空冷器換熱管與管板焊接工藝

鄭磊

摘要：管子管板焊縫作為換熱器最為薄弱的區(qū)域，其焊接質(zhì)量對設(shè)備的可靠性和壽命有極其重要的影響。蒸發(fā)式空冷器由循環(huán)水泵、風(fēng)機、換熱盤管等部分構(gòu)成，屬于內(nèi)部相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜系統(tǒng)，及時進(jìn)行蒸發(fā)式空冷器換熱性能的優(yōu)化具有較高重要價值?？绽淦鞴?管板的連接一般采用焊接的方式，可以有效保證兩者之間的連接牢固性。提升焊接質(zhì)量，可以防止裂縫、斷裂等情況的發(fā)生，保證空冷器管運行的安全性。以空冷器管為研究對象，對空冷器管-管板焊接工藝進(jìn)行詳盡的探討。

關(guān)鍵詞：空冷器;換熱管;管板;焊接;工藝

1導(dǎo)言

空冷器廣泛應(yīng)用于煉油、化工行業(yè)中，并且經(jīng)常用于高溫、高壓、高腐蝕環(huán)境中，因此對整體質(zhì)量提出更加嚴(yán)苛的考驗，而在整個空冷器制造中，換熱管與管板焊接為其中最為重要環(huán)節(jié)之一，因此如何提高管端連接可靠性成為目前行業(yè)中首要的研究課題。

2蒸發(fā)式空冷器概述

蒸發(fā)式空冷器將空氣冷卻器和管式噴淋水冷卻器融為一體，借助盤管外端水膜和其表面的對流空氣實現(xiàn)換熱，對流空氣可快速帶走水膜中熱量，屬于汽化放熱過程，保證管外傳熱滿足預(yù)期要求，提高了其傳熱效率?？绽淦鲝慕Y(jié)構(gòu)方面出發(fā)，具有操作穩(wěn)定、節(jié)水節(jié)能的優(yōu)勢，當(dāng)下國家大力推廣綠色節(jié)能項目的開發(fā)，因此蒸發(fā)空冷器的發(fā)展前景十分廣闊，為此，及時加強高性能空冷器的研發(fā)具有重要的價值，具有良好的節(jié)能降耗效果，同時可為新設(shè)備的研發(fā)提供一定參考價值。

圖1為復(fù)合型高效蒸發(fā)空冷器的結(jié)構(gòu)圖，其工作原理為：借助循環(huán)水泵將冷卻水運送至噴水裝置，噴灑后液體在慣性作用下會從最高點下落，液體和噴淋設(shè)備內(nèi)部填料充分接觸后便可在填料表面形成水膜。重力作用下水膜會流向蒸發(fā)盤管外表面，在管子外表面形成的水膜吸收熱量并最終流向回收水槽，完成整個循環(huán)。該過程中，風(fēng)機作用下會增加管子表面迎面風(fēng)速。冷卻水在管壁位置發(fā)生蒸發(fā)，將管內(nèi)高溫冷凝冷卻介質(zhì)的熱量帶走，同時與管外向上流動的空氣發(fā)生對流換熱?？紤]到水汽化潛熱較高，蒸發(fā)盤管外表面的蒸發(fā)換熱會具有較高的換熱效率。波紋填料作用下，空氣和冷卻水的接觸面積增加，盤管外表面液膜穩(wěn)定得到明顯下降，從而實現(xiàn)換熱過程。蒸發(fā)結(jié)構(gòu)中捕霧器可降低冷卻水的損失，水霧也會降低干冷管翅片和相鄰設(shè)備的腐蝕程度。換熱過程中，室外空氣先和蒸發(fā)管下排翅片管接觸，受表面水膜傳熱作用后，濕度增加、溫度下降，換熱環(huán)節(jié)中對應(yīng)溫差較高，具有顯著的換熱效果，吸收換熱盤管和冷卻水的熱量一般會從出風(fēng)口排出。

3管與管板焊接方法

3.1焊條電弧焊

焊條電弧焊是一種無機械輔助、純手工操作的焊接方式，通過焊條與焊件之間建立起來的穩(wěn)定燃燒的電弧，高溫熔化焊條和焊件，焊條藥皮不斷熔化分解，焊條在電弧熱作用下不斷熔化，進(jìn)入熔池，成為焊縫的填充金屬。

3.2鎢極氬弧焊

鎢極氬弧焊又稱為TIG焊，利用鎢極與焊件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲（也可不填充焊絲），在電弧周圍使用惰性氣體保護隔絕空氣以及臨近熱影響區(qū)，以形成純凈的焊接接頭。其優(yōu)點為：熔池深而窄、焊件的收縮應(yīng)力和變形較小、鎢極壽命長、電弧燃燒穩(wěn)定。但是在換熱管與管板鎢極氬弧焊焊接時，要求電極應(yīng)滿足3個條件：

①耐高溫，焊接過程中不易損耗。②電子發(fā)射能力強，利于引弧及穩(wěn)弧，電極材料的逸出功直接影響電子發(fā)射能力，若要使發(fā)射電子的能力增強，需使用逸出功低的材料，引弧及穩(wěn)弧性能均好。③電流容量大。電極的許用電流要大一些，電極的許用電流與電極材料、電流的種類和極性以及電極伸出長度有關(guān)。

4優(yōu)化換熱性能的措施

4.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

為了提高蒸發(fā)空冷器的換熱性能，需要從管內(nèi)冷凝介質(zhì)和關(guān)外冷卻水、空氣的溫差方面進(jìn)行分析，一般被冷卻介質(zhì)的入口溫度不會發(fā)生變化，因此從優(yōu)化角度出發(fā)來降低冷卻水和空氣的溫度。具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法分析如下。首先，噴淋裝置優(yōu)化。傳統(tǒng)蒸發(fā)空冷器中一般采用單排噴嘴進(jìn)行處理，且逆噴效果高于順噴;如果采用兩排噴嘴進(jìn)行處理，對噴效果更優(yōu)，原因在于兩排對噴時，噴淋冷卻水可更均勻地將水膜覆蓋在盤管段。該文針對噴嘴方向進(jìn)行了優(yōu)化處理，所有噴嘴采用上噴處理。冷卻水從噴嘴噴出后，在重力作用下會更加均勻地覆蓋在填料處，部分水受風(fēng)量運動影響，可能會向上運動，與捕霧器接觸后會匯聚成液滴，隨后在重力作用下還會落回填料處。

4.2填料增膜改進(jìn)

填料可借助低阻力、耐腐蝕的GLASdek材料，主要成分是樹脂浸泡后的玻璃纖維。改造后在噴淋段和蒸發(fā)段增設(shè)填料處理，冷卻介質(zhì)噴出后依次經(jīng)過填料、盤管，在填料表面的水介質(zhì)和流通空氣發(fā)生換熱傳遞，設(shè)置填料后可顯著增加氣液接觸面積，對冷卻水進(jìn)行降溫處理的效率更高，為后續(xù)與蒸發(fā)管的換熱操作提供了差距更大的溫差，換熱效果大幅提升。

5管板焊接工藝

5.1合理選擇焊接方法

空冷器管-管板開展焊接工作應(yīng)該采用焊接工藝評定的相關(guān)參數(shù)，按照實際情況進(jìn)行焊接區(qū)域的劃分，然后再確定各個管的位置，一般情況下劃分為4個焊接區(qū)域，每個區(qū)域中焊接單元設(shè)置3個管孔，以管板中心為原點，距離管板中心最近的地方首先開始焊接，然后錯相鄰單元完成另外單元的焊接工作，向外不斷推進(jìn)直到焊接到區(qū)域的最外側(cè)單元，最后以對稱的方式進(jìn)行其他區(qū)域的焊接作業(yè)，這樣就完成了全部區(qū)域的第一遍焊接，接下來按照同樣的方式完成第二遍焊接。在焊接過程中，應(yīng)該合理的控制熱量應(yīng)力，使其能夠最大限度的降低，并且需要減輕應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的作用力，避免焊縫出現(xiàn)形變，提升空冷器管-管板的焊接質(zhì)量，空冷器管-管板一般采用鎢極氬弧焊或焊條電弧焊方法焊接。

5.2對焊接過程的有效控制

空冷器管-管板的焊接作業(yè)中，首先需要對焊接的工藝和時間進(jìn)行有效控制，提前制定工作方案，并嚴(yán)格按照工作方案進(jìn)行施工，對焊接長度的合理性進(jìn)行檢查，不能出現(xiàn)隨意更換焊接位置的狀況。同時在焊接過程中，還要注意對焊接速度的控制，焊條需要在四孔三角區(qū)域內(nèi)進(jìn)行熄弧，引弧也需要在三角區(qū)域內(nèi)完成，對焊接質(zhì)量進(jìn)行詳盡的檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時采取補焊等補救措施，然后進(jìn)行二次焊接，這樣可以有效的提升焊接處的穩(wěn)定性和可靠性。

5.3焊接試驗

在開展空冷器管-管板焊接時，如情況允許則應(yīng)該開展試驗試件，通過試驗的方式選擇合適的焊接方法。根據(jù)《壓力容器》相關(guān)規(guī)定的要求，科學(xué)選擇空冷器管及管板的尺寸，并進(jìn)行合理的布局。接頭可以采用端面環(huán)形焊接的方式，管段伸出管控的長度不得高于2mm，通過對伸出管孔長度的有效控制，可以降低管壁過燒發(fā)生的概率。在進(jìn)行空冷器管-管板的焊接過程中，鎢極氬弧焊可采用脈沖焊接方式，可以有效的降低熔池時間和試件的冷卻時間，并且能夠產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的電弧挺度，便于集中能量作用于焊接接頭處。在焊接試驗過程中，需要對鎢級進(jìn)行有效的控制，對于寬度較小的焊縫以及較大的熔深應(yīng)該采用尺寸為2.5mm的鎢極，這樣才能夠保證焊接作業(yè)的需求。此外，在焊接作業(yè)時，應(yīng)以起焊點為中心沿順時針的方向開展工作，鎢級與管軸線的夾角應(yīng)小于20°，因為若是夾角過大，會造成空冷器管壁過熱，出現(xiàn)燒毀的狀況。

結(jié)束語

綜上所述，空冷器管-管板焊接工藝主要分為兩個部分，分別為焊接順序和管端焊接，應(yīng)采取有效的措施對焊接過程進(jìn)行控制，提升焊接質(zhì)量，保證空冷器管-管板之間連接的穩(wěn)定性。通過對換熱管與管板焊接工藝的不斷研究、發(fā)展，管端焊接可靠性有著質(zhì)的飛躍，但仍然面臨嚴(yán)峻的考驗，因此只有通過不斷的探索創(chuàng)新、課題攻關(guān)，才能使國產(chǎn)空冷器立足于國際市場。

參考文獻(xiàn)

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