超臨界蛇形管高壓加熱器換熱管與集管障礙焊接

李航 劉深銘

摘要：蛇形管高壓加熱器換熱管與集箱管障礙焊接接頭質(zhì)量必須要滿足100%的射線檢測(cè)和滲透檢測(cè)。滿足探傷需求合格率是蛇形管高壓加熱器質(zhì)量的關(guān)鍵，因設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，換熱參數(shù)優(yōu)勝于傳統(tǒng)的U形管與管板。蛇型管高壓加熱器因自身結(jié)構(gòu)管排之間空間受限，存在障礙和施焊盲區(qū)，在保證質(zhì)量的前提下施焊難度大，返修難度更大。因結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致?lián)Q熱管與集箱管的裝焊順序單一固定，焊接周期長。如果出現(xiàn)返修，對(duì)整個(gè)高壓加熱器的制造周期有嚴(yán)重影響。針對(duì)這種情況，進(jìn)行模擬焊接，制定焊接訓(xùn)練計(jì)劃，階段性培訓(xùn)提升技能，選用手工鎢極氬弧焊特制小型焊槍進(jìn)行對(duì)稱焊，送絲方式為內(nèi)送絲。探索合理的焊接方法并進(jìn)行訓(xùn)練，保證一次合格率，為整備產(chǎn)品制造周期打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：蛇形管高壓加熱器；障礙焊；手工鎢極氬弧焊；焊接操作要領(lǐng)

中圖分類號(hào)： TG 442

Barrier welding between heat exchange tube and header pipe of supercritical serpentine tube high-pressure heater

Li Hang， Liu Shenming

（Sichuan Huadu Nuclear Equipment Manufacturing Co.， Ltd.， Chengdu 611830， Sichuan， China）

Abstract： The quality of barrier welded joints between heat exchange pipe and header pipe of serpentine tube high-pressure heater must meet 100% radiographic testing and penetration testing. Pass rate is the key to the quality of serpentine tube high-pressure heater， whose heat transfer parameters are superior to traditional U-shaped tube and tube plate due to design structure. Because of limited space between pipe rows of its structure， serpentine tube high-pressure heater has obstacles and welding blind spots， so it is difficult to weld and more difficult to repair under the premise of ensuring quality. Due to structural form， welding sequence between heat exchange tube and header pipe is fixed and welding cycle is long. If repair occurs， it will have a serious impact on the entire manufacturing cycle of high-pressure heater. In view of this situation， simulated welding was carried out， welding training plans were developed， and skills were improved through phased training. A special small welding gun for manual gas tungsten arc welding（GTAW） was selected for symmetrical welding， and wire feeding method was internal wire feeding. Reasonable welding methods were explored and training was conducted to ensure first pass rate and lay a good foundation for manufacturing cycle of the reassembly products.

Key words： supercritical serpentine tube high-pressure heater; barrier welding; manual GTAW; welding operation essential

0前言

大型火電機(jī)組的高壓加熱器采用的結(jié)構(gòu)型式隨著火電機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)提高，傳統(tǒng)的U形管結(jié)構(gòu)已經(jīng)受限，并且不適應(yīng)機(jī)組調(diào)峰。歐美國家的火電超臨界機(jī)組已裝備應(yīng)用蛇型管式高壓加熱器。

蛇形管高壓加熱器與傳統(tǒng)U形管式高壓加熱器相比可以更好地適應(yīng)負(fù)荷的頻繁變動(dòng)，抗熱沖擊性強(qiáng)，且管損率低、使用壽命長、運(yùn)行維護(hù)簡便，在高參數(shù)機(jī)組的應(yīng)用領(lǐng)域有著顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[1]。但其制造過程與傳統(tǒng)U形管有所不同，制造過程工序還需技術(shù)攻關(guān)，集箱管與換熱管焊接就是首要問題[2]。其制造工藝研制成功與否將決定設(shè)備可靠性，成為提高企業(yè)競爭力的關(guān)鍵。加熱器集箱管與換熱管焊接過程中，焊接位置及視線受空間限制，機(jī)器自動(dòng)焊接受限，只能使用常規(guī)手工鎢極氬弧焊（Gas tungsten arc welding， GTAW），并且因?yàn)榭臻g限制原因，常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的焊槍不能滿足施焊要求，需要特制一種能滿足此空間位置的小型焊槍進(jìn)行焊接。

整體換熱管與集箱管的焊縫呈品字形排列，焊裝順序只能逐層安裝，施焊過程有盲區(qū)，焊接過程及其返修困難度很高，不容有焊接缺陷產(chǎn)生，一臺(tái)蛇形管高壓加熱器共有3600多條焊縫都需經(jīng)過全射線檢測(cè)（RT）和滲透檢測(cè)（PT），生產(chǎn)周期需要100%的合格率去保證，為此制定了一比一的模擬訓(xùn)練，從施焊補(bǔ)焊到返修以及返修補(bǔ)焊，明確了焊接參數(shù)返修工序，制定了提升焊接技能訓(xùn)練為生產(chǎn)周期提供了有力保障。

1材料焊接性分析

蛇形管高壓加熱器示意圖如圖1所示。換熱管材基體為15Mo3，因其珠光體和鐵素體組織容易引起熱敏區(qū)脆化，化學(xué)元素中Mn，Mo增強(qiáng)了力學(xué)性能、抗氧化及熱強(qiáng)性，也對(duì)其焊接性產(chǎn)生一定影響[3]?；瘜W(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

15NiCuMoNb屬于調(diào)質(zhì)型彌散強(qiáng)化鋼，在碳錳鋼基礎(chǔ)上加入Ni，Cu，Mo，Nb元素。提高了高溫強(qiáng)度及持久強(qiáng)度，強(qiáng)度高、焊接性好[4]，相對(duì)于傳統(tǒng)材料（SA106B.20G等）可以使管道壁厚減少50%左右，有利于加工、安裝和節(jié)省材料?；瘜W(xué)成分見表3，力學(xué)性能見表4。

2焊接難題分析

結(jié)構(gòu)自身空間限制，需特制小型鎢極氬弧焊焊槍。每個(gè)焊縫焊接完成后均須進(jìn)行100%射線檢測(cè)+100%滲透檢測(cè)，為滿足焊縫返修需要，只能組裝一排、焊一排、經(jīng)檢測(cè)合格后方可進(jìn)行下一排管口的組裝與焊接。蛇形管高壓加熱器共有1800多根換熱管，3600多個(gè)障礙焊縫都是有焊接盲區(qū)和管排自身造成的障礙，施焊空間受限，如圖2所示，焊接過程容易產(chǎn)生缺陷。

3焊接工藝及要求

3.1焊接方法

為保證一次焊接質(zhì)量合格，以純度99.99%的氬氣作為保護(hù)氣體，焊接過程中焊縫背面也做氣體保護(hù)。手工鎢極氬弧焊電弧穩(wěn)定能量集中可避免未熔透等問題。惰性氣體防止氧化及氣孔的產(chǎn)生，使被保護(hù)焊縫液態(tài)熔池成形過程得到充分的保護(hù)，背面外觀成形優(yōu)良。選用衰減時(shí)長可調(diào)節(jié)功能的焊機(jī)確保衰減時(shí)長，設(shè)置衰減電流，這樣可以避免瞬時(shí)收弧產(chǎn)生的縮孔，同時(shí)焊接過程中合理的使用衰減還可控制溫度。

3.2焊接材料及焊接設(shè)備

參照強(qiáng)度偏低的15Mo3母材以高強(qiáng)度、高塑性進(jìn)行焊材選擇，選用的焊絲牌號(hào)ER70S-A1，直徑φ2.0 mm，主要元素含量見表5。

由于焊接位置差，管間距小，管與管之間的間隙為21.3 mm，排與排之間的間隙為29 mm，根據(jù)限位空間的尺寸采用特制焊槍，如圖3所示。

3.3坡口形式

坡口形式選用V形對(duì)接，對(duì)口間隙2.5～3.0 mm，無鈍邊，坡口角度60°，如圖4所示。

3.4焊后檢測(cè)

焊縫焊接完成后需先進(jìn)行目視檢測(cè)，目視檢查合格后進(jìn)行100%射線檢測(cè)和100%表面滲透檢測(cè)。

3.5焊前準(zhǔn)備

焊前準(zhǔn)備如下：①清理焊縫坡口范圍20 mm左右至金屬光澤后除塵；②焊接區(qū)域設(shè)置防風(fēng)筑屏障；③檢查焊接電流是否正確，裝備間隙及正反面保護(hù)氣體流量；④調(diào)試焊槍正常起弧，氣保護(hù)狀態(tài)，確保焊接參數(shù)電流穩(wěn)定；⑤工藝要求預(yù)熱溫度15℃以上，所以焊前根據(jù)環(huán)境溫度決定是否對(duì)焊縫進(jìn)行預(yù)熱；⑥焊縫裝配對(duì)口點(diǎn)焊。

3.6焊接工藝參數(shù)

采用鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接，焊層為2層，電流極性為DCEN，具體焊接工藝參數(shù)見表6。

4焊接模擬訓(xùn)練

管排自身造成的障礙與焊接盲區(qū)對(duì)技能要求很苛刻，施焊過程中產(chǎn)生缺陷導(dǎo)致返修進(jìn)而影響生產(chǎn)周期。通過1∶1模擬件逐步強(qiáng)化技能，提升技能，滿足生產(chǎn)制造，盡可能的保證合格率，進(jìn)而保證障礙焊和整備制造的生產(chǎn)周期。

4.1基礎(chǔ)訓(xùn)練

施焊過程中常規(guī)的外送絲方式不能滿足實(shí)際要求，只能采用內(nèi)送絲并且需要左手右手施焊，因此，針對(duì)性的進(jìn)行內(nèi)送絲和左手右手送絲焊接練習(xí)。首先，在φ60 mm×5 mm的20鋼管上，開深3 mm、寬6 mm、兩側(cè)為30°的焊縫，練習(xí)左右手加焊絲的手法。其次，過渡到坡口形式練習(xí)左手右手內(nèi)送絲。

4.2管板障礙訓(xùn)練

初步障礙工裝重復(fù)練習(xí)，管板障礙訓(xùn)練示意圖如圖5所示。

4.3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，此焊縫空間位置與實(shí)際產(chǎn)品相同（圖6），以100%合格率為目標(biāo)，熟練的掌握下半部內(nèi)加絲打底的凹凸度和下半部蓋面層接頭的手法。模擬件訓(xùn)練共制定2個(gè)階段的計(jì)劃：第一階段以連續(xù)焊接10根障礙管為基礎(chǔ)，須連續(xù)5次達(dá)到100%射線檢測(cè)合格；第二階段須連續(xù)焊接20根障礙管，直到一次性20根障礙管全部100%射線檢測(cè)合格。通過這個(gè)階段的反復(fù)練習(xí)，提高焊工的操作熟練程度，從而保證產(chǎn)品焊接的合格率。

4.4焊接操作手法

實(shí)際工況，焊縫位置處左右下三面存在硬性障礙無法規(guī)避，為了控制打底層焊縫質(zhì)量，下半部采用內(nèi)加絲的方法，上下管排的空間距離不足以使焊槍放置正常的焊接角度，所以盡可能要放置極限受限的位置，調(diào)整焊接視角，起弧后根據(jù)目測(cè)的液態(tài)熔池，預(yù)算熔池?cái)傞_的大小搭接第一個(gè)焊接熔池，為防止打底下半部內(nèi)凹，利用焊絲熔化時(shí)的表面張力吊住液態(tài)滴狀熔滴，距熔池1 mm左右，完成下半部打底焊縫焊接，保證焊縫內(nèi)部凹凸度。上半部打底焊時(shí)，焊縫腰部需重新接頭，接頭時(shí)還存在部分障礙，焊槍必須調(diào)整到合適角度和距離，使焊縫充分被氣體保護(hù)防止接頭氣孔產(chǎn)生;腰部接頭時(shí)，重新打開熔孔，在第一個(gè)焊接接頭的位置給予較大的熱輸入，使熔池充分液態(tài)反應(yīng)，把有可能出現(xiàn)的接頭氣孔釋放掉，打底結(jié)束時(shí)的最后一個(gè)接頭也要停留時(shí)間稍長，保證接頭的圓滑過渡，采用對(duì)稱焊。施焊過程中左手右手對(duì)稱施焊，瓷嘴盡量壓低使氣體保護(hù)充分。打底層結(jié)束后控制層間溫度再蓋面。蓋面時(shí)，下半部5～7點(diǎn)鐘區(qū)域存在施焊盲區(qū)，95 A左右的電流對(duì)其所形成的初始熔池有6 mm左右，在6點(diǎn)鐘起弧可以看到熔池邊緣（圖7），焊絲預(yù)彎利用熔池的表面張力送絲讓熔池飽滿，同時(shí)焊槍為微擺動(dòng)避免咬邊。對(duì)稱分段焊，注意收弧時(shí)的衰減過程避免縮孔產(chǎn)生，反復(fù)練習(xí)，控制焊縫直線度及成形美觀。

4.5模擬返修訓(xùn)練

在模擬件上進(jìn)行模擬返修訓(xùn)練，為焊縫返修作準(zhǔn)備。模擬缺陷所在的位置采取返修措施，上半部出現(xiàn)單個(gè)缺陷時(shí)根據(jù)片子確定缺陷所在的具體位置，采用特制的小型砂輪機(jī)進(jìn)行修磨，找出缺陷清理后做滲透檢測(cè)，確定表面無缺陷時(shí)進(jìn)行翻修補(bǔ)焊。下半部焊縫內(nèi)部缺陷采取全部割掉重新加工坡口做滲透檢測(cè)確定缺陷，根除后重新封底蓋面（因?yàn)榭臻g問題砂輪機(jī)無法對(duì)下半部進(jìn)行修磨）。

5典型焊接缺陷分析及解決

5.1固有產(chǎn)生的缺陷

氣孔產(chǎn)生的主要原因是由于氣體保護(hù)的不充分而導(dǎo)致，可以適當(dāng)加大保護(hù)氣體流量及焊接過程中注意噴嘴的角度和焊縫之間的距離盡可能的低，以保證氣體保護(hù)的效果最大化。焊接過程中受到自然風(fēng)的影響也導(dǎo)致氣體保護(hù)失效，因此必須搭制防風(fēng)屏障避免自然風(fēng)對(duì)焊縫的影響。

熱影響區(qū)脆化主要原因是因?yàn)楹附舆^程中溫度過高導(dǎo)致晶粒粗大產(chǎn)生，選擇偏小的焊接電流，減小熱輸入控制焊縫的溫度。施焊過程中以盡可能快的焊接速度，減少焊接過程中的高溫停留時(shí)間，控制焊縫溫度。

背面氧化產(chǎn)生的主要原因是二次加熱時(shí)溫度過高，合金元素?zé)龘p產(chǎn)生的，背面始終用氬氣保護(hù)防止氧化；焊接過程中選擇合適的焊接電流，以盡可能快的焊接速度降低焊縫的高溫停留時(shí)間，防止背面氧化。

5.2操作技能產(chǎn)生的缺陷

內(nèi)凹產(chǎn)生的原因是在焊接過程中處于全位置的下半部熔池自然下沉導(dǎo)致的。充分利用焊絲液態(tài)下表面張力的特性，采用內(nèi)送絲手法，用未熔化的焊絲吊住滴狀液態(tài)熔池，可有效解決下半部打底內(nèi)凹。

停留時(shí)間過長，溫度過高氧化，直接收弧產(chǎn)生縮孔。均勻的焊接速度降低焊接過程的熱輸入，通過衰減控制溫度緩降、控制焊槍階段性的把熔池帶到坡口邊緣冷卻，避免縮孔的產(chǎn)生。

視線盲區(qū)的存在是障礙區(qū)下半部打底未焊透產(chǎn)生的主要原因。采取內(nèi)加絲，調(diào)整焊接視線到最佳視角。焊接過程中根據(jù)視線所及部分，起弧形搭接第一個(gè)焊接熔池，繼而用焊絲吊住液態(tài)熔滴，距熔池1 mm左右正常焊接，可避免打底未焊透。

視線盲區(qū)的存在是障礙區(qū)下半部蓋面接頭未熔合產(chǎn)生的主要原因。5～7點(diǎn)鐘區(qū)域?yàn)槭┖该^(qū)，焊絲預(yù)彎，調(diào)整最佳視線角度，確定起弧點(diǎn)形成初始熔池，利用熔池的表面張力送絲使熔池飽滿，同時(shí)焊槍兩側(cè)為微擺動(dòng)避免咬邊未熔合。

氣體保護(hù)不好是產(chǎn)生密集氣孔的主要原因。改制透鏡，擴(kuò)大其內(nèi)孔，覆置4層濾網(wǎng)，使出氣流量均勻穩(wěn)定，焊接過程中始終保持鎢極與熔池之間的最短距離，使氣體保護(hù)達(dá)到最佳保護(hù)效果是防止密集氣孔產(chǎn)生的主要措施。

5.3二次加熱導(dǎo)致焊縫背面氧化和下沉

蓋面時(shí)用盡可能快的焊接速度降低焊接熱輸入，同時(shí)通過衰減控制熔池溫度，防止溫度過高熔池下沉，根據(jù)集管結(jié)構(gòu)制作背氣保護(hù)工裝，使整個(gè)焊接過程中焊縫背面都得到氬氣保護(hù)，焊縫背面呈現(xiàn)金屬光澤。

5.4焊道寬窄不一、直線度差

熔池成形的寬窄，在相同焊接電流的情況下，焊接位置不同體現(xiàn)出的寬窄也有所不同，在仰焊部位起弧隨著焊接過程升溫至平焊位置時(shí)，焊接速度也要隨著熔池的活潑程度及時(shí)調(diào)整，通過有效衰減也可做控制。以坡口邊為參照系適當(dāng)增加增寬量并加強(qiáng)控制。

6障礙焊操作要領(lǐng)

障礙焊操作要領(lǐng)如下：①坡口邊緣20 mm左右清理外表面至金屬光澤，避免油污，銹跡導(dǎo)致氣孔；②裝配間隙3 mm左右，保證內(nèi)送絲能正常送絲；③防風(fēng)屏障，保證氣體的有效保護(hù)；④背面氣體保護(hù)，保證焊接時(shí)氣體保護(hù)效果；⑤熄弧時(shí)使用衰減控制熔池溫度到坡口邊熄，避免溫度過高，瞬時(shí)收弧產(chǎn)生貫穿縮孔；⑥熟練的操作技能，保證焊接過程中熱輸入的最佳狀態(tài)，控制每一滴熔池在理想狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整焊接速度，也可通過有效衰減控制。

7實(shí)際產(chǎn)品焊接情況

通過上述一系列攻堅(jiān)步驟，分部階梯的適應(yīng)模擬狀態(tài)，訓(xùn)練一次合格率達(dá)到98%，保證生產(chǎn)周期最高效能化，并在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

8結(jié)論

通過集管障礙焊接的階段性訓(xùn)練，操作技能與實(shí)際產(chǎn)品相結(jié)合，對(duì)類似小口徑管接產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)周期提供有力保障。

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收稿日期：2023-05-19

李航簡介：高級(jí)技師，焊接工程師；主要從事焊接技術(shù)工藝生產(chǎn)應(yīng)用；li13636394334@163.com。