鈦管換熱器的換熱管與管板焊接工藝介紹

摘 要：文章介紹了以海水作為冷卻介質的換熱器中一種以爆炸復合鈦鋼板作管板、以鈦管作換熱管的換熱管與管板焊接的工藝評定及生產制作中的焊接工藝。文章為鈦制換熱器的生產制造提供可借鑒經驗。

關鍵詞：鈦管換熱管；復合鈦鋼板管板；換熱管與管板工藝評定；生產制作

濱海電站的換熱器設備若采用常規不銹鋼管做換熱管、低合金鋼作管板，管板和換熱管會在一兩年內發生嚴重的點腐蝕、潰蝕等現象，使用周期短，不但成本高而且有礙生產。我公司設計制造的以鈦管作為換熱管、復合鈦鋼板作為管板的換熱器經廠家使用取得了良好的抗腐蝕效果。文章將介紹此設備換熱管與管板的工藝評定及生產制作工藝。

1 設備簡介

我公司為南方沿海某電廠390MW熱電聯產燃氣蒸汽聯合循環機組配套設計制造的水（除鹽水）-水（海水）熱交換器，其結構圖如圖1所示，公稱通徑DN1400mm，換熱面積1200m2，總長11000mm，熱換管為西安寶鈦美特法力諾？覫19x0.5mmTA2鈦焊管，臥式平蓋管箱折流桿換熱器，換熱器型號SSL-1200-1，單回程，開式循環冷卻水（海水）進入水-水熱交換器管程，將殼側閉式循環冷卻水（除鹽水）冷卻后排入循環水排水管，閉式循環冷卻水回水經閉式循環冷卻水泵升壓，經過水-水熱交換器冷卻后，向客戶提供冷卻水。

1-前管箱 2-管板 3-前導流筒 4-殼體 5-折流圈

6-換熱管 7-后導流筒 8-后管箱

圖1 鈦管換熱器結構圖

換熱器殼體圓筒、殼體進出水管、進出水管法蘭均為普通碳素結構鋼Q235-B；管箱筒節用爆炸復合鈦鋼板（TA2+Q235-B），管箱進出水管用優質碳素結構鋼20管（內襯丁基橡膠HY2D），管箱法蘭亦為普通碳素結構鋼Q235-B（內襯丁基橡膠HY2D）；管板采用爆炸復合鈦鋼板（TA2+Q345R）；換熱管采用TA2鈦管。

該設備要求按GB151-1999《管殼式換熱器》，對主要焊縫的無損檢測A、B類焊縫進行20%的射線探傷，按照JB/T4730.2-2005標準的Ⅲ級合格。

表1 設計參數

2 材料化學成分及性能指標

采用西安寶鈦美特法力諾焊管有限公司生產的？覫19×0.5mmTA2鈦焊管作為換熱管，選擇西安天力金屬復合材料有限公司的爆炸復合鈦鋼板TA2/Q345R，規格（4/56×？覫1356mm）作為管板。

2.1 鈦管

（1）化學成分。TA2鈦焊管的化學成分見表2。（2）性能指標。所用TA2鈦管性能指標符合GB/T 3625-2007《換熱器及冷凝器用鈦及鈦合金管》要求。？覫19×0.5mmTA2焊管性能見表3。

表2 TA2鈦焊管的化學成分

表3 TA2鈦管室溫力學性能

2.2 爆炸復合鈦鋼板

鈦復合管板（TA2+Q345R）-（4+56）×D1356mm-B1符合NB/T 47002.3-2009《鈦-鋼復合板》標準要求。其中，管板覆層（TA2）符合GB/T3621-2007《鈦及鈦合金板材》要求，基層（Q345R）符合GB713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板標準》要求。TA2覆層化學成分見表4。

表4 TA2鈦板的化學成分

3 鈦材焊接性能分析

3.1 氣體及雜質污染對焊接性能的影響

在常溫下，鈦及鈦合金是比較穩定的。但試驗表明，在焊接過程中，液態熔滴和熔池金屬具有強烈吸收氫、氧、氮的作用，而且在固態下，這些氣體已與其發生作用。隨著溫度的升高，鈦及鈦合金吸收氫、氧、氮的能力也隨之明顯上升，大約在250℃開始吸收氫，從400℃開始吸收氧，從600℃開始吸收氮，這些氣體被吸收后，將會直接引起焊接接頭脆化，是影響焊接質量的極為重要的因素。焊接零件上的油污灰塵等雜質對焊接質量也有很大影響。

（1）氫的影響是氣體雜質中對鈦的機械性能影響最嚴重的因素。焊縫含氫量變化對焊縫沖擊性能影響最為顯著，其主要原因是隨縫含氫彈量增加，焊縫中析出的片狀或針狀TiH2增多。TiH2強度很低，使得焊縫沖擊性能顯著降低。焊接時注意采用低氫焊條或焊絲。（2）氧的影響。氧在鈦的α相和β相中都有較高的溶解度，并能形成間隙固溶相，造成晶格相嚴重扭曲畸變，造成鈦及鈦合金硬度和強度提高，塑性卻顯著降低。為了保證焊接接應的性能，除了在焊接過程中嚴防焊縫及焊接熱影響區發生氧化外，同時還應限制基本金屬及焊絲中的含氧量。（3）氮的影響。在700℃

以上的高溫下，氮和鈦發生劇烈作用，形成脆硬的氮化鈦（TiN），而且氮與鈦形成間隙固溶體時所引起的晶格歪挪程度，比吸氧引起的后果更為嚴重，因此，氮對提高鈦及鈦合金焊縫的抗拉強度、硬度，降低焊縫的塑性性能比氧更為顯著。（4）碳的影響。碳也是鈦及鈦合金中常見的雜質，實驗表明，當碳含量為0.13%時，碳因深在α鈦中，焊縫強度有所提高，塑性有所下降，但不及氧、氮的作用強烈。但是當進一步提高焊縫含碳量時，焊縫卻出現網狀TiC，其數量隨碳含量增高而增多，使焊縫塑性急劇下降，在焊接應力作用下易出現裂紋。因此，鈦及鈦合金母材的含碳量不得大于0.1%，焊縫含碳量不超過母材含碳量。

3.2 焊接接頭裂紋問題

鈦及鈦合金焊接時，焊接接頭產生熱裂紋的可能性很小，這是因為鈦及鈦合金中S、P、C等雜質含量很少，由S、P形成的低熔點共晶不易出現在晶界上，加之有效結晶溫度區間窄小，鈦及鈦合金凝固時收縮量小，焊縫金屬不會產生熱裂紋。

鈦及鈦合金焊接時，熱影響區可能出現冷裂紋，其特征是裂紋產生在焊后數小時甚至更長時間，也稱作延遲裂紋。經研究表明這種裂紋與焊接過程中氫的擴散有關。焊接過程中氫由高溫熔池向較低溫的熱影響區擴散，氫含量的提高使該區析出TiH2量增加，增大熱影響區脆性，另外由于氫化物析出時體積膨脹引起較大的組織應力，再加上氫原子向該區的高應力部位擴散及聚集，以致形成裂紋。防止這種延遲裂紋產生的辦法，主要是減少焊接接頭氫的來源，必要時進行真空退火處理。

4 焊接方法的選擇

TA2鈦管與管板設計采用強度脹加密封焊。鈦及鈦合金焊接時，當溫度在500℃～700℃時，很容易吸收空氣中的氧、氫和氮，嚴重影響焊接質量。氬弧焊的電弧在氬氣流的保護與冷卻作用下，電弧熱量較為集中，電流密度高，熱影響區小，焊接質量較高。由于鈦材的特殊物理化學特性，結合我公司的設備狀況、環境狀況，此次鈦換熱管與管板焊接我們采用自動鎢極氬弧焊。

焊接設備：管板自動氬弧焊機，型號：WZM1-315，生產廠家：揚中市神通焊接設備有限公司。

5 換熱管與管板的焊接工藝評定

NB/T 47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》附錄D適用于換熱管與管板連接的強度脹且脹焊并用的焊縫。依據以上規定，本臺換熱器換熱管與管板焊接可不進行焊接工藝評定，但由于我公司第一次使用此類材料，為了確保產品的焊接質量，仍決定參照NB/T 47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》附錄D進行了評定試驗。

5.1 評定用焊接方法、材料

焊接方法選用自動鎢極氬弧焊。評定用試件焊前結構形式如圖2所示，試件坡口形式如圖3所示。材料牌號及規格如表5所示，焊接參數如表6所示。

5.2 試板檢驗

（1）外觀檢查。焊縫和熱影響區表面用10倍放大鏡進行100%檢查，外觀檢查和無損檢測結果不應有裂紋、未熔合、氣孔、咬邊、弧坑和夾雜，飛濺物等缺陷，焊縫外不應有打弧點。表面不應有氧化色（只允許有銀白色和淡黃色）。經檢查，焊縫表面未發現裂紋、氣孔、未熔合等缺陷，表面顏色呈銀白色，外觀檢查合格。（2）滲透檢驗。對10個焊接接頭全都按JB/T 4730.5規定進行滲透檢驗，未發現裂紋，檢驗合格。（3）金相檢驗（宏觀）。按圖4所示，任取呈對角線位置的兩個管接頭切開，兩切口是互相垂直的。切口一側面通過換熱管中心線，對8個金相檢驗面檢驗（其中包括一個取自弧處的金相檢驗面）進行檢驗，焊縫根部未發現裂紋、未熔合，且根部都焊透。評定結果：以上檢驗均符合標準要求，評定為合格。

6 生產過程中鈦管與管板的焊接工藝

焊接工藝評定合格后據此編制焊接工藝，同時必須嚴格執行相關的工藝規程以確保焊接質量。產品生產中應挑選具備相應焊接資質的焊工進行焊接。

6.1 焊接用密封室

因為鈦材具有特殊性，風速、溫度、濕度、粉塵等環境因素對焊接質量的影響都不可小覷，為保證焊接作業的環境，我們搭建了與外界相對隔絕的30m2（5mx6m）密封焊接室，保持溫度在25°C左右，相對濕度小于60%。試件的焊接評定和產品的焊接都在這間防風、防塵的密封室內進行。（1）密封室內要安裝空調、除濕機、吸塵器及排氣扇，要求室內光線充足，并確保地面平整、干凈清潔；（2）密封室應考慮防火措施和安全通道；（3）焊接時焊工應穿潔凈的工作服和戴脫脂純滌綸手套。

6.2 焊接中人、機、材的基本要求

6.2.1 人員要求。（1）焊接技術人員、焊接質量檢查人員與焊接檢驗、檢測人員應具有相應的資格；（2）凡參加施焊的焊工應經過鈦及鈦合金某類別任一牌號的機動焊理論與實際操作技能培訓，并考核合格，才可進行鈦換熱管與管板的焊接工作。焊工具體持證項目為：GTAW-5FG-05/07/08/19。且需掌握以下基本知識： a.鈦金屬材料的基礎知識； b.焊接材料（氬氣）及其使用方面的基礎知識；c.焊接工藝基礎知識和鈦材焊接的專業知識；d.常見的焊接缺陷產生的原因、危害性、預防及處理措施；e.管板焊接設備、測量儀表的種類、使用、維護的基礎知識。

6.2.2 管板自動鎢極氬弧焊機要求。（1）電弧特性穩定；（2）電流調節靈活、方便，有良好的工藝重復性；（3）機械執行機構運轉靈活，裝卡方便；（4）具有提前送氣、延時停氣、脈沖、非接觸引弧和電流衰減功能。

6.2.3 材料。（1）管板覆層鈦、基層Q345R及鈦管應具有質量證明文件；（2）氬氣使用前應檢查有無出廠合格證，氬氣純度應不小于99.99%；（3）自動鎢極焊所用的鎢極選用的直徑為？覫2.0鈰鎢極。

6.3 施焊前管板準備工作

（1）試板、管板及管孔應采用冷加工方法成形；（2）對已經脹管檢驗合格的進水側管板進行焊接，保持與出水側管板處工作人員的聯系；（3）應先清除管板和脹管部分的雜物并應進行表面清理，去除油污、氮化物、氧化物、水漬、銹跡等，呈現金屬光澤，然后用HS-50清洗液擦洗；（4）擦洗潔凈度以白綢布蘸95%酒精擦拭管孔及管板，無任何污漬、不染色為合格；（5）加工及清洗完畢的管板及管孔嚴禁用手觸摸，暫時不焊的管板必須用潔凈的塑料薄膜覆蓋，以防污染。

6.4 換熱管與管板焊接

（1）管板焊接人員應嚴格執行焊接工藝規程；（2）焊機中心定位桿尺寸與脹后管孔內徑間隙為0.1～0.15mm，并保證焊接過程不晃動；（3）鎢極加工形狀、焊接接頭形式、鎢極的設置尺寸如圖5。（4）安裝鎢極時，鎢極應處于焊槍噴嘴的中心位置，不得偏斜；（5）焊接時要經常注意鎢棒尖端的形狀，如果鎢極尖端變圓，電弧的方向就會改變，焊縫就不圓滑、出毛邊，這時應更換鎢極；（6）一側施焊另一側嚴禁脹管、切管，以保證焊接質量。雙側施焊時，不得同時焊接一根鈦管；（7）焊接參數見表6；（8）起弧和收弧位置：見圖6。從時鐘11點位置起弧，順時針旋轉焊接一周后在12點位置開始衰減，在3點鐘位置收弧，焊嘴自動返回11點鐘起弧位置，準備下一個管孔的焊接；（9）焊接時宜采用跳焊法，由下而上逐排焊接，見圖7；（10）管孔焊接效果見圖8；（11）焊縫表面應均勻、美觀，呈魚鱗狀。焊縫余高應不大于0.5mm，焊縫寬度應為2～2.5mm；（12）焊縫表面不允許有裂紋、氣孔、未熔合、焊偏等缺陷；（13）焊縫表面應呈銀白色或淡黃色，不允許出現紫色、藍色、灰色等。

其中：焊嘴鎢極位置圖中，a-鎢極伸出噴嘴長度7～8mm；b-鎢極至管板距離0.7～1.5mm；β-鎢極與管孔軸線夾角8～10°。

圖5

圖6 起弧和收弧位置 圖7 跳焊法焊接

6.5 管板焊縫表面無損檢測

焊縫表面外觀檢查合格后進行著色檢驗，著色檢驗按JB/T4730.5-2005《承壓設備無損檢測滲透檢測》I級合格，見圖9。

6.6 水壓試驗

無損檢測符合質量要求后進行裝配，裝配完成進行水壓試驗，殼程試驗壓力1.25MPa，管程0.5MPa。換熱管與管板焊接的焊縫在水壓試驗中未發現泄漏。

7 結束語

文章總結了我公司制造鈦管換熱器過程中鈦管與管板的焊接工藝評定和生產過程中的焊接工藝。通過客戶三年的使用證明，該產品在以海水作為冷卻介質的使用中性能良好，焊接質量可靠，為鈦管換熱器的生產制造提供可借鑒案例。

參考文獻

[1]GB 151-1999.管殼式換熱器[S].

[2]JB/T4745-2002.鈦制焊接容器[S].

[3]NB/T 47002.3-2009.鈦-鋼復合板[S].

[4]NB/T 47014-2011.承壓設備焊接工藝評定[S].

[5]GB/T 3625-2007.換熱器及冷凝器用鈦及鈦管[S].

[6]焊接手冊-材料的焊接2[M].機械工業出版社，1995.

[7]GB/T3620.1-2007.鈦及鈦合金牌號和化學成分[S].

作者簡介：郭永萍（1979，10-），女，漢，籍貫：陜西省渭南市，職稱：機械設計制造中級工程師，學位：大學本科，現供職單位：黃石市華天自動化設備有限公司，研究方向：機械制造中焊接工藝。