常用于高溫高壓、振動、交變載荷和應力腐蝕等服役條件比較苛刻的工況[9-10]，但不足之處是手工焊接操作難度大，對焊工的技能水平要求較高[11]，需熟練掌握送絲技巧和控制熔池形狀及溫度[12-13]。

某裝置中間冷卻器為臥式結(jié)構(gòu)，設備及管箱結(jié)構(gòu)如圖1所示，管板與管箱筒體為一整體鍛件，管箱內(nèi)徑為805 mm，長度為1 105 mm，厚度為207.5 mm，管孔數(shù)量共計1 012。由于管箱空間狹小，焊工只能蜷縮在管箱筒體中進行焊接，同時管孔坡口角度小(單邊25°)，若選用焊接管頭的氬弧焊絲直徑較大(?2.0 mm)，換熱管與管板焊接時根部很難焊透，容易出現(xiàn)未熔合、未焊透等缺陷，因此如何保證換熱管與管板的焊接質(zhì)量成為該設備制造的關(guān)鍵。本文針對內(nèi)縮式結(jié)構(gòu)的板-管進行了大量的焊接試驗，以獲得最佳焊接工藝參數(shù)。

圖1 中間冷卻器簡圖

1 換熱管與管板結(jié)構(gòu)

中間冷卻器管板材料為SA-765 Gr.Ⅱ堆焊309MoL+316L型不銹鋼材料，堆焊層總厚度12 mm；換熱管采用?15.9 mm×3 mm的SA-213 TP316L型不銹鋼材料，換熱管長度為100 mm。換熱管與管板焊接采用內(nèi)縮式接頭設計結(jié)構(gòu)(見圖2)，坡口深度3.5 mm，坡口角度為25°，圖3示出管孔分布，相鄰兩換熱管中心距為20 mm。

(a)管板-換熱管結(jié)構(gòu)

圖3 管孔分布示意

2 試驗材料及試驗過程

2.1 試驗設備

采用手工鎢極氬弧焊(M-GTAW)進行焊接，焊接設備為型號ADP 400 的直流氬弧焊機，如圖4所示。

(a)電源

2.2 試驗材料

管板試件材料為SA-765 Gr.Ⅱ堆焊309MoL+316L，換熱管試件材料SA-213 TP316L，規(guī)格為?15.9 mm×3 mm，焊接所用的氬弧焊絲(直絲)為ER316L(?1.0 mm)。堆焊層、換熱管及焊絲的成分如表1所示。

表1 化學成分

2.3 試驗過程

待管板試件堆焊完畢并完成焊后熱處理(PWHT)后，按照圖5 所示加工坡口。焊前采用鋼絲刷清理換熱管與管板坡口處及附近區(qū)域的雜質(zhì)，并用無水乙醇擦拭換熱管、管孔及坡口表面，然后再進行裝配，采用M-GTAW進行點焊固定，并對管頭進行標記，標記如圖6所示。

(a)管板主視圖

圖6 管頭編號示意

試件采用M-GTAW進行焊接，其中氬氣純度≥99.99%，焊接參數(shù)見表2。

表2 管板與換熱管焊接工藝規(guī)范

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 內(nèi)縮深度對比結(jié)果分析

如圖5所示的換熱管-管板結(jié)構(gòu)中，管板側(cè)焊接坡口僅25°，相鄰換熱管最小間距為20 mm，換熱管內(nèi)縮深度為2.5 mm，試驗發(fā)現(xiàn)內(nèi)縮深度為3.5 mm時形成的焊接接頭比內(nèi)縮深度2.5 mm的接頭美觀，分析認為當內(nèi)縮深度為3.5 mm，保護氣流量為25～30 mm/L時，可以有效地解決孔橋間距小和坡口角度小而導致根部無法焊透的問題，能夠保證管接頭的焊接質(zhì)量[14-15]。

(a)首層填絲焊

3.2 改變打底焊工藝的對比試驗分析

換熱管與管板的打底焊接有自熔和填絲兩種方式，分別采用兩種焊接工藝進行對比試驗，焊縫宏觀圖片如圖7所示。

從圖7可以看出,采用首層填絲進行的焊接的焊縫表面(見圖7(a))存在未熔合現(xiàn)象，而采用首層自熔進行焊接的焊縫(見圖7(b))熔合良好且焊縫飽滿。經(jīng)PT檢測,兩種工藝下的管頭均未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等表面缺陷，但首層填絲下的接頭經(jīng)剖切后發(fā)現(xiàn)未熔合缺陷。分析原因為管孔坡口角度較小(25°)，首層填絲時焊絲不能伸至管頭根部，通過自熔后管板坡口會隨熱輸入的增加而增大，焊絲也將伸至管頭根部。焊縫根部未焊透是換熱管與管板接頭形式不允許出現(xiàn)的缺陷，它會造成應力集中，最終在拉伸載荷的作用下，將會成為裂紋的源頭，從而降低設備換熱性能。

3.3 無損檢測結(jié)果分析

對第1層自熔+3層填絲焊后的管板與換熱管接頭分別編號，宏觀形貌如圖8所示，再按NB/T 47013.5—2015進行100%PT檢測，焊縫表面未發(fā)現(xiàn)任何缺陷；其后采用X射線探傷儀對焊縫按NB/T 47013.2—2015進行100%RT檢測，10個焊接接頭焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋及未熔合缺陷，射線底片如圖9所示。

圖8 焊接接頭截面形貌

3.4 宏觀形貌分析

采用線切割機沿劃線部位(見圖8)橫向切割(按NB/T 47014標準附加試驗規(guī)定，缺少縱向切割對比過程，建議補充)，部分宏觀剖切圖如圖10所示，可以看出管頭剖切面未有現(xiàn)明顯缺陷及裂紋，同時對剖切面進行剖光、腐蝕，觀察并采用角焊縫測量儀測量所有管頭角焊縫厚度，測量結(jié)果如圖11所示。

圖9 管頭射線底片

圖10 管頭宏觀剖切面

圖11 試樣角焊縫尺寸

從圖11可以看出所有接頭的角焊縫厚度均大于0.9t(t為換熱管的名義厚度，t=3 mm)，滿足NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》的要求。

3.5 微觀組織分析

采用Olympus DX510顯微鏡對9#管-板焊接接頭剖切面進行金相分析，金相圖像如圖12所示，可以看出，焊縫與母材熔合良好，熱影響區(qū)晶粒較大，而焊縫區(qū)域晶粒細小，管板母材和換熱管母材均為奧氏體組織，分析原因為熱影響區(qū)與焊縫區(qū)均有少量的鐵素體析出。

圖12 管-板焊接接頭顯微組織

3.6 微觀硬度分析

使用維氏硬度儀分別對8#,9#,10#換熱管與管板焊接接頭和母材顯微硬度進行測量，每個區(qū)域取3個點求平均值，顯微硬度分布曲線如圖13所示?？梢钥闯?，換熱管母材硬度最低，焊縫部位硬度最高，熱影響區(qū)硬度介于二者之間，在數(shù)值上各個區(qū)域的硬度變化相差較大;焊縫區(qū)域的顯微硬度稍高于其他區(qū)域，分析原因為少量鐵素體的析出導致晶界強化，從而減少了有害雜質(zhì)的偏析。

3.7 應用情況

通過上述試驗，將換熱管與管板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化成內(nèi)縮式結(jié)構(gòu)，換熱管內(nèi)縮3.5 mm且管板上的換熱管端進行3.5 mm×25°內(nèi)倒角的接頭形式，并分區(qū)域焊接，中間冷卻器管板與換熱管焊接圖樣如圖14所示，共1 012個管頭，管板與換熱管焊接接頭一次性通過了外觀檢查、氦檢漏試驗、滲透檢測、射線檢測以及水壓試驗的圖紙技術(shù)條件要求的各項檢測。

圖14 產(chǎn)品管頭圖樣

4 結(jié)論

(1) 采用第1層自熔+3層填絲焊接，內(nèi)縮深度為3.5 mm進行焊接時，可有效解決根部未焊透現(xiàn)象，所獲得的焊縫均勻美觀，焊縫飽滿。

(2)經(jīng)過RT檢測及斷面宏觀檢測均未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷及裂紋，同時測量出了最小角焊縫厚度，所有接頭的角焊縫厚度均大于要求值2.7 mm，滿足要求圖紙技術(shù)及相關(guān)標準要求。