管殼式熱交換器強度焊管頭的討論

陳 罡 高 博 張 光

（1.中國石油遼陽石油化纖公司建修公司 遼陽 111003）

（2.中國石油遼陽石化公司油化廠 遼陽 111003）

管殼式熱交換器管束的內(nèi)漏是影響煉化裝置長周期穩(wěn)定運行的瓶頸?！稛峤粨Q器管束采購通用技術(shù)條件》（簡稱《管束條件》）[1]：“3 換熱管與管板焊接應采用自動氬弧焊，制造廠家應有自動氬弧焊能力（換熱管伸出管板端面高度4mm、第一遍自熔、第二遍填絲）”。指的是臥式熱交換器管束中強度焊或強度焊＋貼脹的管頭，筆者認為提出“換熱管伸出管板端面高度4mm”要求也不盡合理。

1 熱交換器相關(guān)標準

GB/T 151—2014《熱交換器及釋義》[2]：換熱管與管板的連接接頭（簡稱管頭），承受壓力與溫度引起的載荷并形成可靠的密封。管頭是管殼式熱交換器設(shè)計與制造的技術(shù)難點，也是管束泄漏失效的重要控制部位，其可靠性直接影響管束的使用壽命。管頭的連接方式有強度脹接、強度焊接和脹焊并用以及內(nèi)孔焊等，僅強度焊管頭GB/T 151—2014圖6-19就給出了4種焊縫形式并在GB/T 151—2014附錄H中又給出了5種可選用的焊縫形式。

可見，“《管束條件》-3”指的是臥式熱交換器管束中強度焊或強度焊+貼脹的管頭，也不必強求“換熱管伸出管板端面高度4mm”（對立式的上管板不允許積液時，則更不適用）。改版后的GB/T 151—2014去掉了GB 151—1999圖34及表33[3]根據(jù)換熱管規(guī)格（外徑×壁厚）推薦的換熱管最小伸出長度和管板孔坡口最小深度，進一步明確強度焊的概念：滿足拉脫力要求＋密封性能，強調(diào)“組合焊腳高度”應滿足設(shè)計要求。將管頭結(jié)構(gòu)尺寸交給設(shè)計與制造，即設(shè)計施工圖應給出管頭的焊接接頭形式尺寸（包括焊腳高度、管孔坡口形式尺寸與伸出管板端面的長度）要求，而制造質(zhì)量計劃則應合理保證設(shè)計要求，并以管頭的焊接工藝評定來見證。所以在保證安全的前提下，應降低焊腳高度，以避免損傷管頭，同時也可降低工作量而縮短工期。

GB/T 151—2014對強度焊管頭只是提出“焊腳高度l（即組合焊腳高度）應滿足換熱管與管板連接拉脫力要求，且不應小于管壁厚”，并在其圖6-19中注出“圖a）、d）中的“焊腳高度l”尺寸不包括管端伸出焊縫的尺寸；若保留完整的管端，則應根據(jù)換熱管外徑、壁厚及焊接工藝適當增加外伸長度”。而對制造則提出“焊接接頭的焊腳尺寸應符合設(shè)計文件的規(guī)定”，“焊接前應按NB/T 47014進行焊接工藝評定”。GB/T 151將強度焊管頭的形式與尺寸放權(quán)給了設(shè)計及焊接工藝評定來保證“焊腳高度l”。

2 熱交換器管頭設(shè)計

由于設(shè)計施工圖不掌握管頭強度焊工藝所能達到的“焊腳高度l（組合焊腳高度）”對應的管頭結(jié)構(gòu)尺寸（管孔坡口形式尺寸與伸出管板端面的焊腳高度），對強度焊管頭的結(jié)構(gòu)尺寸只能按GB 151-圖34及表33給出（如圖1所示）。而GB 151推薦值則是管板孔坡口最小深度和換熱管最小伸出長度，按此制造管束的強度焊管頭滿足不了工程應用，所以，文獻[4]根據(jù)多臺管束管頭實際使用中所發(fā)生的短期泄漏情況，認為GB 151規(guī)定的換熱管伸出長度偏小，建議改為3mm。

但是，改版后的GB/T 151卻去掉了GB 151-圖34及表33，只給出強度焊管頭的焊縫形式，而沒有具體規(guī)定強度焊管頭的結(jié)構(gòu)尺寸。由此，設(shè)計施工圖更是無從依據(jù)，施工圖管束中的強度焊管頭表達方式并沒有改進（見圖2），有的提出2道自動氬弧焊要求，并從嚴管頭的無損檢測如要求滲透檢測Ⅰ級合格，有的甚至提出管頭經(jīng)殼程水壓試驗檢查合格后再要求磁粉檢測Ⅰ級合格，與制造實際的可行性相偏離。

圖1 換熱管與管板強度焊＋貼脹管頭

圖2 換熱管與管板強度焊＋貼脹管頭

為此，GB/T 151—2014尚應根據(jù)熱交換器管頭建造的成功經(jīng)驗，對通用換熱管規(guī)格對應的典型強度焊管頭，如φ19×2或φ25×2.5（碳鋼）換熱管對應的GB/T 151—2014圖6-19-a）管板管孔開坡口與換熱管伸出管板端面的強度焊或強度焊＋貼脹形式，給出管頭的結(jié)構(gòu)尺寸（管孔坡口形式尺寸與伸出管板端面的焊腳高度），根據(jù)自動氬弧焊工藝給出對應能夠達到的“焊腳高度l”（見圖3）。這是一種工程上常用的管頭，通常管板管孔開單V形（苛刻工況開單U形）坡口，坡口深度等于換熱管壁厚，換熱管伸出管板端面的焊腳高度也等于換熱管壁厚，這樣能有效滿足“焊腳高度l”要求，同時管孔間所開坡口也未超過允許管橋?qū)挾取?/p>

圖3 換熱管與管板強度焊＋貼脹管頭

3 熱交換器管頭制造

盡管目前管束制造中強度焊管頭一般都采用自動氬弧焊，但由于管板的管孔采用鉆頭加工管程側(cè)端面倒角，倒角后的尺寸往往小于所要求的坡口深度。據(jù)此，對于通用的φ19×2或φ25×2.5（碳鋼）換熱管，焊接工藝便將換熱管伸出管板端面高度增加2.5mm，一般要求換熱管伸出管板端面高度為4mm。實際上換熱管伸出管板端面過高，不但是一種浪費，而且尚因焊腳過高，焊接時局部高溫停留時間較長，既容易燒穿換熱管，更易使管頭組織晶粒粗大，由此產(chǎn)生淬硬組織及較大的焊接殘余應力，導致管頭的力學性能與耐蝕性能下降。

可見，需要避免因焊腳過高而降低管頭的使用性能，只有在滿足設(shè)計要求的“焊腳高度l”前提下，盡量降低換熱管伸出管板端面的高度，這需要加工管板管孔的管程側(cè)端面倒角時，采取諸如管孔限位倒角等措施，以保證管板管孔的管程側(cè)端面倒角坡口深度符合設(shè)計要求。

制造單位通過焊接工藝評定驗證管頭強度焊工藝的可靠性，在避免管頭強度焊產(chǎn)生裂紋或未熔合等缺陷的同時，修正設(shè)計給出的管頭結(jié)構(gòu)尺寸（管板管孔坡口尺寸與換熱管伸出管板長度）的合理性，以保證管頭剖面的“焊腳高度l”滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

管板管孔開單V形坡口與換熱管伸出管板端面的強度焊是熱交換器管頭的常用形式，管束采購技術(shù)條件沒有必要對換熱管伸出管板端面高度提出要求。

1）熱交換器標準尚應給出常用換熱管與管板強度焊管頭的結(jié)構(gòu)尺寸與能達到的“焊腳高度l”，以指導設(shè)計正確選用；

2）熱交換器設(shè)計也應根據(jù)工程經(jīng)驗合理給出滿足拉脫力與密封性能要求的強度焊管頭結(jié)構(gòu)尺寸，以保證實現(xiàn)設(shè)計所要求的“焊腳高度l”；

3）熱交換器制造則應根據(jù)焊接工藝評定驗證并修正施工圖設(shè)計的合理性，以使焊接工藝實施保證設(shè)計所要求的強度焊管頭。

[1] 熱交換器管束采購通用技術(shù)條件[S].

[2] GB/T 151—2014 熱交換器及釋義[S].

[3] GB 151—1999 管殼式換熱器[S].

[4] 周宏.對GB 151《鋼制管殼式換熱器》標準中有關(guān)問題的探討[J].河南化工，2009，26(09)：43-44.