鈦管換熱器的換熱管與管板焊接工藝介紹

摘 要：文章介紹了以海水作為冷卻介質(zhì)的換熱器中一種以爆炸復(fù)合鈦鋼板作管板、以鈦管作換熱管的換熱管與管板焊接的工藝評定及生產(chǎn)制作中的焊接工藝。文章為鈦制換熱器的生產(chǎn)制造提供可借鑒經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：鈦管換熱管；復(fù)合鈦鋼板管板；換熱管與管板工藝評定；生產(chǎn)制作

濱海電站的換熱器設(shè)備若采用常規(guī)不銹鋼管做換熱管、低合金鋼作管板，管板和換熱管會在一兩年內(nèi)發(fā)生嚴重的點腐蝕、潰蝕等現(xiàn)象，使用周期短，不但成本高而且有礙生產(chǎn)。我公司設(shè)計制造的以鈦管作為換熱管、復(fù)合鈦鋼板作為管板的換熱器經(jīng)廠家使用取得了良好的抗腐蝕效果。文章將介紹此設(shè)備換熱管與管板的工藝評定及生產(chǎn)制作工藝。

1 設(shè)備簡介

我公司為南方沿海某電廠390MW熱電聯(lián)產(chǎn)燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組配套設(shè)計制造的水（除鹽水）-水（海水）熱交換器，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，公稱通徑DN1400mm，換熱面積1200m2，總長11000mm，熱換管為西安寶鈦美特法力諾？覫19x0.5mmTA2鈦焊管，臥式平蓋管箱折流桿換熱器，換熱器型號SSL-1200-1，單回程，開式循環(huán)冷卻水（海水）進入水-水熱交換器管程，將殼側(cè)閉式循環(huán)冷卻水（除鹽水）冷卻后排入循環(huán)水排水管，閉式循環(huán)冷卻水回水經(jīng)閉式循環(huán)冷卻水泵升壓，經(jīng)過水-水熱交換器冷卻后，向客戶提供冷卻水。

1-前管箱 2-管板 3-前導(dǎo)流筒 4-殼體 5-折流圈

6-換熱管 7-后導(dǎo)流筒 8-后管箱

圖1 鈦管換熱器結(jié)構(gòu)圖

換熱器殼體圓筒、殼體進出水管、進出水管法蘭均為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-B；管箱筒節(jié)用爆炸復(fù)合鈦鋼板（TA2+Q235-B），管箱進出水管用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20管（內(nèi)襯丁基橡膠HY2D），管箱法蘭亦為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-B（內(nèi)襯丁基橡膠HY2D）；管板采用爆炸復(fù)合鈦鋼板（TA2+Q345R）；換熱管采用TA2鈦管。

該設(shè)備要求按GB151-1999《管殼式換熱器》，對主要焊縫的無損檢測A、B類焊縫進行20%的射線探傷，按照JB/T4730.2-2005標準的Ⅲ級合格。

表1 設(shè)計參數(shù)

2 材料化學(xué)成分及性能指標

采用西安寶鈦美特法力諾焊管有限公司生產(chǎn)的？覫19×0.5mmTA2鈦焊管作為換熱管，選擇西安天力金屬復(fù)合材料有限公司的爆炸復(fù)合鈦鋼板TA2/Q345R，規(guī)格（4/56×？覫1356mm）作為管板。

2.1 鈦管

（1）化學(xué)成分。TA2鈦焊管的化學(xué)成分見表2。（2）性能指標。所用TA2鈦管性能指標符合GB/T 3625-2007《換熱器及冷凝器用鈦及鈦合金管》要求。？覫19×0.5mmTA2焊管性能見表3。

表2 TA2鈦焊管的化學(xué)成分

表3 TA2鈦管室溫力學(xué)性能

2.2 爆炸復(fù)合鈦鋼板

鈦復(fù)合管板（TA2+Q345R）-（4+56）×D1356mm-B1符合NB/T 47002.3-2009《鈦-鋼復(fù)合板》標準要求。其中，管板覆層（TA2）符合GB/T3621-2007《鈦及鈦合金板材》要求，基層（Q345R）符合GB713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板標準》要求。TA2覆層化學(xué)成分見表4。

表4 TA2鈦板的化學(xué)成分

3 鈦材焊接性能分析

3.1 氣體及雜質(zhì)污染對焊接性能的影響

在常溫下，鈦及鈦合金是比較穩(wěn)定的。但試驗表明，在焊接過程中，液態(tài)熔滴和熔池金屬具有強烈吸收氫、氧、氮的作用，而且在固態(tài)下，這些氣體已與其發(fā)生作用。隨著溫度的升高，鈦及鈦合金吸收氫、氧、氮的能力也隨之明顯上升，大約在250℃開始吸收氫，從400℃開始吸收氧，從600℃開始吸收氮，這些氣體被吸收后，將會直接引起焊接接頭脆化，是影響焊接質(zhì)量的極為重要的因素。焊接零件上的油污灰塵等雜質(zhì)對焊接質(zhì)量也有很大影響。

（1）氫的影響是氣體雜質(zhì)中對鈦的機械性能影響最嚴重的因素。焊縫含氫量變化對焊縫沖擊性能影響最為顯著，其主要原因是隨縫含氫彈量增加，焊縫中析出的片狀或針狀TiH2增多。TiH2強度很低，使得焊縫沖擊性能顯著降低。焊接時注意采用低氫焊條或焊絲。（2）氧的影響。氧在鈦的α相和β相中都有較高的溶解度，并能形成間隙固溶相，造成晶格相嚴重扭曲畸變，造成鈦及鈦合金硬度和強度提高，塑性卻顯著降低。為了保證焊接接應(yīng)的性能，除了在焊接過程中嚴防焊縫及焊接熱影響區(qū)發(fā)生氧化外，同時還應(yīng)限制基本金屬及焊絲中的含氧量。（3）氮的影響。在700℃

以上的高溫下，氮和鈦發(fā)生劇烈作用，形成脆硬的氮化鈦（TiN），而且氮與鈦形成間隙固溶體時所引起的晶格歪挪程度，比吸氧引起的后果更為嚴重，因此，氮對提高鈦及鈦合金焊縫的抗拉強度、硬度，降低焊縫的塑性性能比氧更為顯著。（4）碳的影響。碳也是鈦及鈦合金中常見的雜質(zhì)，實驗表明，當碳含量為0.13%時，碳因深在α鈦中，焊縫強度有所提高，塑性有所下降，但不及氧、氮的作用強烈。但是當進一步提高焊縫含碳量時，焊縫卻出現(xiàn)網(wǎng)狀TiC，其數(shù)量隨碳含量增高而增多，使焊縫塑性急劇下降，在焊接應(yīng)力作用下易出現(xiàn)裂紋。因此，鈦及鈦合金母材的含碳量不得大于0.1%，焊縫含碳量不超過母材含碳量。

3.2 焊接接頭裂紋問題

鈦及鈦合金焊接時，焊接接頭產(chǎn)生熱裂紋的可能性很小，這是因為鈦及鈦合金中S、P、C等雜質(zhì)含量很少，由S、P形成的低熔點共晶不易出現(xiàn)在晶界上，加之有效結(jié)晶溫度區(qū)間窄小，鈦及鈦合金凝固時收縮量小，焊縫金屬不會產(chǎn)生熱裂紋。

鈦及鈦合金焊接時，熱影響區(qū)可能出現(xiàn)冷裂紋，其特征是裂紋產(chǎn)生在焊后數(shù)小時甚至更長時間，也稱作延遲裂紋。經(jīng)研究表明這種裂紋與焊接過程中氫的擴散有關(guān)。焊接過程中氫由高溫熔池向較低溫的熱影響區(qū)擴散，氫含量的提高使該區(qū)析出TiH2量增加，增大熱影響區(qū)脆性，另外由于氫化物析出時體積膨脹引起較大的組織應(yīng)力，再加上氫原子向該區(qū)的高應(yīng)力部位擴散及聚集，以致形成裂紋。防止這種延遲裂紋產(chǎn)生的辦法，主要是減少焊接接頭氫的來源，必要時進行真空退火處理。

4 焊接方法的選擇

TA2鈦管與管板設(shè)計采用強度脹加密封焊。鈦及鈦合金焊接時，當溫度在500℃～700℃時，很容易吸收空氣中的氧、氫和氮，嚴重影響焊接質(zhì)量。氬弧焊的電弧在氬氣流的保護與冷卻作用下，電弧熱量較為集中，電流密度高，熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量較高。由于鈦材的特殊物理化學(xué)特性，結(jié)合我公司的設(shè)備狀況、環(huán)境狀況，此次鈦換熱管與管板焊接我們采用自動鎢極氬弧焊。

焊接設(shè)備：管板自動氬弧焊機，型號：WZM1-315，生產(chǎn)廠家：揚中市神通焊接設(shè)備有限公司。

5 換熱管與管板的焊接工藝評定

NB/T 47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》附錄D適用于換熱管與管板連接的強度脹且脹焊并用的焊縫。依據(jù)以上規(guī)定，本臺換熱器換熱管與管板焊接可不進行焊接工藝評定，但由于我公司第一次使用此類材料，為了確保產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，仍決定參照NB/T 47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》附錄D進行了評定試驗。

5.1 評定用焊接方法、材料

焊接方法選用自動鎢極氬弧焊。評定用試件焊前結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，試件坡口形式如圖3所示。材料牌號及規(guī)格如表5所示，焊接參數(shù)如表6所示。

5.2 試板檢驗

（1）外觀檢查。焊縫和熱影響區(qū)表面用10倍放大鏡進行100%檢查，外觀檢查和無損檢測結(jié)果不應(yīng)有裂紋、未熔合、氣孔、咬邊、弧坑和夾雜，飛濺物等缺陷，焊縫外不應(yīng)有打弧點。表面不應(yīng)有氧化色（只允許有銀白色和淡黃色）。經(jīng)檢查，焊縫表面未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、未熔合等缺陷，表面顏色呈銀白色，外觀檢查合格。（2）滲透檢驗。對10個焊接接頭全都按JB/T 4730.5規(guī)定進行滲透檢驗，未發(fā)現(xiàn)裂紋，檢驗合格。（3）金相檢驗（宏觀）。按圖4所示，任取呈對角線位置的兩個管接頭切開，兩切口是互相垂直的。切口一側(cè)面通過換熱管中心線，對8個金相檢驗面檢驗（其中包括一個取自弧處的金相檢驗面）進行檢驗，焊縫根部未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合，且根部都焊透。評定結(jié)果：以上檢驗均符合標準要求，評定為合格。

6 生產(chǎn)過程中鈦管與管板的焊接工藝

焊接工藝評定合格后據(jù)此編制焊接工藝，同時必須嚴格執(zhí)行相關(guān)的工藝規(guī)程以確保焊接質(zhì)量。產(chǎn)品生產(chǎn)中應(yīng)挑選具備相應(yīng)焊接資質(zhì)的焊工進行焊接。

6.1 焊接用密封室

因為鈦材具有特殊性，風(fēng)速、溫度、濕度、粉塵等環(huán)境因素對焊接質(zhì)量的影響都不可小覷，為保證焊接作業(yè)的環(huán)境，我們搭建了與外界相對隔絕的30m2（5mx6m）密封焊接室，保持溫度在25°C左右，相對濕度小于60%。試件的焊接評定和產(chǎn)品的焊接都在這間防風(fēng)、防塵的密封室內(nèi)進行。（1）密封室內(nèi)要安裝空調(diào)、除濕機、吸塵器及排氣扇，要求室內(nèi)光線充足，并確保地面平整、干凈清潔；（2）密封室應(yīng)考慮防火措施和安全通道；（3）焊接時焊工應(yīng)穿潔凈的工作服和戴脫脂純滌綸手套。

6.2 焊接中人、機、材的基本要求

6.2.1 人員要求。（1）焊接技術(shù)人員、焊接質(zhì)量檢查人員與焊接檢驗、檢測人員應(yīng)具有相應(yīng)的資格；（2）凡參加施焊的焊工應(yīng)經(jīng)過鈦及鈦合金某類別任一牌號的機動焊理論與實際操作技能培訓(xùn)，并考核合格，才可進行鈦換熱管與管板的焊接工作。焊工具體持證項目為：GTAW-5FG-05/07/08/19。且需掌握以下基本知識： a.鈦金屬材料的基礎(chǔ)知識； b.焊接材料（氬氣）及其使用方面的基礎(chǔ)知識；c.焊接工藝基礎(chǔ)知識和鈦材焊接的專業(yè)知識；d.常見的焊接缺陷產(chǎn)生的原因、危害性、預(yù)防及處理措施；e.管板焊接設(shè)備、測量儀表的種類、使用、維護的基礎(chǔ)知識。

6.2.2 管板自動鎢極氬弧焊機要求。（1）電弧特性穩(wěn)定；（2）電流調(diào)節(jié)靈活、方便，有良好的工藝重復(fù)性；（3）機械執(zhí)行機構(gòu)運轉(zhuǎn)靈活，裝卡方便；（4）具有提前送氣、延時停氣、脈沖、非接觸引弧和電流衰減功能。

6.2.3 材料。（1）管板覆層鈦、基層Q345R及鈦管應(yīng)具有質(zhì)量證明文件；（2）氬氣使用前應(yīng)檢查有無出廠合格證，氬氣純度應(yīng)不小于99.99%；（3）自動鎢極焊所用的鎢極選用的直徑為？覫2.0鈰鎢極。

6.3 施焊前管板準備工作

（1）試板、管板及管孔應(yīng)采用冷加工方法成形；（2）對已經(jīng)脹管檢驗合格的進水側(cè)管板進行焊接，保持與出水側(cè)管板處工作人員的聯(lián)系；（3）應(yīng)先清除管板和脹管部分的雜物并應(yīng)進行表面清理，去除油污、氮化物、氧化物、水漬、銹跡等，呈現(xiàn)金屬光澤，然后用HS-50清洗液擦洗；（4）擦洗潔凈度以白綢布蘸95%酒精擦拭管孔及管板，無任何污漬、不染色為合格；（5）加工及清洗完畢的管板及管孔嚴禁用手觸摸，暫時不焊的管板必須用潔凈的塑料薄膜覆蓋，以防污染。

6.4 換熱管與管板焊接

（1）管板焊接人員應(yīng)嚴格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程；（2）焊機中心定位桿尺寸與脹后管孔內(nèi)徑間隙為0.1～0.15mm，并保證焊接過程不晃動；（3）鎢極加工形狀、焊接接頭形式、鎢極的設(shè)置尺寸如圖5。（4）安裝鎢極時，鎢極應(yīng)處于焊槍噴嘴的中心位置，不得偏斜；（5）焊接時要經(jīng)常注意鎢棒尖端的形狀，如果鎢極尖端變圓，電弧的方向就會改變，焊縫就不圓滑、出毛邊，這時應(yīng)更換鎢極；（6）一側(cè)施焊另一側(cè)嚴禁脹管、切管，以保證焊接質(zhì)量。雙側(cè)施焊時，不得同時焊接一根鈦管；（7）焊接參數(shù)見表6；（8）起弧和收弧位置：見圖6。從時鐘11點位置起弧，順時針旋轉(zhuǎn)焊接一周后在12點位置開始衰減，在3點鐘位置收弧，焊嘴自動返回11點鐘起弧位置，準備下一個管孔的焊接；（9）焊接時宜采用跳焊法，由下而上逐排焊接，見圖7；（10）管孔焊接效果見圖8；（11）焊縫表面應(yīng)均勻、美觀，呈魚鱗狀。焊縫余高應(yīng)不大于0.5mm，焊縫寬度應(yīng)為2～2.5mm；（12）焊縫表面不允許有裂紋、氣孔、未熔合、焊偏等缺陷；（13）焊縫表面應(yīng)呈銀白色或淡黃色，不允許出現(xiàn)紫色、藍色、灰色等。

其中：焊嘴鎢極位置圖中，a-鎢極伸出噴嘴長度7～8mm；b-鎢極至管板距離0.7～1.5mm；β-鎢極與管孔軸線夾角8～10°。

圖5

圖6 起弧和收弧位置 圖7 跳焊法焊接

6.5 管板焊縫表面無損檢測

焊縫表面外觀檢查合格后進行著色檢驗，著色檢驗按JB/T4730.5-2005《承壓設(shè)備無損檢測滲透檢測》I級合格，見圖9。

6.6 水壓試驗

無損檢測符合質(zhì)量要求后進行裝配，裝配完成進行水壓試驗，殼程試驗壓力1.25MPa，管程0.5MPa。換熱管與管板焊接的焊縫在水壓試驗中未發(fā)現(xiàn)泄漏。

7 結(jié)束語

文章總結(jié)了我公司制造鈦管換熱器過程中鈦管與管板的焊接工藝評定和生產(chǎn)過程中的焊接工藝。通過客戶三年的使用證明，該產(chǎn)品在以海水作為冷卻介質(zhì)的使用中性能良好，焊接質(zhì)量可靠，為鈦管換熱器的生產(chǎn)制造提供可借鑒案例。

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作者簡介：郭永萍（1979，10-），女，漢，籍貫：陜西省渭南市，職稱：機械設(shè)計制造中級工程師，學(xué)位：大學(xué)本科，現(xiàn)供職單位：黃石市華天自動化設(shè)備有限公司，研究方向：機械制造中焊接工藝。