內(nèi)孔焊技術(shù)在換熱器制造中的應(yīng)用

馬媛

【摘? 要】常規(guī)焊接結(jié)構(gòu)管子與管板孔之間存在間隙，易產(chǎn)生間隙腐蝕、過熱等問題;焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐蝕和破裂。脹接結(jié)構(gòu)形式，由于脹接變形存在較大的殘余應(yīng)力，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，而且在使用溫度較高時，由于材料的蠕變使脹接殘余應(yīng)力松馳，引起接頭松動或脫落造成泄漏。因此，換熱器管子與管板的連接技術(shù)研究一直是國內(nèi)外技術(shù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】內(nèi)孔焊技術(shù);換熱器制造;應(yīng)用;

在化工、石油、醫(yī)藥、原子能和核工業(yè)中，換熱器的應(yīng)用十分廣泛，換熱器類型與結(jié)構(gòu)也很多，其中管殼式換熱器是最普遍使用的。在管殼式換熱器的設(shè)計、制造過程中，換熱管與管板之間的連接質(zhì)量好壞決定了換熱器的質(zhì)量、安全和使用壽命。傳統(tǒng)的換熱器均采用的是管子管板角焊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由于自身的局限性，使得焊接質(zhì)量難以保證，特別是無法進(jìn)行直觀判定其優(yōu)劣，在實(shí)際換熱器使用中的損壞絕大部分發(fā)生在管子管板焊接部位。

一、內(nèi)孔焊的優(yōu)點(diǎn)

內(nèi)孔焊不存在管子管板的縫隙，這對抗縫隙腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕有非常明顯的好處。并且還解決了縫隙積存有害元素的問題，更加有利于設(shè)備的清洗和維修。

內(nèi)孔焊是一種完全焊透的焊接接頭結(jié)構(gòu)，因此其抗振動疲勞強(qiáng)度高，具有較高的承受高溫、高壓的能力。對接內(nèi)孔焊管板管孔比端部角焊縫的管孔小，這就增加了管板的剛度，可以減小管板的厚度或管間距。內(nèi)孔焊沒有像端部焊那樣的切口應(yīng)力集中，故不易產(chǎn)生焊根裂紋。內(nèi)孔焊對接接頭可以100%RT，因此焊縫內(nèi)部質(zhì)量科得到監(jiān)督和控制，提高了焊縫的可靠性。內(nèi)控焊的施焊空間雖然很小，但易于實(shí)現(xiàn)自動化。內(nèi)孔焊適用于所有用來制造換熱器的換熱管與管板的連接。內(nèi)孔焊的不足之處是內(nèi)孔焊要求的管板加工精度和裝配精度很高，因而提高了設(shè)備的造價;當(dāng)焊縫出現(xiàn)不合格的缺陷時，返修十分困難。

二、內(nèi)孔焊技術(shù)在換熱器制造中的應(yīng)用

1.焊接工藝參數(shù)確定實(shí)施。一個焊接接頭的焊接程序，包括按下起動按鈕，提前送保護(hù)氬氣，然后送出高頻、起弧，起弧后，在起弧點(diǎn)停留一段時間，用電弧預(yù)熱焊接區(qū)域以建立起熔池;繼而送出脈沖電流，同時機(jī)頭開始轉(zhuǎn)動，焊接一周后電流在指定位置開始衰減，一定時間后，電弧熄滅，延時送氣特定時間后，機(jī)頭停止轉(zhuǎn)動等，這些程序可以按照預(yù)定的參數(shù)自動進(jìn)行。焊接工藝評定是產(chǎn)品制造過程中焊接質(zhì)量管理的一個重要環(huán)節(jié)，是編制產(chǎn)品焊接工藝文件的依據(jù)。將上述焊接工藝參數(shù)輸入到焊接電源的電腦控制系統(tǒng)中，對焊接試件進(jìn)行施焊，焊后對接頭進(jìn)行了著色檢查、水壓試驗、金相檢驗、力學(xué)性能等項目檢測。焊接接頭經(jīng)宏觀金相觀察未發(fā)現(xiàn)有任何缺陷。

2.管子管板內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)及焊接方法。焊接設(shè)備是實(shí)現(xiàn)全位置自動TIG 焊的關(guān)鍵所在。由于焊縫的高質(zhì)量、高可靠性要求，對焊接設(shè)備也提出了很高的要求，國外在上世紀(jì)60 年代末開始研究內(nèi)孔焊，并于70 年代開始應(yīng)用于核設(shè)備上。國內(nèi)在上世紀(jì)70 年代中期開始對內(nèi)孔焊進(jìn)行試驗研究，并于70 年代末期開始應(yīng)用于核設(shè)備、電站設(shè)備上。根據(jù)管板環(huán)形圈布置形式以及管束與殼體的制造和組裝特點(diǎn)，經(jīng)過比較和論證，為便于裝配和拆卸，該氬氣保護(hù)罩制成哈夫結(jié)構(gòu)，使其與換熱管適當(dāng)緊配合，避免氬氣流外逸，保護(hù)不足。設(shè)計時，充分考慮了保護(hù)罩內(nèi)空氣的排除、氬氣的流向以及焊縫的熱影響區(qū)域。使用時，通過進(jìn)氣管充入氬氣，將保護(hù)罩內(nèi)的空氣完全排凈后進(jìn)行內(nèi)孔焊。為了確保裝配時換熱管與管板孔的同心度，需要設(shè)計一個專門的定位芯軸，根據(jù)換熱管內(nèi)徑與管板孔的實(shí)測尺寸設(shè)計定位芯軸，要求制造后與換熱管內(nèi)徑與管板孔的最大間隙不超過0.15mm。芯軸定位后，用焊不加絲在連接處外側(cè)對稱地定位焊兩點(diǎn)。所為內(nèi)孔焊，是將管子管板連接焊縫置于管板殼程一側(cè)，為對接接頭。傳統(tǒng)的管子管板焊接為管子穿出管板，為角接接頭。內(nèi)孔焊是采用氬氣作為內(nèi)、外保護(hù)氣體的自動焊，它是由電源產(chǎn)生的脈沖電流通過與電機(jī)直聯(lián)的旋轉(zhuǎn)鎢極頭利用電弧熱能融化母材金屬的一種焊接方式。內(nèi)孔焊有填絲與不填絲兩種，若換熱管規(guī)格為?25×2mm，一般采用自熔不填絲。內(nèi)孔焊一般采用脈沖焊機(jī)，焊接參數(shù)的選擇由制造廠實(shí)際經(jīng)驗及焊接工藝評定保證。因此，作為監(jiān)理人員，審查焊接工藝評定及見證焊接試塊是必不可少的。焊接設(shè)備是實(shí)現(xiàn)全自動TIG 焊的關(guān)鍵所在，由于焊縫的高質(zhì)量、高可靠性要求，對焊接設(shè)備也提出了很高的要求，需專用的焊接設(shè)備，尤其是內(nèi)孔焊槍頭。

3.管束的焊接過程控制。由于管子內(nèi)件小，管板又薄，焊縫要求單面焊雙面成型，因此管板和管板合攏處的裝配要求很嚴(yán)格，間隙（≤0.2mm）、錯邊量（≤0.3mm）和同心度（≤0.1mm）都需要嚴(yán)格控制。組對后，將焊槍插入，管板殼程側(cè)的施工人員在管子管板焊口位置用專用的氣體保護(hù)罩上好，然后進(jìn)行施焊。每根換熱管焊接結(jié)束后，用內(nèi)窺鏡檢查焊口的焊接質(zhì)量，管板殼程側(cè)的人員管程是否焊透。只要組對良好，焊槍定位準(zhǔn)確，可一次成功。若發(fā)現(xiàn)未焊透，可再次熔一遍。為了施工過程易于組對，焊接時從上向下焊接，由管板正中位置兩側(cè)管孔處豎排施焊，每焊兩列，應(yīng)檢查管板變形情況，發(fā)現(xiàn)變形，即應(yīng)調(diào)整管束兩端的加固位置。

4.焊縫質(zhì)量檢查。在焊接質(zhì)量檢驗方面，由于這種接頭形式極難返修，因此，每焊完一個焊縫后，應(yīng)馬上進(jìn)行檢驗。檢驗項目按圖樣及技術(shù)協(xié)議等要求，以下檢驗項目僅供參考。⑴外觀檢查：經(jīng)檢查的焊接接頭內(nèi)外側(cè)均勻，焊道形狀良好，平滑、美觀、光亮，無可見的焊接缺陷。由于焊縫外部采用氣體保護(hù)套筒，若焊縫內(nèi)外側(cè)呈白亮或淺黃的顏色，則說明氬氣保護(hù)系統(tǒng)是良好的。⑵RT：由于內(nèi)孔焊的特殊接頭形式，留有貼片的空間，因此100%RT 是可行的。但其RT 需要具備的條件較高，如必須有短焦距小能量的放射源、必須解決小尺寸貼片的問題等。⑶PT：對焊縫表面進(jìn)行100%PT 檢查，Ⅰ級合格。由于操作空間較小，且待檢查的一列管子管板焊縫靠近前一列空間更加狹小，在實(shí)際生產(chǎn)中，此方法并不便操作及觀察。逐根氦檢漏：焊接完成后，向待檢焊縫的換熱管里充氦氣，兩頭密閉，形成密閉空間，以氦檢儀顯示的泄漏率為依據(jù)判定焊縫質(zhì)量。若采用嗅吸探頭檢測法，內(nèi)部氦氣保壓，將嗅吸槍頭在管子管板焊縫外側(cè)做繞式的檢查，并實(shí)時觀察氦檢儀數(shù)值變動。逐根水壓：按照管程水壓試驗壓力進(jìn)行檢測，無滲漏、無異常為合格。這對管子兩頭工裝的密閉性要求較高。整體氦檢漏：當(dāng)管板與殼程筒體組裝、組焊完成后，可向殼程充氦氣，在采用深孔焊的管板管程一側(cè)進(jìn)行氦檢漏。整體水壓（殼程）：按照殼程水壓試驗壓力進(jìn)行檢測，逐根檢查管子管板焊縫處，可用內(nèi)窺鏡或手電筒檢查，無滲漏、無異常為合格。

隨著工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)制造廠能夠制造內(nèi)孔焊換熱器的廠家也越來越多，制造水平較以前有很大的提高，高溫高壓且介質(zhì)強(qiáng)腐蝕的換熱器應(yīng)用也愈來愈廣泛，換熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計成為高溫、高壓且介質(zhì)強(qiáng)腐蝕的換熱器設(shè)計的關(guān)鍵，所選用的結(jié)構(gòu)應(yīng)保證安全、同時兼顧經(jīng)濟(jì)的原則，內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)更適用于高溫、高壓且強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的換熱器，對解決管與管板接頭應(yīng)力腐蝕破裂具有顯著的優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：天津華賽爾傳熱設(shè)備有限公司）