換熱管-管板焊接接頭的焊接工藝評定

(威特立創(chuàng)能科技(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215122)

換熱管與管板的連接是管殼式熱交換器制造過程中的關(guān)鍵工序,其連接質(zhì)量直接關(guān)系到熱交換器的安全和穩(wěn)定運(yùn)行[1]。強(qiáng)度焊+貼脹是目前國內(nèi)熱交換器設(shè)計(jì)和制造過程中廣泛采用的一種換熱管與管板連接方式[2]。ASME BPVC Section IX—2019《Welding，Brazing，and Fusing Qualifications》[3]的權(quán)威性與廣泛性一直為世界各國所公認(rèn),我國鍋爐、壓力容器及壓力管道行業(yè)的焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)大多參照采用該規(guī)范，取得了良好的效果,同時也產(chǎn)生了對標(biāo)準(zhǔn)理解上的分歧[4-6]。

對于換熱管與管板的焊接工藝評定目的，目前獲得多數(shù)認(rèn)可的是，在保證焊接接頭力學(xué)性能基礎(chǔ)上，獲得角焊縫厚度符合指定技術(shù)要求的焊接工藝規(guī)程[7]。筆者認(rèn)為，由于換熱管與管板接頭的結(jié)構(gòu)形式特殊，通常換熱管壁厚與管板壁厚的相差較大，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正文給出的評定規(guī)則(簡稱正文評定)來保證接頭的性能是不現(xiàn)實(shí)的。文中對NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》[8]及ASME BPVC Section IX—2019關(guān)于換熱管與管板接頭評定的規(guī)定進(jìn)行比較，探討這種理解的不合理之處。

1 換熱管與管板焊接接頭評定方式

1.1 評定方式國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

ASME BPVC.BPVC Section IX—2019中規(guī)定換熱管與管板焊接接頭評定的方式有2種，一是型式試驗(yàn)(模擬件)，二是對接或角接試件的焊接試驗(yàn)(此種方式要求焊工及焊機(jī)操作工的技能評定也要采用型式試驗(yàn)來評定)。這2種評定方式的評定規(guī)則相互獨(dú)立，其選用依據(jù)設(shè)計(jì)文件及相關(guān)規(guī)范規(guī)定確定。比如，當(dāng)按ASME BPVC VIII.2—2019《Rules for Constructions of Pressure Vessels》[9]進(jìn)行設(shè)計(jì)時，必須采用型式試驗(yàn)來評定。API RP 582—2016《Welding Guidelines for the Chemical，Oil and Gas Industries》[10]中規(guī)定，當(dāng)焊接接頭為強(qiáng)度焊或者承受壓力時，要采用型式試驗(yàn)來進(jìn)行評定；當(dāng)焊接接頭僅為了密封時，可以采用對接試件或者角接試件進(jìn)行評定。

NB/T 47014—2011中規(guī)定，對于換熱管-管板焊接接頭為強(qiáng)度焊、脹焊并用時，先按正文評定規(guī)則進(jìn)行評定，并根據(jù)正文評定的焊接工藝評定記錄(PQR)編制附加評定的焊接工藝規(guī)程(pWPS)，再按附加評定規(guī)則進(jìn)行評定，也就是NB/T 47014—2011附錄D所指的分別評定。也可僅焊接一副評定試件，并按正文評定規(guī)則和附加評定(附錄D所說的合并評定)規(guī)則進(jìn)行評定。對于其他情況，僅按正文評定規(guī)則進(jìn)行評定，即僅進(jìn)行對接評定或角接頭評定。此條NB/T 47014—2011并沒有明確的文字說明，因此有人認(rèn)為宜繼續(xù)參照NB/T 47014—2011附錄D進(jìn)行評定。GB/T 151-2014《熱交換器》中規(guī)定，對強(qiáng)度焊接及內(nèi)孔焊的焊縫，焊接前應(yīng)該按照NB/T 47014-2011進(jìn)行焊接工藝評定。GB/T 151-2014 在NB/T 47014-2011 之后頒布實(shí)施，但沒有要求換熱管-管板焊接接頭的評定方式跟NB/T 47014-2011保持一致。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)評定方式實(shí)際應(yīng)用問題

對于換熱管-管板焊接接頭為強(qiáng)度焊、貼脹焊并用的情況，NB/T 47014—2011的規(guī)定是想通過正文評定來保證接頭的力學(xué)性能，再通過附加評定保證接頭的焊縫尺寸，但這樣規(guī)定能保證的接頭的力學(xué)性能也僅僅是拉伸和彎曲性能，以下舉例進(jìn)行說明。某換熱管-管板焊接接頭尺寸要求見圖1。

圖1 某換熱管-管板焊接接頭尺寸要求

焊接時若需要考慮沖擊試驗(yàn)，通常會選擇2個等厚對接評定。為了方便起見，將這2個等厚對接評定分別編號為PQR1和PQR2。PQR1和PQR2要求的焊接厚度均不小于1 mm，PQR1要求的評定試件母材厚度為1～4 mm(包括1 mm和4 mm)，PQR2要求的評定試件母材厚度T≥20 mm。PQR1和PQR2存在如下問題：①PQR1要求的厚度雖然覆蓋了換熱管的壁厚，但是該評定的母材厚度較薄，實(shí)際上無法對焊接接頭進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，也就無法從理論上保證焊接接頭的沖擊性能。②在根據(jù)PQR1和PQR2編制指導(dǎo)附加評定的pWPS時，通常會碰到PQR2中要求的最低預(yù)熱溫度高出PQR1中要求的最大道間溫度。若PQR1是單道焊的評定，PQR2是多道焊的評定，此時就不存在1個能同時滿足這2個等厚對接評定的焊接工藝規(guī)程(WPS)。

1.3 基于解決方案的評定標(biāo)準(zhǔn)比較

1.3.1解決方案

對于圖1所示的例子，要解決不存在1個WPS同時滿足2個等厚對接評定的情況，可以選用不等厚的正文評定。假設(shè)僅采用1種焊接方法，選用不等厚對接評定，對接形式見圖2。其中，評定厚板側(cè)覆蓋厚度16～40 mm，薄板側(cè)覆蓋厚度2～8 mm，焊縫覆蓋厚度0～8 mm。

圖2 換熱管-管板不等厚對接評定形式

即使選用不等厚對接進(jìn)行評定，還存在著新的問題。由于薄板厚度的限制，獲得的焊接接頭的焊縫厚度較薄，也不具備對焊接接頭進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的條件?！秹毫θ萜骱附庸に囋u定的制作指導(dǎo)》[11]中PQR GB01的pWPS依據(jù)的正文評定為PQR 8106，該評定的母材厚度為16 mm，即使不需要沖擊試驗(yàn)，其母材厚度的覆蓋下限也為5 mm，不能覆蓋換熱管的壁厚(2 mm)，所以更無法保證換熱管與管板接頭的力學(xué)性能。

為了更好保證換熱管-管板焊接接頭的性能，制造企業(yè)目前多采用全自動脈沖氬弧焊焊機(jī)進(jìn)行焊接[12]。這種焊機(jī)具有自動調(diào)節(jié)弧長功能，可通過控制面板進(jìn)行不同焊接參數(shù)的預(yù)置，可存儲50個程序，并可按照焊接位置分區(qū)設(shè)置參數(shù)，能夠避免焊接上、下坡位置時產(chǎn)生焊接缺陷[13]。但該焊機(jī)不適宜焊接對接試件或角接試件，無法根據(jù)對接或角接的正文評定編制指導(dǎo)附加評定的pWPS，遇到對接試件或角接試件只能采用合并評定。當(dāng)采用合并評定時，既無法對接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)，也無法對接頭進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，因此從理論上也無法保證接頭的力學(xué)性能。

1.3.2標(biāo)準(zhǔn)比較

上述解決方案的提出及討論表明，通過NB/T 47014—2011的正文評定并不能完全保證焊接接頭的力學(xué)性能，而且這樣還可能會推導(dǎo)出與NB/T 47014—2011正文里的某些規(guī)定(比如母材厚度覆蓋規(guī)則)相矛盾的結(jié)論，因此不宜通過正文評定來保證換熱管-管板焊接接頭的力學(xué)性能。這也是ASME BPVC Section IX—2019中2種評定規(guī)則相互獨(dú)立的原因。所以，對換熱管-管板焊接接頭，只能通過規(guī)定焊材選用、熱處理類型的覆蓋范圍、預(yù)熱要求等措施來保證接頭的力學(xué)性能。ASME BPVC Section IX—2019有關(guān)換熱管與管板接頭的型式試驗(yàn)評定規(guī)則中并沒有與線能量有關(guān)的評定規(guī)則也說明了這一點(diǎn)。

2 換熱管與管板焊接接頭評定規(guī)則

2.1 評定規(guī)則總體比較

NB/T 47014-2011中換熱管與管板接頭的附加評定規(guī)則與ASME BPVC Section IX—2019中型式試驗(yàn)的評定規(guī)則相比，少了對焊接方法、焊接位置、預(yù)熱溫度、熱處理類型、電流極性和種類、焊材類別等的規(guī)定。這些規(guī)定是ASME BPVC Section IX—2019保證接頭力學(xué)性能的有效手段。NB/T 47014—2011是通過正文評定來保證的，這些規(guī)定也僅包含在正文評定規(guī)則中。

2.2 評定變素對比及分析

2.2.1管板厚度

NB/T 47014—2011 要求附加評定試件采用的管板厚度不小于20 mm，因此通常評定試件所采用的管板厚度為20 mm。ASME BPVC Section IX—2019中QW-193.1規(guī)定，型式試驗(yàn)試件應(yīng)盡量復(fù)制產(chǎn)品的管子管板連接，所采用管板的厚度應(yīng)至少與產(chǎn)品管板的厚度相同，但不必超過50 mm。

管板厚度是影響換熱管與管板焊接接頭的冷卻速度和拘束度的主要因素，因此當(dāng)模擬件管板的厚度不小于產(chǎn)品管板的厚度時，才能更準(zhǔn)確地模擬產(chǎn)品焊接接頭的受力情況和焊接冶金情況，更準(zhǔn)確地驗(yàn)證焊接工藝的正確性?；谶@一認(rèn)識來評價標(biāo)準(zhǔn)，ASME BPVC Section IX—2019給出的規(guī)定是合理的，而NB/T 47014—2011給出的規(guī)定是否合理還需根據(jù)產(chǎn)品管板的實(shí)際厚度進(jìn)一步確定。比如管板厚度為50 mm時，焊接時需要對焊接接頭進(jìn)行預(yù)熱評定才能合格，而厚度為20 mm時不預(yù)熱評定就可以合格，這樣采用20 mm厚度的管板進(jìn)行評定就無法發(fā)現(xiàn)預(yù)熱溫度的選擇是否正確。若產(chǎn)品管板的厚度為50 mm，而不加區(qū)別地采用20 mm厚度的管板試件進(jìn)行評定并形成WPS進(jìn)行焊接操作，就可能出現(xiàn)裂紋等后果，而換熱管與管板焊接接頭一旦出現(xiàn)裂紋，返修起來很困難。

此外，當(dāng)模擬件管板的厚度達(dá)到一定限度時，比如ASME BPVC Section IX—2019規(guī)定的50 mm，已經(jīng)足夠模擬產(chǎn)品接焊接頭的實(shí)際情況，這也是通常對接評定40 mm的試件厚度可以覆蓋到200 mm的產(chǎn)品厚度的原因之一。因此當(dāng)模擬件管板厚度達(dá)到一定厚度時，沒有必要再要求模擬件管板的厚度必須不小于產(chǎn)品管板的厚度。筆者認(rèn)為ASME BPVC Section IX—2019的規(guī)定的模擬管板厚度上限也是合理的。

2.2.2換熱管尺寸

NB/T 47014—2011附錄D第D.4.2.1條規(guī)定，試件中換熱管公稱壁厚b≤2.5 mm時，評定合格的焊接工藝適用的焊件中換熱管的公稱壁厚不得超過1±0.15b，b值常取1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm和2.5 mm這4個值。而ASME BPVC Section IX—2019中規(guī)定，當(dāng)換熱管壁厚不大于2.5 mm時，產(chǎn)品換熱管壁厚相對于工藝評定所用換熱管厚度的改變超過10%時要重新評定。當(dāng)試件換熱管的公稱外徑d≤50 mm、公稱壁厚b≤2.5 mm時，NB/T 47014—2011附錄D第D.4.2.2條規(guī)定，評定合格的焊接工藝適用的焊件中換熱管的公稱外徑不小于0.85d。而ASME BPVC Section IX—2019中規(guī)定的換熱管外徑的覆蓋范圍為不小于0.9d。綜上，ASME BPVC Section IX—2019的這些規(guī)定比NB/T 47014—2011中的更嚴(yán)格。實(shí)際上，當(dāng)試件換熱管公稱壁厚不大于2.5 mm時換熱管公稱壁厚的覆蓋范圍很窄，公稱壁厚發(fā)生改變基本上就意味著要重新進(jìn)行評定。焊接工程師在進(jìn)行評定時，宜采用較小的換熱管公稱外徑。

2.2.3焊道數(shù)量

NB/T 47014—2011與ASME BPVC Section IX—2019中均包含“由每面單道焊改為每面多道焊，或反之”這么1條規(guī)則，此規(guī)則隱含了2層意思，即每面單道焊改為每面多道焊后要重新評定，每面多道焊改為每面單道焊后也要重新評定。

相同的接頭形式，既要求根部成形良好，又要滿足要求的角焊縫厚度，當(dāng)每面單道焊改為每面多道焊時，需減小第一道焊縫的熱輸入，這樣就無法保證根部的成形情況，必須重新評定。當(dāng)每面多道焊改為每面單道焊時，焊接的熱輸入要增加，可能會發(fā)生燒穿換熱管的情況，而且也無法保證焊接接頭的角焊縫厚度和成形情況，因此也必須重新評定。

ASME BPVC Section IX—2019這樣規(guī)定也有限制熱輸入的作用，在需要做沖擊試驗(yàn)時保證焊接接頭的沖擊性能，但僅僅這樣限制并不全面。如若評定試件焊接采用的是兩道焊，產(chǎn)品接頭采用的是三道焊，根據(jù)這條評定規(guī)則，由于評定試件和產(chǎn)品焊接接頭的焊接都采用的是多道焊，因此不屬于必須重新評定的情況，但是由兩道焊改為三道焊也勢必要減少每道的熱輸入，也可能會出現(xiàn)無法保證根部成形的情況。同理，由三道焊改為兩道焊時，又需要增加每道的熱輸入，這也可能會出現(xiàn)燒穿換熱管的情況。為了避免出現(xiàn)這樣的問題，NB/T 47014—2011和ASME BPVC Section IX—2019又通過另一規(guī)則來限制，即電流比評定值改變超過10%時要重新評定。

2.2.4焊接電流

在焊接參數(shù)中，電流對熔深的影響比較顯著。隨著電流增大，熱輸入和電弧力均增大，熱源位置下移，固熔深增大。熔深與焊接電流近似成正比關(guān)系。以埋弧焊(SAW)為例，一般電流每增加100 A，熔深相應(yīng)增加1 mm。當(dāng)焊接電流較大時，焊道較寬，且容易導(dǎo)致?lián)Q熱管熔穿。當(dāng)焊接電流較小時，容易造成焊縫根部未熔合[14]。NB/T 47014-2011和 ASME BPVC Section IX—2019中均規(guī)定許用的電流變化幅度僅為10%，由此可知，評定合格后編制的WPS基本上就專門用于與試件相同的焊接接頭的焊接。

值得注意的是，當(dāng)焊接速度較慢時，單位時間焊縫金屬的填充量可能會比較大，也容易造成接頭根部未焊透，此外也可能會出現(xiàn)熱輸入較大的情況，不僅可能會造成換熱管出現(xiàn)難以接受的變形而影響到焊縫金屬的繼續(xù)填充，而且成形也可能很差。但2個標(biāo)準(zhǔn)都沒有對焊接速度進(jìn)行限制。此外當(dāng)需要進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時，這樣限制電流也可以認(rèn)為是ASME BPVC Section IX—2019保證接頭沖擊性能的一種方式。

2.2.5接頭形式

NB/T 47014—2011中換熱管-管板焊接接頭附加評定規(guī)則中未對接頭形式進(jìn)行規(guī)定，ASME BPVC.IX—2019中型式試驗(yàn)評定規(guī)則對其進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。ASME BPVC Section IX—2019在QW-288.1規(guī)定，焊接接頭形式發(fā)生改變(超過制造公差)，例如增添或去除預(yù)置填充金屬、增加坡口深度、減少坡口角度以及改變坡口形式，則焊接接頭就要重新進(jìn)行評定。值得一提的是，這些變素在美國鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)AWS D1.1-2020《Structural Welding Code-Steel》[15]中也是主要變素。

焊接接頭形式的改變主要會影響到根部接頭的成形情況，焊接接頭坡口角度減少時，相同大小電流的熔深會極大減小，焊槍的角度就要適時調(diào)整。手工焊焊接時，可以利用焊工的主觀能動性進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)來保證根部的成形。但換成自動焊時，不僅要調(diào)節(jié)焊槍的角度，有時還可能要適當(dāng)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)。若焊接接頭的坡口角度發(fā)生改變而焊接操作使用的焊接規(guī)范保持不變，則焊縫根部可能出現(xiàn)無法熔透的情況。坡口深度的增加也存在類似的情況，以圖1所示的接頭形式為例，某公司曾做過試驗(yàn)，采用全自動脈沖氬弧焊焊機(jī)進(jìn)行焊接完全可以保證接頭的性能，當(dāng)接頭的坡口深度增加為5 mm時，若不改進(jìn)全自動脈沖氬弧焊焊機(jī)的機(jī)頭，根本無法保證接頭的性能，當(dāng)換熱管外徑也較大時甚至無法用自動脈沖氬弧焊焊機(jī)進(jìn)行焊接，此種情況下可行的焊接工藝方案為采用手工氬弧焊打底，再用焊條電弧焊進(jìn)行填充和蓋面。

筆者認(rèn)為，NB/T 47014—2011宜引入對接頭形式的規(guī)定以切實(shí)保證換熱管-管板焊接接頭的性能。否則，制造單位通常會用圖1所示的接頭形式的評定進(jìn)行覆蓋，這樣根本無法發(fā)現(xiàn)坡口形式的改變對換熱管與管板接頭焊接質(zhì)量的影響。

2.2.6改變焊縫的A-No.號

ASME BPVC Section IX—2019不僅對母材和焊材進(jìn)行了分類，而且對鋼質(zhì)焊縫熔敷金屬化學(xué)成分進(jìn)行了分類，即為A-No.號[16]。以 SA 516 Gr.70的評定為例，當(dāng)要求沖擊溫度為0 ℃時可以使用常規(guī)的AWS A5.1 E7015焊條，當(dāng)要求沖擊溫度為-46 ℃時就要使用低溫鋼焊材，比如AWS A5.5 E8016-G焊條。這2種焊條的F-No.號相同，但其焊縫的A-No.號不同，因此也必須重新評定。

NB/T 47014-2011中沒有對熔敷金屬化學(xué)成分進(jìn)行分類，對于母材類組別相同、焊材分類也相同的2個焊接進(jìn)行的評定，例如，Q345R用E5015進(jìn)行焊接的評定與16MnDR用E5516-G進(jìn)行焊接的評定，有些人員認(rèn)為不需要再重新進(jìn)行評定，這顯然不合理。

3 檢驗(yàn)結(jié)果與結(jié)果評定

NB/T 47014-2011 附加評定與ASME BPVC Section IX—2019中換熱管與管板焊接接頭型式試驗(yàn)的檢測項(xiàng)目及評定要求見表1。

表1 換熱管與管板焊接接頭型式試驗(yàn)檢測項(xiàng)目評定要求

從表1的評定要求可以看出，ASME BPVC Section IX—2019要求檢驗(yàn)更多數(shù)量的接頭，更關(guān)注于泄漏通道，而不是角焊縫厚度，外觀要求除了要求沒有裂紋外，還要沒有氣孔，無未熔合且管壁沒有明顯燒穿。

4 結(jié)語

對照ASME BPVC Section IX—2019，討論了NB/T 47014—2011對換熱管與管板焊接接頭評定方式規(guī)定的不合理之處和ASME BPVC Section IX—2019的合理之處。

對于NB/T 47014—2011，認(rèn)為沒有必要通過正文評定來保證接頭的性能，因?yàn)槎鄶?shù)情況下根本無法保證，而且也可能與正文評定規(guī)則中的內(nèi)容相矛盾。

對于ASME BPVC Section IX—2019，換熱管與管板接頭采用型式試驗(yàn)的評定規(guī)則中有一些規(guī)定更能保證接頭的性能，比如對評定試件采用的管板厚度、接頭坡口形式以及對A-No.號的規(guī)定。