高壓換熱器鈦管－管板爆炸焊接模擬與試驗(yàn)

史長(zhǎng)根，郭宏新，劉 豐，徐 宏，史和生，汪 育，練綿炎

(1.江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇 南京 211112;2.華東理工大學(xué)，上海 200237;3.解放軍理工大學(xué)，江蘇南京 210007;4.南京潤(rùn)邦金屬?gòu)?fù)合材料有限公司，江蘇南京 211803)

0 引言

化工行業(yè)用換熱器換熱管和管板之間的緊密貼合，既影響到換熱器的使用壽命，同時(shí)又涉及到高壓換熱器的安全性。高壓換熱器管子管板的連接一般采用脹接+焊接的方式。脹接是使管子在載荷作用下，其伸入管板孔內(nèi)的換熱管端部直徑擴(kuò)張，產(chǎn)生塑性變形，而管板仍處于彈性變形范圍，載荷去除后，管子與管板實(shí)現(xiàn)過(guò)盈配合起到連接的作用。目前，國(guó)內(nèi)外一般采用的脹管技術(shù)主要有:機(jī)械脹管、液壓脹管、橡膠脹管等。無(wú)論哪一種脹管方法，雖然其工作介質(zhì)和工藝方法不盡相同，但其管子與管板界面的結(jié)合究其本質(zhì)均是一種過(guò)盈配合，而不是原子之間的鍵合，且這些方法工藝設(shè)備復(fù)雜。因此這幾種方法均存在以下兩個(gè)問(wèn)題:一是生產(chǎn)率低、制造成本高;二是界面貼合不好、易造成漏水漏氣，存在安全隱患［1－2］。

采用爆炸焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)金屬薄壁鈦管和管板的焊接成型，不僅提高了生產(chǎn)效率、降低了加工成本，而且提高了換熱器的使用壽命和安全生產(chǎn)，因此具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)裝藥參數(shù)的優(yōu)化和精確控制，可望在工廠內(nèi)部建成爆炸焊接成型車間，將會(huì)大大降低生產(chǎn)成本。

1 換熱器管－管板爆炸焊接成型方法的優(yōu)點(diǎn)

采用爆炸焊接成型工藝，同上述各種脹管技術(shù)比較，具有以下幾個(gè)突出優(yōu)點(diǎn):

(1)由于爆炸焊接屬一種特殊的壓力焊接，因此可實(shí)現(xiàn)用常規(guī)焊接和脹管方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的鋯、鈦管材與鋼等異形金屬之間的焊接;

(2)由于爆炸焊接界面屬于原子之間的固相結(jié)合，因此換熱器換熱管與管板之間的焊接強(qiáng)度高，既保證了換熱器的安全性，又大大提高了換熱器的使用壽命;

(3)由于爆炸焊接可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)起爆，因此生產(chǎn)率高，可一次實(shí)現(xiàn)一臺(tái)換熱器所有管子與管板的焊接成型。

鈦管－管板爆炸焊接成型涉及稀有金屬薄壁長(zhǎng)形管件和管板的多點(diǎn)同時(shí)爆炸焊接成型和界面微觀分析問(wèn)題。

2 單管爆炸焊接過(guò)程數(shù)值計(jì)算模擬

圖1示出模擬結(jié)果的 z—x面方向視圖［1－4］。由計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)炸藥一端被引爆后，爆轟產(chǎn)物形成高速高壓的脈沖載荷直接作用在套管上，套管沿徑向發(fā)生膨脹變形。隨后套管在微秒量級(jí)時(shí)間內(nèi)沿裝藥爆轟波傳播方向依次向換熱管高速碰撞。高速碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生高壓力及強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，會(huì)使套管產(chǎn)生高應(yīng)變速率的大塑性變形且呈現(xiàn)類似流體的行為。這樣金屬管接觸的界面附近存儲(chǔ)了大量的塑性應(yīng)變能，從而為界面原子形成金屬鍵提供能量，利于兩金屬管之間形成冶金結(jié)合。爆炸模擬結(jié)果表明:(1)單個(gè)鈦管－管板爆炸焊接成型過(guò)程中，不會(huì)產(chǎn)生破片而對(duì)周圍環(huán)境造成危險(xiǎn);(2)單個(gè)鈦管－管板爆炸焊接成型在理論上能形成良好的焊接接頭。

3 單個(gè)鈦管－管板爆炸焊接實(shí)爆試驗(yàn)

圖2示出單個(gè)鈦管－管板爆炸焊接成型的裝藥示意圖。圖3示出單個(gè)鈦管和管板爆炸焊接成型試樣。一般為了安全，在試驗(yàn)時(shí)需做好防護(hù)。

3.1 鈦管－管板爆炸焊接關(guān)鍵技術(shù)

鈦管－管板爆炸焊接有以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)需要解決:

(1)鈦/鋼進(jìn)行爆炸焊接時(shí)，如果裝藥參數(shù)控制不好，易導(dǎo)致界面高溫而使界面產(chǎn)生金屬間化合物，這將大大降低復(fù)合管的傳熱效果。因此內(nèi)部換熱鈦管或鋯管的爆炸焊接裝藥工藝是成功爆炸焊接的關(guān)鍵之一。

(2)一般來(lái)說(shuō)，復(fù)合管的外管和內(nèi)管的壁厚僅1～2 mm。而超薄金屬?gòu)?fù)合材料尤其是超薄管材在爆炸焊接過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，因此對(duì)于炸藥爆速和裝藥厚度都要進(jìn)行精確控制。

(3)耐海水腐蝕高效復(fù)合管不僅要節(jié)約稀有金屬材料，而且要實(shí)現(xiàn)高效換熱，而高效換熱的關(guān)鍵是復(fù)合管的結(jié)合界面必須是優(yōu)異的微小波狀界面，而微小波狀界面的形成就要求裝藥參數(shù)的精確優(yōu)化和設(shè)計(jì)。

圖3 爆炸焊接后的單個(gè)鈦管－管板

3.2 爆炸焊接成型炸藥配方

為實(shí)現(xiàn)壁厚僅1～2 mm鈦管的爆炸焊接，所使用的炸藥爆速等性能必須要進(jìn)行精確控制，通過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試優(yōu)化炸藥配方，可獲得良好無(wú)裂紋的接頭的炸藥為60% ～70%，而加的鹽、珍珠巖、鋸末等配方在40% ～30%左右，如表1所示。

表1 爆炸焊接炸藥爆速測(cè)試

3.3 單管爆炸焊接間隙

炸藥爆速確定之后，其關(guān)鍵的參數(shù)就是裝藥厚度。鈦管－管板爆炸焊接時(shí)，其裝藥厚度一般為鈦管的直徑，根據(jù)裝藥厚度即可確定鈦管和管板之間的爆炸間隙。根據(jù)文獻(xiàn)［5］，基復(fù)管最小間距值可由下式求得:S=0.2(δ+h)。其中h為復(fù)板厚度，一般來(lái)說(shuō)h?δ，所以間距S為炸藥厚度的0.2倍。通過(guò)多次試驗(yàn)，其焊接效果與爆炸間隙之間的關(guān)系如表2所示。其最佳間隙應(yīng)控制在0.6 ～2 mm。如圖4，5 所示，當(dāng)間隙為0.4 mm時(shí)，爆炸成型的鈦管有明顯的裂紋;而間隙為0.8 mm時(shí)，不僅復(fù)合率為100%，而且接頭無(wú)裂紋。

3.4 不穩(wěn)定爆轟端控制技術(shù)

由于薄壁鈦管和普通鋼管板的爆炸焊接成型部分僅為1～3 cm，而炸藥的不穩(wěn)定爆轟的距離長(zhǎng)達(dá)26 cm［6－7］，其中前 2 ～10 cm 不利于界面的焊接成型，因此，在裝藥時(shí)不穩(wěn)定爆轟端應(yīng)引出2～10 cm，最后通過(guò)爆炸切割和焊接于一體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)薄壁鈦管和普通鋼管板的爆炸焊接成型。

表2 爆炸效果與間隙之間關(guān)系

圖4 間隙為0.4 mm鈦管產(chǎn)生裂紋

圖5 間隙為0.8 mm爆炸復(fù)合鈦管

另外，通過(guò)多孔管板的試驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)全部爆炸復(fù)合，如何保證所有管孔的爆炸焊接質(zhì)量，也是試驗(yàn)參數(shù)控制的關(guān)鍵問(wèn)題。如果發(fā)現(xiàn)個(gè)別管頭泄漏，說(shuō)明接頭焊接質(zhì)量不符合要求，嚴(yán)重的可予以補(bǔ)爆。補(bǔ)爆具體參數(shù)和單管參數(shù)一致。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)試優(yōu)化炸藥配方，可獲得良好無(wú)裂紋的接頭的炸藥為60% ～70%，而加的鹽、珍珠巖、鋸末等配方在40% ～30%左右;

(2)間距S為炸藥厚度0.2倍。通過(guò)多次試驗(yàn)，爆炸間隙控制在0.4～4 mm，其焊接效果較好，最佳間隙在2 mm左右;

(3)裝藥時(shí)不穩(wěn)定爆轟端應(yīng)引出2～10 cm，最后通過(guò)爆炸切割和焊接于一體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)薄壁鈦管和普通鋼管板的爆炸焊接成型。

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