國內(nèi)外換熱管與管板焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)淺析

唐 麗，李 東，康文捷，姚宗湘

1.重慶川儀十七廠有限公司，重慶 400707

2.山特維克國際貿(mào)易（上海）有限公司，上海 201108

3.重慶科技學(xué)院 冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331

0 前言

換熱器是石油、化工、冶金、電力、能源等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的設(shè)備，換熱管與管板焊接作為換熱器制造過程中至關(guān)重要的工序，管子-管板的強度焊既要保證密封性能又要保證抗拉強度，其焊接質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的安全和穩(wěn)定運行［1］。換熱管與管板結(jié)構(gòu)焊縫數(shù)量多、分布密集，且產(chǎn)品大多服役于高溫高壓腐蝕介質(zhì)中，導(dǎo)致?lián)Q熱器在長期使用過程中常因焊接接頭設(shè)計不合理或存在缺陷而失效［2-3］。為了保證產(chǎn)品服役可靠性，提高焊縫的密封性和接頭強度［4］，在制造過程中往往通過焊接工藝評定來評估工藝設(shè)計的合理性和焊接質(zhì)量的可靠性［5］。但目前，業(yè)內(nèi)相關(guān)的評定標(biāo)準(zhǔn)較多且各標(biāo)準(zhǔn)差異較大，在評定過程中往往難以把握分寸，從而加大了現(xiàn)場的操作難度。

目前，國內(nèi)的管子-管板焊接接頭設(shè)計和工藝評定主要參考 GB151-2014《熱交換器》［6］和 NB/T 47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》［7］。國際上應(yīng)用較多的則是ISO 15614-8：2016《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評定—管與管板接頭焊接》［8］、ASME BPVC-IX：2019鍋爐及壓力容器規(guī)范《焊接、釬接和粘接工藝評定》［9］和核電領(lǐng)域的 RCC-M S3000：2007《壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計與建造規(guī)則》［10］。上述標(biāo)準(zhǔn)都對管子-管板焊接接頭的工藝評定進行了規(guī)范，但關(guān)于其評定規(guī)則、評定變素及驗收準(zhǔn)則的控制等存在差異。在實際應(yīng)用過程中，還需結(jié)合客戶的需求及具體情況進行選擇。

文中針對上述4個標(biāo)準(zhǔn)（NB/T 47014-2011、ISO 15614-8：2016、ASME BPVC-IX：2019和 RCC-M S 3000：2007），比較了不同標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍、試件形式、評定變素以及驗收準(zhǔn)則等方面的異同，分析總結(jié)了每個標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用特點和適用性，為業(yè)內(nèi)工程技術(shù)人員更準(zhǔn)確地評定換熱管與管板的焊接工藝提供了技術(shù)支撐。

1 適用范圍

NB/T 47014-2011標(biāo)準(zhǔn)主要針對國內(nèi)的承壓設(shè)備焊接工藝評定；ISO 15614-8：2016源自歐洲焊接標(biāo)準(zhǔn)，幾乎覆蓋了各個領(lǐng)域產(chǎn)品的焊接工藝評定；ASME BPVC-IX：2019標(biāo)準(zhǔn)主要用于鍋爐及壓力容器的焊接工藝評定；RCC-M S3000：2007標(biāo)準(zhǔn)適用于核島設(shè)備的焊接。相比ASME BPVC-Ⅸ：2019和NB/T 47014-2011，ISO 15614-8：2016不區(qū)分行業(yè)領(lǐng)域，必須滿足產(chǎn)品最嚴(yán)苛的限制條件，要求更為嚴(yán)格。而RCC-M S3000：2007標(biāo)準(zhǔn)直接引用了ISO 15614-1：2017《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評定—焊接工藝評定試驗》，并在此基礎(chǔ)上做了一些補充和嚴(yán)控。

1.1 配合間隙

在選擇焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)時，須明確該標(biāo)準(zhǔn)的適用性。ISO 15614-8：2016標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定，其僅適用于帶間隙的管子-管板結(jié)構(gòu)的熔化焊評定。RCCM S3000：2007標(biāo)準(zhǔn)則將管子與管板之間有無間隙作為兩種結(jié)構(gòu)評定，有間隙結(jié)構(gòu)的直接引用ISO 15614-1：2017標(biāo)準(zhǔn)，無間隙結(jié)構(gòu)的評定則自行規(guī)定，其內(nèi)容將在后文詳述。ASME BPVC-IX：2019和NB/T 47014-2011標(biāo)準(zhǔn)中均未對管子-管板的配合間隙做出規(guī)定，因此在這兩個標(biāo)準(zhǔn)中將其視為非評定變素，不作考慮。

1.2 脹接過程

由于機械脹管會使管子產(chǎn)生機械變形，使焊接位置的母材結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，還可能因為機械作用產(chǎn)生的較大應(yīng)力，影響焊接質(zhì)量和使用壽命。在ISO 15614-8：2016標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定：有機械脹管過程參與的承壓焊縫，需明確具體的焊接工藝試驗要求。

NB/T 47014-2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了換熱管與管板焊接的一般評定和附加評定。對于無脹接的強度焊焊縫（限對接焊縫、角焊縫及其組合焊縫），可當(dāng)作角焊縫進行焊接工藝評定；若增加管子的脹接過程，其焊縫作為換熱管與管板連接的強度焊、脹焊并用的焊縫，需在一般評定的基礎(chǔ)上進行附加評定，也可將一般評定和附加評定合并評定。

RCC-M S3000：2007標(biāo)準(zhǔn)將是否脹管作為重要變素，增加、取消或改變脹管工藝均需要重新評定。ASME BPVC-IX：2019標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定焊前增加管子的脹接過程需重新評定，取消脹接工藝則未提及，因此將其視為非重要變素。

2 試件形式

由于換熱器的管孔數(shù)量眾多且分布密集，在焊接時極易造成管板不同區(qū)域熱量不均勻，使得接頭質(zhì)量不佳甚至導(dǎo)致管板存在較為嚴(yán)重的變形，影響換熱器的密封性。管孔的分布直接影響施焊的難易程度以及相鄰焊縫間的相互作用。換熱管的標(biāo)準(zhǔn)布管方式如圖1所示，包含正三角形排列（30°）、轉(zhuǎn)角正三角形排列（60°）、正方形排列（90°）和轉(zhuǎn)角正方形排列（45°），不同排列方式將對焊接質(zhì)量和應(yīng)力集中等產(chǎn)生不同的影響。因此，試件形式應(yīng)盡可能與焊件形式相同，對于尺寸較大的焊件，工藝評定試件的尺寸和形式需具有代表性。

圖1 換熱管的排布方式Fig.1 Arrangement of heat transfer tubes

ISO 15614-8：2016是4個標(biāo)準(zhǔn)中唯一一個將管子排布方式區(qū)分評定的標(biāo)準(zhǔn)。試件的管子排布方式如圖2所示。對于三角形（包括正三角和轉(zhuǎn)角正三角）分布的試件（見圖2a）：d＜40 mm的管子至少要焊接10個接頭；d≥40 mm的管子至少要焊接7個接頭（A區(qū)域）。對于正方形（包括轉(zhuǎn)角正方形和正方形）分布的試件（見圖2b）：d＜40 mm的管子至少要焊接12個接頭；d≥40 mm的管子至少要焊接9個接頭（A區(qū)域）。由于在滿足外接圓尺寸和管子數(shù)量相同的情況下，矩形分布結(jié)構(gòu)的布局更為密集，受熱作用和受力影響更為嚴(yán)重，因此需要增加接頭數(shù)量進行區(qū)域評定。

圖2 試件的管子排布方式Fig.2 Arrangement of tubes of specimen

NB/T 47014-2011標(biāo)準(zhǔn)評定試件與ISO 15614-8：2016三角形分布形式一致。ASME BPVC-IX：2019標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了試件需要10個基本相同的管孔結(jié)構(gòu)，并未規(guī)定具體布局方式，一般可采用ISO 15614-8：2016三角形排布方式或與產(chǎn)品一致。RCC-M S3000：2007標(biāo)準(zhǔn)要求試件至少焊接10根管子，且試件的管孔應(yīng)能代表焊件管孔的配置（間隔）。

3 評定變素

3.1 管板厚度

管板厚度和換熱管壁厚通常相差數(shù)十倍，且管板厚度直接影響焊接過程的焊接變形、散熱速度和應(yīng)力分布等。由于換熱器的使用工況較為復(fù)雜，常用于強腐蝕性介質(zhì)中，考慮到生產(chǎn)成本、力學(xué)性能和耐腐蝕性等，在管板設(shè)計階段有時會采用復(fù)合板或在碳鋼/低合金鋼板上堆焊耐腐蝕層。因此，在評定管板厚度時需要考慮基層和覆層兩部分。4個評定標(biāo)準(zhǔn)下管板厚度的覆蓋范圍如表1所示。

表1 4個評定標(biāo)準(zhǔn)下管板厚度的覆蓋范圍Table 1 Coverage of tube sheet thickness in four standards

4個評定標(biāo)準(zhǔn)對管板試件尺寸的要求差異較大，僅ISO 15614-8：2016標(biāo)準(zhǔn)將管板的基層和覆層作為重要變素。在實際評定過程中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)。比如，管板厚度為40 mm時，焊接時需要對焊接接頭進行預(yù)熱評定才能合格，而厚度為20 mm時不進行預(yù)熱評定就可以合格：按照NB470 14-2011標(biāo)準(zhǔn)選用20 mm厚的管板進行評定就無法發(fā)現(xiàn)預(yù)熱溫度的選擇是否正確；按照ASME BPVC-IX：2019標(biāo)準(zhǔn)選用40 mm厚的管板進行評定就更為合理。又如，產(chǎn)品特別強調(diào)和注重覆層厚度時，采用ISO 15614-8：2016標(biāo)準(zhǔn)進行評定，比使用其他3個標(biāo)準(zhǔn)進行評定更合理。對于管板厚度較小的焊件，采用焊件厚度作為試件厚度；對于管板厚度較大的焊件，盡量選擇具有代表性的試件厚度進行評定。

3.2 換熱管尺寸

換熱管的壁厚和外徑作為管子/管板結(jié)構(gòu)焊接中的重要變素，尤其是小直徑、薄壁管。由于管子與管板的厚度差異較大，焊接電流較小時，坡口根部容易造成未焊透，電流過大則易燒穿管壁。4個標(biāo)準(zhǔn)對小直徑、薄壁管的工藝評定有效范圍要求都較高，而對壁厚或直徑超過一定尺寸的管子則不作要求，如表2所示。

表2 4個標(biāo)準(zhǔn)中管子尺寸的覆蓋范圍Table 2 Coverage of tube dimensions in four standards

此外，換熱管之間的間距dl（見圖2）主要影響焊接操作以及相鄰焊縫之間的相互作用，ISO 15614-8：2016標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定間距dl不小于工藝評定試件尺寸即可，其他三個標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定孔橋?qū)挾菳（B=dl-2倍管孔配合間隙）小于10 mm或3倍壁厚中較大值時，間距應(yīng)大于或等于0.9B。同樣，對于較大尺寸的孔橋?qū)挾纫参醋飨拗啤?/p>

4 驗收準(zhǔn)則

焊接工藝評定的驗收試驗通常包括無損檢測和破壞性檢測兩個部分。由于管子管板結(jié)構(gòu)特殊，通常情況下難以進行焊接接頭體積型缺陷的無損檢驗和力學(xué)性能試驗，只能以外觀、表面或近表面以及焊縫截面作為評判依據(jù)。在上述4個標(biāo)準(zhǔn)中，均對外觀檢驗、滲透檢驗以及宏觀金相作了要求，且區(qū)別不大，在此不進行詳細(xì)討論。此外，ISO 156 14-8：2016標(biāo)準(zhǔn)還要求接頭進行100%射線檢驗，并對某些組別母材作了硬度測試要求。由于管板板厚一般較大，射線難以照穿，因此要求將管板厚度減薄至5～12 mm。其他標(biāo)準(zhǔn)均通過試件上多個焊縫截面宏觀金相來評價焊縫內(nèi)部質(zhì)量。

管子管板焊接接頭主要強調(diào)其密封性和抗拉強度，焊縫尺寸作為影響兩者的關(guān)鍵因素，4個標(biāo)準(zhǔn)均將其作為評定焊縫合格與否的重要指標(biāo)。

NB/T 47014-2011標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)角焊縫厚度均應(yīng)不小于2/3b，如圖3a所示。ISO 15614-8：2016標(biāo)準(zhǔn)要求焊縫厚度a（以焊縫根部為圓心的最大內(nèi)切圓半徑）≥0.9b，如圖3b所示。實際上，焊縫尺寸太大并沒有太多意義，換熱器的壽命取決于管子尺寸，焊縫厚度只要不小于管子壁厚即可。

ASME BPVC-IX：2019標(biāo)準(zhǔn)要求焊縫尺寸滿足設(shè)計的最小有效尺寸L，且氣孔不得使角焊縫厚度降低至規(guī)定的最小有效厚度值以下，此處規(guī)定的最小有效尺寸應(yīng)與ISO 15614-8：2016標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定一致，實際上是焊縫根部到熔池表面的最短距離，即焊縫厚度a，如圖3c所示。如果焊縫內(nèi)部存在氣孔，則有效尺寸以實際尺寸減去氣孔尺寸為準(zhǔn)。RCCM S3000：2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定焊縫的平均尺寸應(yīng)不小于0.9b，單個a≥0.66b，且不允許有裂紋，如圖3d所示。如果焊縫中存在氣孔和夾渣，則要求最小有效尺寸大于0.66b。

圖3 焊縫厚度示意Fig.3 Schematic diagram of weld thickness

5 結(jié)論

（1）ISO 15614-8：2016標(biāo)準(zhǔn)和RCC-M S3000：2007標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定管子管板的間隙結(jié)構(gòu)和脹接過程是評定的重要變素，而ASME BPVC-Ⅸ：2019標(biāo)準(zhǔn)和NB/T 47014-2011標(biāo)準(zhǔn)均未對管子管板的配合間隙做出要求，ASME BPVC-Ⅸ：2019標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定焊前增加管子脹接需重新評定。因此，在強調(diào)間隙結(jié)構(gòu)和脹接過程時，應(yīng)選擇ISO 15614-8：2016標(biāo)準(zhǔn)或RCC-M S3000：20 07標(biāo)準(zhǔn)進行焊接工藝評定。

（2）ISO 15614-8：2016是唯一將管子排布方式區(qū)分評定的標(biāo)準(zhǔn)，其他3個標(biāo)準(zhǔn)只強調(diào)了焊接接頭數(shù)量。因此，在強調(diào)管子排布方式時，應(yīng)選擇ISO 15614-8：2016標(biāo)準(zhǔn)進行焊接工藝評定。

（3）4個標(biāo)準(zhǔn)均對小直徑、薄壁管的工藝評定有效范圍要求較高，且均對管板厚度和管子尺寸進行了規(guī)范，各標(biāo)準(zhǔn)對試件尺寸有效范圍的要求差異較大，僅ISO 15614-8：2016標(biāo)準(zhǔn)將管板的基層和覆層作為重要變素。因此，需區(qū)分管板的基層和覆層時，應(yīng)選擇ISO 15614-8：2016標(biāo)準(zhǔn)進行焊接工藝評定。

（4）4個標(biāo)準(zhǔn)均將焊縫尺寸作為評定焊縫合格與否的重要指標(biāo)，且對外觀檢測、滲透檢測及宏觀金相的要求相似，僅ISO 15614-8：2016標(biāo)準(zhǔn)特別要求焊接接頭進行100%射線檢驗，以及某些組別母材進行硬度測試。因此，在要求接頭進行射線檢驗時，應(yīng)選擇ISO 15614-8：2016標(biāo)準(zhǔn)進行焊接工藝評定。