蛇形管高壓加熱器換熱管與集管焊接工藝研究

馮莉明，郭偉杰

(上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠(chǎng)，上海 200090)

0 概述

為了更好地適應(yīng)大型機(jī)組及調(diào)峰機(jī)組的運(yùn)行，加熱器需要更高的抗熱沖擊性能。為此，蛇形管高壓加熱器采用獨(dú)特的集管結(jié)構(gòu)，取代了U形管式高壓加熱器厚重的管板和水室。但蛇形管高壓加熱器的制造工藝與常規(guī)換熱器有很大的不同之處，有多項(xiàng)制造難關(guān)需要攻克，換熱管與集管障礙焊焊接就是其中之一。

在蛇形管高壓加熱器中，換熱管與集管的對(duì)口焊接，其空間狹小，難以實(shí)施自動(dòng)焊接。產(chǎn)品制造時(shí)需要一層一層施焊，每個(gè)焊口需進(jìn)行100%RT和100%PT檢測(cè)，檢驗(yàn)合格后才能進(jìn)行下一層的焊接。如存在返修，就會(huì)嚴(yán)重影響下一層的生產(chǎn)進(jìn)度。

焊縫結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。層與層之間的距離很小，焊接某一層管子時(shí)，下半圓存在視覺(jué)盲區(qū)，正常施焊和補(bǔ)焊有相當(dāng)大的難度。由于空間位置限制，一旦出現(xiàn)焊接缺陷無(wú)法用普通磨光機(jī)或者銼刀清除缺陷，只能采用專(zhuān)門(mén)的割管機(jī)割掉焊口重新進(jìn)行焊接。

鑒于上述原因，為保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度，需要較高的焊接成功率。

本文通過(guò)模擬施焊及模擬補(bǔ)焊研究，確定可行的施焊工藝參數(shù)、操作手法和返修措施。通過(guò)技能操作訓(xùn)練，提高焊接成功率，保證了蛇形管高壓加熱器最終的順利出產(chǎn)[1]。

1 焊接分析[2-3]

1.1 換熱管材料焊接性分析

蛇形管高壓加熱器中換熱管材料為15Mo3鋼，15Mo3屬于珠光體耐熱鋼，其金相組織為珠光體+鐵素體，在焊接過(guò)程中易產(chǎn)生冷、熱裂紋，而且熱影響區(qū)易脆化，其合金元素主要以固溶體和化合物兩種形式存在于鋼中。

碳是以碳化物的形式存在于鋼中，它可以提高強(qiáng)度及淬硬性。含碳量的高低對(duì)可焊性、焊接熱裂紋的敏感性、熱影響區(qū)裂紋傾向等均有明顯影響。

鉻在鋼中主要提高鋼的抗氧化能力，還可提高鋼的耐腐蝕性。但由于碳元素與鉻的親和力較大，易形成鉻的碳化物，因而對(duì)抗氧化性極為不利。

硅融入鐵素體中起固溶強(qiáng)化作用，但它的有害作用是增加了回火脆性及晶粒粗大傾向，使焊接性能下降。

在15Mo3鋼中除C、Si、Cr元素外，還含有Mn、Mo等合金元素，這些元素提高了鋼的力學(xué)性能、抗氧化性能和熱強(qiáng)性能，這些元素在不同程度上對(duì)焊接性能產(chǎn)生影響，整體可焊性較好。15Mo3化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 15Mo3鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能

1.2 集管材料焊接性分析

蛇形管高壓加熱器中集管材料為15NiCuMoNb合金鋼。該合金鋼屬于低合金結(jié)構(gòu)鋼中的調(diào)質(zhì)型彌散強(qiáng)化鋼，它是在碳錳鋼的基礎(chǔ)上添加Ni-Cu-Mo-Nb合金元素發(fā)展起來(lái)的。通過(guò)銅的沉淀強(qiáng)化可以提高材料的強(qiáng)度和抗腐蝕性能，添加一定的鎳是為了消除由于銅的存在而帶來(lái)的高溫紅脆趨勢(shì)，同時(shí)加入一定量彌散的鈮可進(jìn)一步細(xì)化晶粒，提高材料的綜合性能。由于該鋼中加入了Ni、Cu、Mo、Nb等合金元素，起到了細(xì)晶強(qiáng)化及沉淀強(qiáng)化的效果，從而大大提高了該鋼種的高溫強(qiáng)度以及持久強(qiáng)度，并且銅的加入并沒(méi)有降低鋼的持久塑性。該鋼的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，具有良好的焊接性能，其化學(xué)成份及力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 15NiCuMoNb合金鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能

1.3 焊接難題分析

蛇形管高壓加熱器中蛇形管布置密集，且成排組對(duì)，管與管之間、排與排之間的間隙非常小。由于空間狹小，焊接任意一道焊口時(shí)別的管子都會(huì)對(duì)操作形成障礙，難以正常焊接。焊接過(guò)程中一旦形成氣孔、夾渣等焊接缺陷無(wú)法采用砂輪清除缺陷，只能整根割下，重新加工坡口，重新焊接。為保證焊縫質(zhì)量進(jìn)而保證整體生產(chǎn)進(jìn)度，必須采取一系列措施來(lái)保證較高的焊接成功率。

2 制定焊接工藝

2.1 焊接方法選擇

首先考慮采用自動(dòng)氬弧焊方式焊接此焊縫。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，如在接管外側(cè)進(jìn)行焊接，目前市場(chǎng)上沒(méi)有滿(mǎn)足此間隙的自動(dòng)焊設(shè)備；如采用內(nèi)孔焊焊槍從接管內(nèi)部焊接，由于換熱管管徑較小，滿(mǎn)足此管徑的內(nèi)孔焊焊槍不具備水冷和加絲功能，而蛇形管高壓加熱器換熱管的壁厚較厚(4 mm)，不加絲焊接很難保證焊縫質(zhì)量，焊槍不具備水冷功能也會(huì)導(dǎo)致焊接效率較低。

鑒于上述原因，最終選擇采用手工氬弧焊方式進(jìn)行換熱管與集管焊縫的焊接，但由于空間障礙原因，常規(guī)氬弧焊焊槍和小規(guī)格氬弧焊焊槍均無(wú)法滿(mǎn)足換熱管與集管焊縫空間尺寸要求。為解決此難題，定制了能夠滿(mǎn)足此空間尺寸的氬弧焊焊槍。但焊槍尺寸減小后，氣體保護(hù)效果也會(huì)變差。通過(guò)大量試驗(yàn)持續(xù)對(duì)焊槍進(jìn)行改進(jìn)，最終開(kāi)發(fā)出焊接質(zhì)量穩(wěn)定、氣體保護(hù)效果良好的焊槍?zhuān)瑵M(mǎn)足使用要求。

2.2 焊接材料及焊接設(shè)備

2.2.1 焊接材料

根據(jù)焊材選材的低配原則，焊材主要元素含量見(jiàn)表3。

表3 焊絲化學(xué)成分

2.2.2 焊槍、焊機(jī)

由于焊接位置差，管間距小，通用的鎢極氬弧焊焊槍難以滿(mǎn)足需要。根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際空間位置，專(zhuān)門(mén)定制了非常規(guī)小型氬弧焊焊槍(見(jiàn)圖2)，并需確保焊接過(guò)程的保護(hù)效果，焊機(jī)具備提前送氣、滯后停氣、高頻引弧、電流衰減滅弧等功能。

2.3 坡口形式

坡口形式選用V形對(duì)接，詳見(jiàn)圖3.

2.4 焊前準(zhǔn)備

1)焊前對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行打磨除銹至金屬光澤，并將打磨碎屑清理干凈；

2)在焊接現(xiàn)場(chǎng)搭制防風(fēng)棚以防風(fēng)；

3)焊絲用砂紙打磨除銹并用丙酮擦洗，焊絲中間剪斷減少手持負(fù)擔(dān)；

4)調(diào)整焊機(jī)選擇合適的焊接電流，檢查焊縫裝配情況，檢查焊接氣體流量及背面保護(hù)氣體情況；

5)焊前試槍?zhuān)诖蚰ス饣? mm鐵板上進(jìn)行焊槍調(diào)試，確定焊槍的氣體保護(hù)效果及電流是否穩(wěn)定，以確保焊接正常進(jìn)行；

6)焊前進(jìn)行預(yù)熱。

2.5 焊接操作手法

由于焊縫三面均存在障礙，打底焊焊接時(shí)外加絲難度較大且不好控制。為保證打底焊質(zhì)量，需采用特定送絲方法，焊絲通過(guò)坡口上方裝配好的間隙以特定角度送至坡口底部，調(diào)整焊槍角度(因管排之間的障礙，焊槍無(wú)法按正常角度放置)，根據(jù)實(shí)際情況盡量調(diào)整到不被障礙阻擋的上限角度，視線(xiàn)以斜視調(diào)整到最佳視角。焊接過(guò)程中根據(jù)視線(xiàn)所及部分，在腦中模擬熔池?cái)傞_(kāi)的大小，控制熔滴過(guò)渡方式，最終完成打底焊縫焊接。

焊接采用左右手施焊的方式。焊接左邊障礙部分焊縫時(shí)，左手拿焊槍?zhuān)沂炙徒z；焊接右邊障礙部分焊縫時(shí)，右手拿焊槍?zhuān)笫炙徒z。焊接過(guò)程中注意焊槍角度的時(shí)時(shí)變化及焊槍噴嘴與管子的距離，使焊縫得到充分的氣體保護(hù)，防止出現(xiàn)焊接氣孔。

封底打底焊焊接完成，蓋面焊接時(shí)，因管與管的間距較小，存在視覺(jué)盲區(qū)。焊接視覺(jué)盲區(qū)位置時(shí)，根據(jù)視線(xiàn)所及的焊接位置在腦中模擬盲區(qū)，確定合適起弧位置(起弧前鎢極先觸碰焊縫，然后拉開(kāi)一點(diǎn)點(diǎn)距離起弧)，等待熔池完全打開(kāi)再加入焊絲填滿(mǎn)熔池，焊槍可稍許擺動(dòng)把熔池帶到坡口兩邊，加絲填滿(mǎn)熔池使焊縫無(wú)未熔合現(xiàn)象。

因空間位置限制，焊接只能采取斷弧焊，應(yīng)特別注意接頭處的焊接質(zhì)量，特別是視線(xiàn)盲區(qū)位置的接頭質(zhì)量。焊接過(guò)程中需要提前送氣和滯后停氣，保證焊接時(shí)的氣體保護(hù)效果。需反復(fù)練習(xí)，控制焊接速度和送絲速度均勻、快速，降低熱輸入，保證蓋面焊縫的成形質(zhì)量，防止咬邊、焊縫余高較大等。

3 焊接模擬訓(xùn)練

對(duì)于蛇形管高壓加熱器蛇形管和集管障礙焊，由于焊接時(shí)焊縫三面有障礙，存在施焊盲區(qū)，對(duì)焊工操作水平要求非常高。焊接過(guò)程中一旦出現(xiàn)焊接缺陷返修困難，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度。為保證生產(chǎn)進(jìn)度，達(dá)到較高的焊接合格率，模擬產(chǎn)品按1：1的比例制作模擬件，進(jìn)行模擬焊接訓(xùn)練，提高障礙焊焊接操作技能水平。

為保證訓(xùn)練質(zhì)量，制定了模擬訓(xùn)練計(jì)劃，通過(guò)四個(gè)階段，由易到難，進(jìn)行模擬焊接訓(xùn)練。

3.1 基礎(chǔ)訓(xùn)練

蛇形管與集管焊接時(shí)，因空間障礙，需要左右手分別完成兩個(gè)半圈的焊接，而且打底時(shí)需要采用內(nèi)送絲的送絲手法。通常產(chǎn)品焊接時(shí)，焊工常采用慣用手進(jìn)行焊接，非慣用手焊接則熟練度不夠，送絲方式也多為外送絲。因此有必要對(duì)左右手焊接和內(nèi)送絲手法進(jìn)行基礎(chǔ)訓(xùn)練。

此階段分兩步進(jìn)行，首先練習(xí)光管開(kāi)槽焊接。在光管上開(kāi)特定形狀圓槽，通過(guò)左右手焊接填滿(mǎn)圓槽，練習(xí)左右手焊接的協(xié)調(diào)性。

然后通過(guò)光管的對(duì)接焊，練習(xí)送絲手法。

3.2 管板障礙訓(xùn)練

在簡(jiǎn)易工裝或碳鋼板上裝焊多根碳鋼管，采用管對(duì)接的焊接方式進(jìn)行初步障礙練習(xí)。管板障礙訓(xùn)練形式見(jiàn)圖4，第一排以及第二排的左右邊均預(yù)先焊接長(zhǎng)管，模擬障礙。焊接中間一根管對(duì)接進(jìn)行訓(xùn)練，短管先焊接好，模擬短接頭，再與長(zhǎng)管對(duì)接焊接。焊好后取下此根管，重復(fù)練習(xí)。

3.3 模擬件訓(xùn)練

在制作的1:1的焊接模擬件進(jìn)行焊接訓(xùn)練。此焊縫空間位置及結(jié)構(gòu)形狀與實(shí)際產(chǎn)品相同，可通過(guò)這個(gè)階段的反復(fù)練習(xí)，熟悉產(chǎn)品焊接情況。

3.4 模擬返修訓(xùn)練

通過(guò)前三個(gè)階段的訓(xùn)練，掌握障礙焊焊接技能后，在模擬件上進(jìn)行模擬返修訓(xùn)練，為焊縫返修作準(zhǔn)備。

4 結(jié)果

4.1 實(shí)際產(chǎn)品焊接情況

蛇形管高壓加熱器換熱管與集管障礙焊操作技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，參加培訓(xùn)考核的焊工，共完成了兩臺(tái)蛇形管高壓加熱障礙焊的焊接，焊接合格率98%以上，保證了制造進(jìn)度，滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。

4.2 經(jīng)驗(yàn)要領(lǐng)

1)嚴(yán)格焊前清理，焊前對(duì)坡口區(qū)域用拋輪打磨直至露出金屬光澤，以防止焊接缺陷的產(chǎn)生；

2)采取有效的防風(fēng)措施，搭制防風(fēng)棚；

3)焊接時(shí)提前送氣和滯后停氣，保證焊接時(shí)氣體保護(hù)效果；

4)焊接過(guò)程中盡量減少斷弧次數(shù)防止接頭氣孔和縮孔。

5)用熟練的焊接手法保證障礙焊焊接時(shí)快速、均勻的焊接速度，降低對(duì)焊縫的熱輸入，避免溫度過(guò)高導(dǎo)致焊縫下沉和焊縫成形不美觀。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)蛇形管高壓加熱器換熱管與集管的障礙焊焊縫，通過(guò)模擬施焊及模擬補(bǔ)焊試驗(yàn)，確定可行的施焊工藝參數(shù)、操作手法和返修措施。通過(guò)技能操作訓(xùn)練，掌握了小口徑管子對(duì)接障礙焊焊接操作技術(shù)，提高了焊接成功率，保證了蛇形管高壓加熱器最終的順利出產(chǎn)。