淺析換熱管與管板內孔焊技術

河南 陳忠群

引言

換熱器在工業領域應用十分廣泛，在醫藥、化工、石油等領域發揮了重要的作用。換熱器的類型和結構非常多，管殼式換熱器在上述工業領域中比較常見。換熱器的設計、生產的程序中，換熱管與管板焊接接頭處焊接質量的優劣直接決定了換熱器的整體質量和使用期限的長短。在當前換熱管與管板的連接技術中，脹接、焊接是常見的連接方法。一般性的焊接方法，在換熱管與管板之間會留有縫隙，該縫隙容易產生腐蝕和過熱的問題；焊接處會產生相應的熱應力，從而造成焊接接頭處的破裂。脹接連接方式，如果脹接變形的話，會留存有產生應力腐蝕的殘余應力，若換熱管使用溫度比較高，容易導致材料的松動，引起脹接接頭處的開裂或者斷裂，引起熱力泄露。在上述連接技術的背景下，解決換熱管與管板的連接問題一直是研究人員著力解決的課題。本文將以某公司為例，就換熱管與管板內孔焊技術進行探討。

一、內孔焊技術

某公司承接制作了一臺低壓反應水冷凝器，其管程一側為氧化氮，危害為中等，工作情況下的溫度在40℃~160℃之間；殼程一側為冷卻水，工作情況下的溫度為30℃~42℃。該臺低壓反應水冷凝器的基本功能是將氧化氮（形態為氣體）從160℃降低到40℃。該臺設備換熱管及管程殼體是S30403材料，管板是S30403Ⅲ材料，殼程殼體為Q345R材料。根據相關研究可以看到造成低壓反應水冷凝器的腐蝕原因如下：

第一，若換熱管與管板采用的是焊接與脹接相結合的技術，那么，脹管管壁會相應減薄，從而形成殘余應力。此時，氣體進口處溫度可以達到160℃，而冷卻水的溫度會在30℃之下。此時，如此巨大的溫差容易導致混熱管相應處開裂。

第二，氣體傳輸到冷卻器之后，會有硝酸鹽產生，帶有硝酸鹽的氣體由于接觸到低壓反應水冷凝器較高的溫度，會對換熱管與管板連接處產生嚴重的腐蝕。

第三，氣體由于具有較高的速率，而且在高溫高熱的情況下，直接對換熱管進行沖擊，會形成很大的腐蝕應力。

第四，由于管板和管束中間存在縫隙，冷卻水存在大量的氯，氯會在管板與管束中間的縫隙處大量集聚，因而會逐漸在換熱管表面形成腐蝕或者點坑。

1.采用內孔焊技術的原因

對于防止換熱管與管板腐蝕現象的發生，一般都是根據腐蝕的原因采取相應對策。例如，在氧化氮氣體的入口處設置防沖擋板，或者在換熱管與管板的連接處采用強度焊技術，或者盡量降低冷卻水中氯的濃度，或者將換熱管的材質更換為耐腐蝕性更好的鈦材料。由于上述方法都存在一定的問題，在使用上還難以做到普及。因此，可以從焊接技術方面考慮，一是應當有效降低換熱管與管板焊接接口處留存的殘余應力，二是應當減少換熱管與管板之間焊接接口處的縫隙，三是在上述縫隙處減少或者避免留存有腐蝕物質。經過我國多年焊接實踐經驗的積累，發現內孔焊技術可以防范上述腐蝕現象的發生，有效地提高換熱管的質量并增加使用期限。所以，某公司在該臺低壓反應水冷凝器的換熱管與管板處的連接采用了內孔焊技術。

2.內孔焊結構及其特點

管殼式換熱器存在4種不同類型的接頭將換熱管與管板焊接起來，一是外伸角焊接，二是縮角焊接，三是平齊端焊接，四是無縫隙式焊接接頭。內孔焊技術結構屬于無縫隙式接頭結構，其原理是在管板的一面的管孔邊緣處加工成一定的形狀，從而讓管孔與管端實現連接，此時，再運用內孔焊焊接搶對接口處進行焊接。

（1）內孔焊技術的優點

一是采用內孔焊技術可以讓焊接接頭的穩定性和可靠性更好，換熱管與管板的連接強度更高；二是采用內孔焊技術可以讓焊接縫隙處的溫度與管殼殼體介質的溫度相近；三是可以讓換熱管與管控之間實現無縫連接，避免腐蝕；四是內孔焊技術的焊接接頭處采用的是對接技術，承受負載的能力大大提高；五是采用內孔焊技術不會產生脹管的殘余應力，六是采用內孔焊技術不會在焊接接頭根部處產生較多的應力集中現象，保證換熱管運行中不會出現開裂；七是射線探傷檢測比較容易開展，從而可以更好地保證焊接質量。

（2）內孔焊技術的缺點

一是對管板的加工與裝配的精準度要求非常高，要達到這種精準度比較困難；二是需要采用質量優良的焊接設備；三是對于焊接過程中的工藝要求非常嚴格，需要技術熟練的專業人員才能操作；四是一旦出現質量問題，返修比較困難，焊縫的檢查也比較困難；五是生產周期過長。總之，上述缺點的存在，使得采用內孔焊技術仍具有一定的困難。

內孔焊結構形式具有多樣化的特點，換熱管及管程殼體是S30403材料，管板是S30403Ⅲ材料，殼程殼體為Q345R材料，Φ25×2mm的規格，總計1268根。換熱管與管板都由不銹鋼材料構成，管板厚度較厚，換熱管的數量比較多。因此，采用內孔焊技術的工作量很大。由于不銹鋼材料容易受熱膨脹，因此，焊接后容易因溫度升高而導致焊接處變形，而且由于厚板焊接接頭殘余應力較大，所以熱導率比較低，熱量積聚后不容易流失，導致高溫過分集中。因此，焊接接頭處的腐蝕性比較低。為了解決上述焊接接頭處殘余應力的問題，可以運用機加工對每一個焊接接口處加工出一個圓形槽口，從而釋放焊接接口處殘余應力，并且加速熱量的流失。

3.內孔焊工藝和設備

內孔焊技術運用的是全位置數控脈沖自動氬弧焊設備，采用的是內孔焊機頭，在焊接時，將機頭深入到管孔的內部。由于采用的是自動化技術，因此，對電腦進行一定的編程設置，設置一定的脈沖電流和頻率等焊接時的參數。采用這種內孔焊工藝和設備使得焊接處于高度自動化狀態，因此，焊接的過程避免了人為的不穩定操作因素，使得焊接的質量比較高。某公司運用的是WZM1-400型管板全位置數控脈沖自動氬弧焊機。該臺設備由內孔焊機頭、可編程控制箱、遙控器、焊接電源與冷卻系統等組成。

（1）內孔焊機頭

送絲機、吊架、中心桿、定位環、調節盤和進氣管共同構成了內孔焊機頭。內孔焊機頭的工作原理如下：一是焊接深度由調節盤控制，二是用焊嘴后部進行定位，三是電極旋轉由微型電機帶動，四是氬氣通過送氣管傳輸，五是設置好焊接工藝參數，六是進行全位置自動化焊接成形。

（2）遙控器

遙控器主要控制焊接的開始和停止、氬氣傳輸的開始和停止、焊接機頭的調整，保證焊接過程中的便利性和準確性。

（3）可編程控制箱

該可編程控制箱采用了先進的西門子CPU，屏幕為彩色，可進行觸摸操作，全數字化顯示，能夠滿足內孔焊技術中全部的參數設定要求。

（4）焊接電源

焊接電源采用的是Panasonic的YC-400TX型電源，質量安全可靠。

（5）冷卻系統

冷卻系統的功能是對焊接設備進行冷卻，該冷卻系統可以直接對焊嘴進行冷卻，而且可以延長焊嘴的使用期限。

由于某公司的換熱管與管板都是不銹鋼材料，因此，為了確保進行內孔焊時不會讓換熱管與管板的背面受到氧化，專門在焊接時設置了氬氣保護罩。具體操作是：對管板和殼程筒體先不進行焊接，而且還留有足夠的空間，從而在焊接時有氬氣保護罩的保護。

4.內孔焊焊接技術試驗

在進行內孔焊焊接前，進行焊接技術試驗，可以獲得必要的焊接參數，從而在產品生產中積累足夠的參數信息，以降低產品焊接不合格的發生率，而且通過大量的焊接試驗，提高了產品質量技術規范，提高了焊接質量。

（1）模擬試驗品的結構與尺寸

模擬試驗品的結構與尺寸應當和需要生產的產品類似或者相同。

（2）獲得焊接工藝的試驗參數

不同類型的換熱管，具有不同的焊接位置，有著相對應的焊接參數。內孔焊焊接技術的一般程序是：首先，按下遙控器啟動按鈕，傳送氬氣；其次，高頻率起弧，起弧后在起弧點停留一會；再次，使用電弧將焊接區域預熱，并建立合乎標準的熔池；然后，按下遙控器相應按鈕，發出脈沖電流，并且讓機頭同時轉動，圍繞著焊接處焊接一圈后，脈沖電流開始減弱；最后，經過一段時間后，焊接機頭停止轉動，送氣延時。通過反復的試驗驗證后，獲得足夠的焊接參數。

5.內孔焊技術的具體應用

以某公司生產低壓反應水冷凝器的過程為例，闡述內孔焊技術的焊接流程及要求：

（1）將管板口及外表面的污漬、銹跡等雜質清洗干凈，殘余雜質將直接影響到焊接質量。

（2）將獲得的焊接工藝試驗參數進行設定，并根據具體的生產要求對參數進行調整。

（3）檢查管路（水、氣）是否通暢。

（4）對管板加固定位，以防止焊接過程中的變形。

（5）運用水平測量尺對管板是否垂直進行測量，讓焊接接頭根據管板的水平程度相應調節。

（6）對換熱管與管板進行組裝時，禁止全部組裝完成后再予以焊接，而應該一根根組裝、焊接。

二、結論

第一，從內孔焊技術的結構特點和形式，我們可以發現，內孔焊技術可以有效地降低換熱管與管板之間焊接所形成的殘余應力，并且有效避免換熱管與管板之間存在的縫隙，從而讓腐蝕物質無處集聚，也不會在焊接接頭根部的切口處出現應力集中的現象，使得產品在運行中很難出現開裂現象。

第二，某公司采用的是WZM1-400型管板全位置數控脈沖自動氬弧焊機。該臺設備由內孔焊機頭、可編程控制箱、遙控器、焊接電源與冷卻系統等組成。通過該臺設備進行焊接工藝的試驗，能夠獲得生產產品所必需的焊接參數，使得產品生產過程中的焊接接頭的工藝能夠符合相應規范和標準。

第三，內孔焊技術在某公司低壓反應水冷凝器生產過程中的運用，為內孔焊技術積累了相當的技術參數和經驗，對今后產品生產中內孔焊技術的應用提供了指導。

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