淺析換熱管與管板內(nèi)孔焊技術(shù)

河南 陳忠群

引言

換熱器在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，在醫(yī)藥、化工、石油等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。換熱器的類型和結(jié)構(gòu)非常多，管殼式換熱器在上述工業(yè)領(lǐng)域中比較常見。換熱器的設(shè)計、生產(chǎn)的程序中，換熱管與管板焊接接頭處焊接質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定了換熱器的整體質(zhì)量和使用期限的長短。在當(dāng)前換熱管與管板的連接技術(shù)中，脹接、焊接是常見的連接方法。一般性的焊接方法，在換熱管與管板之間會留有縫隙，該縫隙容易產(chǎn)生腐蝕和過熱的問題；焊接處會產(chǎn)生相應(yīng)的熱應(yīng)力，從而造成焊接接頭處的破裂。脹接連接方式，如果脹接變形的話，會留存有產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的殘余應(yīng)力，若換熱管使用溫度比較高，容易導(dǎo)致材料的松動，引起脹接接頭處的開裂或者斷裂，引起熱力泄露。在上述連接技術(shù)的背景下，解決換熱管與管板的連接問題一直是研究人員著力解決的課題。本文將以某公司為例，就換熱管與管板內(nèi)孔焊技術(shù)進(jìn)行探討。

一、內(nèi)孔焊技術(shù)

某公司承接制作了一臺低壓反應(yīng)水冷凝器，其管程一側(cè)為氧化氮，危害為中等，工作情況下的溫度在40℃~160℃之間；殼程一側(cè)為冷卻水，工作情況下的溫度為30℃~42℃。該臺低壓反應(yīng)水冷凝器的基本功能是將氧化氮（形態(tài)為氣體）從160℃降低到40℃。該臺設(shè)備換熱管及管程殼體是S30403材料，管板是S30403Ⅲ材料，殼程殼體為Q345R材料。根據(jù)相關(guān)研究可以看到造成低壓反應(yīng)水冷凝器的腐蝕原因如下：

第一，若換熱管與管板采用的是焊接與脹接相結(jié)合的技術(shù)，那么，脹管管壁會相應(yīng)減薄，從而形成殘余應(yīng)力。此時，氣體進(jìn)口處溫度可以達(dá)到160℃，而冷卻水的溫度會在30℃之下。此時，如此巨大的溫差容易導(dǎo)致混熱管相應(yīng)處開裂。

第二，氣體傳輸?shù)嚼鋮s器之后，會有硝酸鹽產(chǎn)生，帶有硝酸鹽的氣體由于接觸到低壓反應(yīng)水冷凝器較高的溫度，會對換熱管與管板連接處產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕。

第三，氣體由于具有較高的速率，而且在高溫高熱的情況下，直接對換熱管進(jìn)行沖擊，會形成很大的腐蝕應(yīng)力。

第四，由于管板和管束中間存在縫隙，冷卻水存在大量的氯，氯會在管板與管束中間的縫隙處大量集聚，因而會逐漸在換熱管表面形成腐蝕或者點(diǎn)坑。

1.采用內(nèi)孔焊技術(shù)的原因

對于防止換熱管與管板腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，一般都是根據(jù)腐蝕的原因采取相應(yīng)對策。例如，在氧化氮?dú)怏w的入口處設(shè)置防沖擋板，或者在換熱管與管板的連接處采用強(qiáng)度焊技術(shù)，或者盡量降低冷卻水中氯的濃度，或者將換熱管的材質(zhì)更換為耐腐蝕性更好的鈦材料。由于上述方法都存在一定的問題，在使用上還難以做到普及。因此，可以從焊接技術(shù)方面考慮，一是應(yīng)當(dāng)有效降低換熱管與管板焊接接口處留存的殘余應(yīng)力，二是應(yīng)當(dāng)減少換熱管與管板之間焊接接口處的縫隙，三是在上述縫隙處減少或者避免留存有腐蝕物質(zhì)。經(jīng)過我國多年焊接實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔焊技術(shù)可以防范上述腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，有效地提高換熱管的質(zhì)量并增加使用期限。所以，某公司在該臺低壓反應(yīng)水冷凝器的換熱管與管板處的連接采用了內(nèi)孔焊技術(shù)。

2.內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

管殼式換熱器存在4種不同類型的接頭將換熱管與管板焊接起來，一是外伸角焊接，二是縮角焊接，三是平齊端焊接，四是無縫隙式焊接接頭。內(nèi)孔焊技術(shù)結(jié)構(gòu)屬于無縫隙式接頭結(jié)構(gòu)，其原理是在管板的一面的管孔邊緣處加工成一定的形狀，從而讓管孔與管端實(shí)現(xiàn)連接，此時，再運(yùn)用內(nèi)孔焊焊接搶對接口處進(jìn)行焊接。

（1）內(nèi)孔焊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

一是采用內(nèi)孔焊技術(shù)可以讓焊接接頭的穩(wěn)定性和可靠性更好，換熱管與管板的連接強(qiáng)度更高；二是采用內(nèi)孔焊技術(shù)可以讓焊接縫隙處的溫度與管殼殼體介質(zhì)的溫度相近；三是可以讓換熱管與管控之間實(shí)現(xiàn)無縫連接，避免腐蝕；四是內(nèi)孔焊技術(shù)的焊接接頭處采用的是對接技術(shù)，承受負(fù)載的能力大大提高；五是采用內(nèi)孔焊技術(shù)不會產(chǎn)生脹管的殘余應(yīng)力，六是采用內(nèi)孔焊技術(shù)不會在焊接接頭根部處產(chǎn)生較多的應(yīng)力集中現(xiàn)象，保證換熱管運(yùn)行中不會出現(xiàn)開裂；七是射線探傷檢測比較容易開展，從而可以更好地保證焊接質(zhì)量。

（2）內(nèi)孔焊技術(shù)的缺點(diǎn)

一是對管板的加工與裝配的精準(zhǔn)度要求非常高，要達(dá)到這種精準(zhǔn)度比較困難；二是需要采用質(zhì)量優(yōu)良的焊接設(shè)備；三是對于焊接過程中的工藝要求非常嚴(yán)格，需要技術(shù)熟練的專業(yè)人員才能操作；四是一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，返修比較困難，焊縫的檢查也比較困難；五是生產(chǎn)周期過長。總之，上述缺點(diǎn)的存在，使得采用內(nèi)孔焊技術(shù)仍具有一定的困難。

內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)形式具有多樣化的特點(diǎn)，換熱管及管程殼體是S30403材料，管板是S30403Ⅲ材料，殼程殼體為Q345R材料，Φ25×2mm的規(guī)格，總計1268根。換熱管與管板都由不銹鋼材料構(gòu)成，管板厚度較厚，換熱管的數(shù)量比較多。因此，采用內(nèi)孔焊技術(shù)的工作量很大。由于不銹鋼材料容易受熱膨脹，因此，焊接后容易因溫度升高而導(dǎo)致焊接處變形，而且由于厚板焊接接頭殘余應(yīng)力較大，所以熱導(dǎo)率比較低，熱量積聚后不容易流失，導(dǎo)致高溫過分集中。因此，焊接接頭處的腐蝕性比較低。為了解決上述焊接接頭處殘余應(yīng)力的問題，可以運(yùn)用機(jī)加工對每一個焊接接口處加工出一個圓形槽口，從而釋放焊接接口處殘余應(yīng)力，并且加速熱量的流失。

3.內(nèi)孔焊工藝和設(shè)備

內(nèi)孔焊技術(shù)運(yùn)用的是全位置數(shù)控脈沖自動氬弧焊設(shè)備，采用的是內(nèi)孔焊機(jī)頭，在焊接時，將機(jī)頭深入到管孔的內(nèi)部。由于采用的是自動化技術(shù)，因此，對電腦進(jìn)行一定的編程設(shè)置，設(shè)置一定的脈沖電流和頻率等焊接時的參數(shù)。采用這種內(nèi)孔焊工藝和設(shè)備使得焊接處于高度自動化狀態(tài)，因此，焊接的過程避免了人為的不穩(wěn)定操作因素，使得焊接的質(zhì)量比較高。某公司運(yùn)用的是WZM1-400型管板全位置數(shù)控脈沖自動氬弧焊機(jī)。該臺設(shè)備由內(nèi)孔焊機(jī)頭、可編程控制箱、遙控器、焊接電源與冷卻系統(tǒng)等組成。

（1）內(nèi)孔焊機(jī)頭

送絲機(jī)、吊架、中心桿、定位環(huán)、調(diào)節(jié)盤和進(jìn)氣管共同構(gòu)成了內(nèi)孔焊機(jī)頭。內(nèi)孔焊機(jī)頭的工作原理如下：一是焊接深度由調(diào)節(jié)盤控制，二是用焊嘴后部進(jìn)行定位，三是電極旋轉(zhuǎn)由微型電機(jī)帶動，四是氬氣通過送氣管傳輸，五是設(shè)置好焊接工藝參數(shù)，六是進(jìn)行全位置自動化焊接成形。

（2）遙控器

遙控器主要控制焊接的開始和停止、氬氣傳輸?shù)拈_始和停止、焊接機(jī)頭的調(diào)整，保證焊接過程中的便利性和準(zhǔn)確性。

（3）可編程控制箱

該可編程控制箱采用了先進(jìn)的西門子CPU，屏幕為彩色，可進(jìn)行觸摸操作，全數(shù)字化顯示，能夠滿足內(nèi)孔焊技術(shù)中全部的參數(shù)設(shè)定要求。

（4）焊接電源

焊接電源采用的是Panasonic的YC-400TX型電源，質(zhì)量安全可靠。

（5）冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)的功能是對焊接設(shè)備進(jìn)行冷卻，該冷卻系統(tǒng)可以直接對焊嘴進(jìn)行冷卻，而且可以延長焊嘴的使用期限。

由于某公司的換熱管與管板都是不銹鋼材料，因此，為了確保進(jìn)行內(nèi)孔焊時不會讓換熱管與管板的背面受到氧化，專門在焊接時設(shè)置了氬氣保護(hù)罩。具體操作是：對管板和殼程筒體先不進(jìn)行焊接，而且還留有足夠的空間，從而在焊接時有氬氣保護(hù)罩的保護(hù)。

4.內(nèi)孔焊焊接技術(shù)試驗(yàn)

在進(jìn)行內(nèi)孔焊焊接前，進(jìn)行焊接技術(shù)試驗(yàn)，可以獲得必要的焊接參數(shù)，從而在產(chǎn)品生產(chǎn)中積累足夠的參數(shù)信息，以降低產(chǎn)品焊接不合格的發(fā)生率，而且通過大量的焊接試驗(yàn)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)規(guī)范，提高了焊接質(zhì)量。

（1）模擬試驗(yàn)品的結(jié)構(gòu)與尺寸

模擬試驗(yàn)品的結(jié)構(gòu)與尺寸應(yīng)當(dāng)和需要生產(chǎn)的產(chǎn)品類似或者相同。

（2）獲得焊接工藝的試驗(yàn)參數(shù)

不同類型的換熱管，具有不同的焊接位置，有著相對應(yīng)的焊接參數(shù)。內(nèi)孔焊焊接技術(shù)的一般程序是：首先，按下遙控器啟動按鈕，傳送氬氣；其次，高頻率起弧，起弧后在起弧點(diǎn)停留一會；再次，使用電弧將焊接區(qū)域預(yù)熱，并建立合乎標(biāo)準(zhǔn)的熔池；然后，按下遙控器相應(yīng)按鈕，發(fā)出脈沖電流，并且讓機(jī)頭同時轉(zhuǎn)動，圍繞著焊接處焊接一圈后，脈沖電流開始減弱；最后，經(jīng)過一段時間后，焊接機(jī)頭停止轉(zhuǎn)動，送氣延時。通過反復(fù)的試驗(yàn)驗(yàn)證后，獲得足夠的焊接參數(shù)。

5.內(nèi)孔焊技術(shù)的具體應(yīng)用

以某公司生產(chǎn)低壓反應(yīng)水冷凝器的過程為例，闡述內(nèi)孔焊技術(shù)的焊接流程及要求：

（1）將管板口及外表面的污漬、銹跡等雜質(zhì)清洗干凈，殘余雜質(zhì)將直接影響到焊接質(zhì)量。

（2）將獲得的焊接工藝試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并根據(jù)具體的生產(chǎn)要求對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

（3）檢查管路（水、氣）是否通暢。

（4）對管板加固定位，以防止焊接過程中的變形。

（5）運(yùn)用水平測量尺對管板是否垂直進(jìn)行測量，讓焊接接頭根據(jù)管板的水平程度相應(yīng)調(diào)節(jié)。

（6）對換熱管與管板進(jìn)行組裝時，禁止全部組裝完成后再予以焊接，而應(yīng)該一根根組裝、焊接。

二、結(jié)論

第一，從內(nèi)孔焊技術(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和形式，我們可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)孔焊技術(shù)可以有效地降低換熱管與管板之間焊接所形成的殘余應(yīng)力，并且有效避免換熱管與管板之間存在的縫隙，從而讓腐蝕物質(zhì)無處集聚，也不會在焊接接頭根部的切口處出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，使得產(chǎn)品在運(yùn)行中很難出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

第二，某公司采用的是WZM1-400型管板全位置數(shù)控脈沖自動氬弧焊機(jī)。該臺設(shè)備由內(nèi)孔焊機(jī)頭、可編程控制箱、遙控器、焊接電源與冷卻系統(tǒng)等組成。通過該臺設(shè)備進(jìn)行焊接工藝的試驗(yàn)，能夠獲得生產(chǎn)產(chǎn)品所必需的焊接參數(shù)，使得產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的焊接接頭的工藝能夠符合相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

第三，內(nèi)孔焊技術(shù)在某公司低壓反應(yīng)水冷凝器生產(chǎn)過程中的運(yùn)用，為內(nèi)孔焊技術(shù)積累了相當(dāng)?shù)募夹g(shù)參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)，對今后產(chǎn)品生產(chǎn)中內(nèi)孔焊技術(shù)的應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

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