熱聯(lián)合換熱器深孔焊技術(shù)及質(zhì)量控制

劉超，丁家興，孫修圣

（南京寶色股份公司技術(shù)中心， 江蘇 南京 211178）

熱聯(lián)合換熱器是PDH行業(yè)丙烷脫氫系統(tǒng)中的配套設(shè)備，主要是將原料加熱至一定溫度后送給加熱爐，同時(shí)為反應(yīng)器的出料產(chǎn)品進(jìn)行降溫處理，起到節(jié)能降耗的作用。因設(shè)備在較高溫度下（通常熱端的工作溫度達(dá)550～620℃）工作，故材質(zhì)選用S30409高碳奧氏體不銹鋼。在熱聯(lián)合換熱器制造過程中，換熱管與管板的焊接是重點(diǎn)及難點(diǎn)工序。不同于常規(guī)換熱類管板端面焊接頭，熱聯(lián)合換熱器的管板接頭設(shè)在管板背面，與換熱管端面通過焊接形成對接形式的連接接頭，這是近年來出現(xiàn)的一種新型換熱管與管板的連接方式[1]。在特殊工況下，這種深孔焊結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了壓力容器的使用壽命和可靠性均優(yōu)于換熱管與管板端面焊結(jié)構(gòu)加脹接接頭形式[2]。本文研究對象來源于我司為國內(nèi)某石化企業(yè)及某能源公司承制的數(shù)臺(tái)熱聯(lián)合換熱設(shè)備，通過對制備制造前的技術(shù)準(zhǔn)備、工藝摸索及過程中易發(fā)問題進(jìn)行研究總結(jié)，為設(shè)備的合格制造及后續(xù)設(shè)備深孔焊技術(shù)的優(yōu)化改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

1 工藝試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)覆募霸嚇又苽?/h3>

為保證熱聯(lián)合換熱器管板接頭深孔焊的順利開展，掌握深孔焊操作及工藝要點(diǎn)，對設(shè)備的焊接接頭進(jìn)行模擬件（Mockup）試驗(yàn)。試驗(yàn)管板采用與設(shè)備規(guī)格完全一致的高碳奧氏體不銹鋼S30409Ⅲ鍛件，換熱管采用設(shè)備同爐批號的無縫管進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)用母材的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)用母材化學(xué)成分（%）

深孔焊的管板尺寸較厚，焊槍需根據(jù)管板的厚度及管孔尺寸進(jìn)行特制，根據(jù)模擬件（Mockup）試驗(yàn)要求，按圖1所示的尺寸進(jìn)行模擬件的加工，采用精加工方式制備滿足圖樣要求的公差管板及待焊接的臺(tái)階結(jié)構(gòu)，車加工制備25根Φ25×2規(guī)格的試驗(yàn)換熱管，每根換熱管長度為100mm。試件制備完成后需用干凈的細(xì)砂布或綢布、毛刷蘸丙酮將坡口兩側(cè)的油污和有機(jī)物等雜質(zhì)清理擦除干凈，保證待焊區(qū)域及周邊的清潔度要求，焊接試驗(yàn)前采用砂紙或不銹鋼絲刷將待焊區(qū)域的氧化膜刷擦去除露出金屬光澤。

圖1 管板規(guī)格及結(jié)構(gòu)圖

1.2 焊接方法及設(shè)備

熱聯(lián)合換熱器的深孔焊采用特制長桿焊槍，焊接時(shí)將長桿由管板端面伸入管孔內(nèi)部，使長桿槍頭的鎢極到達(dá)管板背面臺(tái)階與換熱管對接的縫隙處，長桿焊槍無送絲系統(tǒng)，采用GTAW鎢極高頻引弧，使焊接電弧將換熱管與管板臺(tái)階處的對接母材直接熔化后冷卻形成熔焊接頭，是一種不填絲的自動(dòng)鎢極氬弧焊焊接工藝。該深孔焊焊接系統(tǒng)由焊接電源、十字機(jī)架和焊接機(jī)頭組成，其與常規(guī)換熱器管板端面焊結(jié)構(gòu)所使用的全位置管板焊槍系統(tǒng)的區(qū)別在于焊接機(jī)頭不同，而焊接電源和十字機(jī)架可以相互通用。焊接機(jī)頭由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分、弧長控制系統(tǒng)、槍頭體部分以及手柄、電纜總成部分等組成。本文試驗(yàn)采用的深孔焊設(shè)備焊接系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 深孔焊焊接設(shè)備

1.3焊接工藝

深孔焊采用全位置GTAW自動(dòng)不填絲焊接，焊接過程中母材金屬在電弧熱作用下形成的焊接溶出主要受到重力、表面張力及電弧吹力的影響，在圓周方向上的整個(gè)焊接過程中，只有熔池所受的重力方向均為豎直向下，另外的電弧吹力和熔池的表面張力的方向在各個(gè)圓周角度上均不相同并始終處于變化狀態(tài)，所以深孔焊過程中受力很復(fù)雜，為了使焊接過程穩(wěn)定可控，使焊接工藝性能滿足試驗(yàn)要求，需在不同的位置將圓周方向分成若干個(gè)區(qū)間來設(shè)置不同的焊接參數(shù)，以滿足焊接要求。全位置深孔焊在焊接過程中會(huì)經(jīng)歷平、立向上、立向下、仰等焊接位置，每個(gè)焊接位置如均采用同一參數(shù)進(jìn)行施焊，會(huì)造成焊縫外觀成型均勻性差，甚至?xí)斐珊复⒑噶龅热毕?，影響焊接接頭的穩(wěn)定形成及焊縫的強(qiáng)度和使用性能。

為獲得更好的焊縫外觀成型和焊接質(zhì)量，本試驗(yàn)采用5分區(qū)操作及工藝參數(shù)進(jìn)行模擬件（Mockup）的焊接，每根換熱管焊接角度為370～400°（包含了起弧點(diǎn)和收弧點(diǎn)搭接處的10～40°），每區(qū)為70～80°，起弧點(diǎn)為4～6點(diǎn)鐘方向，逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)焊接；1區(qū)和2區(qū)為立向上焊和仰焊結(jié)合位置，此位置適當(dāng)增大基值和峰值電流可以增大電弧力，以抵消重力的不利影響，減輕焊縫外表面的凹陷；3區(qū)至5區(qū)為立向下焊和平焊位置，此位置適當(dāng)減小基值和峰值電流以適當(dāng)減小電弧力，減少焊縫內(nèi)凹和外側(cè)余高過高。詳細(xì)焊接工藝要求如表2所示，焊接過程中氣體、電流、旋轉(zhuǎn)及時(shí)間的程序示意如圖3所示。

表2 深孔焊焊接工藝參數(shù)

圖3 焊接程序示意圖

1.4 焊接背保護(hù)

焊接過程中，不銹鋼對氧有較大的親和力，所以不銹鋼氬弧焊時(shí)，需要進(jìn)行惰性氣體保護(hù)以防止出現(xiàn)合金元素?zé)龘p、背面焊接成形缺陷等問題。因熱聯(lián)合換熱器深孔焊接頭的焊縫背面在換熱管外側(cè)，為了使焊接過程順利進(jìn)行，背面焊縫形成優(yōu)良，需要制備特殊的外圈背保罩進(jìn)行焊縫背面保護(hù)，保護(hù)罩殼體和導(dǎo)氣管均為不銹鋼材質(zhì)，采用兩哈弗（Half）的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合頁連接，便于在焊前展開套入深孔焊接頭進(jìn)行背面保護(hù)。本模擬件（Mockup）焊接采用的槍保護(hù)氣體和背保護(hù)氣體為純氬氣（99.99%Ar.），保護(hù)氣體流量為8L/min。

1.5 焊縫檢測

按上文中的工藝要求及技術(shù)措施對模擬件進(jìn)行焊接，焊接過程中焊縫外觀如圖4所示。對焊縫進(jìn)行目視檢測發(fā)現(xiàn)，焊接接頭的兩側(cè)熔合很好，焊縫成形均勻，因不填絲焊接的緣故，焊縫成形略微低于兩側(cè)母材，熔合線處輕緩、圓滑過渡，接頭狀況良好。為觀察深孔焊管內(nèi)壁的焊縫情況，采用便攜式內(nèi)窺視鏡，將視覺頭插入換熱管內(nèi)部對內(nèi)壁焊接接頭進(jìn)行表面檢查，同樣未發(fā)現(xiàn)影響焊接接頭外觀成型的缺陷存在，接頭焊縫外觀合格。對整體試件的深孔焊焊縫進(jìn)行100%PT檢測，結(jié)果符合NB/T 47013.5-2015 I級合格。采用內(nèi)窺鏡檢查換熱管內(nèi)部焊縫情況如圖5所示。

圖4 焊接試板實(shí)物圖

圖5 內(nèi)壁焊縫檢查圖

2 產(chǎn)品焊接

2.1 熱聯(lián)合換熱器深孔焊

通過上文的模擬件試驗(yàn)研究，掌握了深孔焊的詳細(xì)操作要點(diǎn)及工藝，由此進(jìn)行熱聯(lián)合換熱器的產(chǎn)品接頭焊接。本產(chǎn)品熱聯(lián)合換熱器直徑為Φ3500，共有換熱管數(shù)量為5000余根，換熱管與管板的規(guī)格尺寸與上文中的模擬件一致。熱聯(lián)合換熱器產(chǎn)品的管板與換熱管外觀如圖6所示，深孔焊管頭的結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖7所示。因產(chǎn)品直徑較大，為了提高焊接效率，實(shí)際采用了兩組焊槍同時(shí)進(jìn)行焊接，焊接過程嚴(yán)格按模擬件調(diào)試工藝參數(shù)進(jìn)行施焊，焊接操作人員按照TSG Z6002-2010考取對應(yīng)施焊資質(zhì)。深孔焊接過程如圖8所示。

2.2 產(chǎn)品深孔焊接頭檢測

熱聯(lián)合換熱器的深孔焊管板接頭結(jié)構(gòu)特殊，焊接接頭在管板背面換熱管側(cè)，因換熱管排布緊湊，如果將所有換熱管按順序焊完，在后續(xù)檢測過程中若出現(xiàn)焊縫質(zhì)量問題需要進(jìn)行返修時(shí)，很難觀察并接觸到焊縫，無法對焊縫進(jìn)行有效穩(wěn)妥的返修，因此在深孔焊過程中，必須按順序依次對焊接接頭進(jìn)行檢測，可進(jìn)行每焊接一根管子檢測一次，或焊接檢測區(qū)域可達(dá)的順序排列的幾根管子后集中檢測一次。檢測包括常規(guī)的焊縫外觀檢測，即換熱管外側(cè)焊縫形貌檢測；再采用內(nèi)窺鏡對焊縫內(nèi)表面進(jìn)行檢查，確認(rèn)目視檢查合格；目視檢查完成后需對該焊接接頭進(jìn)行氦氣檢漏試驗(yàn)，確認(rèn)焊接接頭合格后再進(jìn)行下一根或下一區(qū)域換熱管的深孔焊。本熱聯(lián)合換熱器產(chǎn)品深孔焊接頭的一次焊接合格率高達(dá)99.8%，焊接質(zhì)量優(yōu)異。深孔焊接頭的氦檢漏如圖9所示。

3 深孔焊缺陷分析及質(zhì)量控制

3.1 換熱管燒穿

圖9 氦檢漏試驗(yàn)

在深孔焊焊接過程中發(fā)現(xiàn)，部分換熱管出現(xiàn)如圖10所示的焊縫燒穿問題，因整個(gè)焊接過程中并未改動(dòng)焊接工藝參數(shù)，焊接前管孔與換熱管也經(jīng)過逐根入庫檢驗(yàn)，排除了材料及操作影響因素；后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在深孔焊過程中電流會(huì)產(chǎn)生偶然過載的現(xiàn)象，可能是焊接電源本身因器件老化或干擾等問題造成電源工作過程中偶然存在不穩(wěn)定性，焊接電流實(shí)際值會(huì)超出面板設(shè)定值約15A，因電流過大而造成換熱管管壁燒穿。在設(shè)備焊接過程中發(fā)生該問題后，更換了焊接電源，進(jìn)而在后續(xù)的焊接過程中未發(fā)生同樣的問題。

燒穿問題發(fā)生后需對燒穿的管口進(jìn)行返修，如上文所述設(shè)備的焊接為分步施焊，所以出現(xiàn)的燒穿問題的管口在返修可達(dá)的區(qū)域，因此采用金屬磨頭將缺陷修磨去除后采用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊完成后再采用內(nèi)磨頭進(jìn)行表面修磨，使其圓滑過渡，并目視及氦檢漏合格。返修后的管板接頭焊縫外觀如圖11所示。

3.2 焊槍冷卻水泄漏

特制焊槍是根據(jù)換熱管及管板規(guī)格制備的，換熱管直徑較小，匹配的焊槍槍桿較細(xì)，施焊過程中焊槍散熱條件較差。為改善焊槍的散熱條件，提高焊接效率，需對焊槍采用水冷式設(shè)計(jì)；在焊槍槍桿較長的情況下，需保證焊槍本身和管板之間的絕緣良好，整個(gè)焊接過程中電流只從鎢極處形成閉合回路，因此金屬焊槍外側(cè)通過2段絕緣套進(jìn)行保護(hù)；由于焊接過程中槍體和絕緣套熱脹冷縮特性的差異，導(dǎo)致焊接一段時(shí)候后兩段絕緣套之間存在間隙，進(jìn)而導(dǎo)致金屬槍體外露、直接和管板引弧，槍體被燒穿后其內(nèi)部的冷卻水外溢并沿管板孔流至槍頭處，引起槍頭處打弧，將管板凸臺(tái)及換熱管端口處燒穿。絕緣套本身為易耗品，每焊接約500個(gè)深孔焊接頭后更換一次絕緣套，可最大程度節(jié)約成本并保證焊接過程連續(xù)，避免冷卻水泄漏造成質(zhì)量問題。圖12為焊槍打弧后產(chǎn)生的漏水點(diǎn)與正常焊槍的絕緣套。因冷卻水泄漏使焊槍打弧造成換熱管端頭損壞，返修時(shí)需采用管子內(nèi)部切割機(jī)將換熱管端頭處切去，修磨管板凸臺(tái)后重新進(jìn)行焊接。

3.3 焊槍打弧

除冷卻水泄漏使焊槍打弧外，在整個(gè)熱聯(lián)合換熱器深孔焊過程中還出現(xiàn)了另一種焊槍打弧問題。焊接過程中，整個(gè)焊槍端頭的陶瓷絕緣套處于紅熱狀態(tài)，在經(jīng)過一定周期的焊接后，陶瓷絕緣套由于長時(shí)間的受熱使其被擊穿，進(jìn)而產(chǎn)生導(dǎo)電效應(yīng)，此時(shí)電流不再經(jīng)過鎢極形成閉合回路，而是通過陶瓷絕緣套進(jìn)行放電，導(dǎo)致連接陶瓷絕緣套與槍體的螺帽被高溫熔化，熔化的金屬流至換熱管，使換熱管與焊槍熔為一體，此時(shí)焊槍已不可直接取下，如圖13所示。根據(jù)制造經(jīng)驗(yàn)，陶瓷絕緣套在經(jīng)過約300次受熱后有可能發(fā)生該問題，因此要求焊接300個(gè)深孔焊接頭后對陶瓷絕緣套進(jìn)行更換。對該焊接問題的返修處置需先采用砂輪片小心地將換熱管端頭切下，然后再用管子內(nèi)部切割機(jī)將換熱管端頭切割去除，并修磨管板凸臺(tái)后重新進(jìn)行深孔焊焊接。

4 結(jié)論

（1）采用4～6點(diǎn)鐘起弧，5分區(qū)，分區(qū)度數(shù)70-80°，脈寬頻率2，焊接速度140mm/min，焊接電壓11.4V，基值電流80～90A，峰值電流130～150A的焊接工藝參數(shù)，配合特制的背面保護(hù)裝置，可以施焊出質(zhì)量合格，滿足Φ25×2規(guī)格要求的熱聯(lián)合換熱器深孔焊接頭焊縫。

（2）分析了熱聯(lián)合換熱器深孔焊過程中出現(xiàn)的換熱管燒穿、冷卻水泄漏及焊槍打弧的原因，提出對燒穿缺陷的返修方法，給出了影響打弧因素的備品備件的更換頻次，為后續(xù)設(shè)備的制造及同行提供質(zhì)量控制參考。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 梅文佳，雷小偉，郭小輝，等. 內(nèi)孔焊技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2017，(2)：100-104.

[2] 趙瑞輝，張連偉，許明霞，等. 淺談?chuàng)Q熱管與管板內(nèi)孔焊技術(shù)[J].中國化工裝備，2013，(6)：12-16.