空冷器換熱管與管板焊接工藝的研究

梁艷

摘 要：本文通過對換熱管與管板焊接方法、形式、特殊材料焊接以及脹焊方法進(jìn)行闡述、分析，研究在空冷器制造中管端焊接的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題，保證換熱管與管板連接可靠性。

關(guān)鍵詞：管端；焊接；深孔焊；脹接

中圖分類號：TG44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 概述

空冷器廣泛應(yīng)用于煉油、化工行業(yè)中，并且經(jīng)常用于高溫、高壓、高腐蝕環(huán)境中，因此對整體質(zhì)量提出更加嚴(yán)苛的考驗，而在整個空冷器制造中，換熱管與管板焊接為其中最為重要環(huán)節(jié)之一，因此如何提高管端連接可靠性成為目前行業(yè)中首要的研究課題。

1 管與管板焊接方法

1.1 焊條電弧焊

焊條電弧焊是一種無機(jī)械輔助、純手工操作的焊接方式，通過焊條與焊件之間建立起來的穩(wěn)定燃燒的電弧，高溫熔化焊條和焊件，焊條藥皮不斷熔化分解，焊條在電弧熱作用下不斷熔化，進(jìn)入熔池，成為焊縫的填充金屬。

1.2 鎢極氬弧焊

鎢極氬弧焊又稱為TIG焊，利用鎢極與焊件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲（也可不填充焊絲），在電弧周圍使用惰性氣體保護(hù)隔絕空氣以及臨近熱影響區(qū)，以形成純凈的焊接接頭。其優(yōu)點(diǎn)為：熔池深而窄、焊件的收縮應(yīng)力和變形較小、鎢極壽命長、電弧燃燒穩(wěn)定。但是在換熱管與管板鎢極氬弧焊焊接時，要求電極應(yīng)滿足3個條件：

①耐高溫，焊接過程中不易損耗。

②電子發(fā)射能力強(qiáng)，利于引弧及穩(wěn)弧，電極材料的逸出功直接影響電子發(fā)射能力，若要使發(fā)射電子的能力增強(qiáng)，需使用逸出功低的材料，引弧及穩(wěn)弧性能均好。

③電流容量大。電極的許用電流要大一些，電極的許用電流與電極材料、電流的種類和極性以及電極伸出長度有關(guān)。

2 管與管板焊接形式

圖1（a）為換熱管與管板焊縫連接，管端伸出管板正面一定長度，形成角焊的接頭結(jié)構(gòu)。這是目前在空冷器制造中最為普遍的焊接形式，通過改變坡口深度與焊接角度，可有效控制管端形成不同熔透深度， 可使金屬隨著母材的焊接熔深程度進(jìn)行調(diào)整，并且適用多種焊接方法，利用此種結(jié)構(gòu)形式焊接可采用單道焊或多道焊，手工焊或自動焊均可，且由于屬于管端外部焊接，實(shí)際操作容易掌控。

圖1（b）為換熱管管端下沉焊縫連接結(jié)構(gòu)，與管端伸出管板焊接結(jié)構(gòu)相比， 焊接過程中熔池形態(tài)可通過對焊槍角度的調(diào)整消除管端未融合等缺陷。用鎢極氬弧焊焊接時， 氣體保護(hù)效果好， 受外部影響較少，管板材料在高溫熔化過程中滲入焊縫的金屬量相對較少， 因此填絲焊的焊縫熔合比相對較小， 且在管端可形成圓滑過渡結(jié)構(gòu)，降低沖刷腐蝕，但此種方法由于在管孔內(nèi)部進(jìn)行焊接，受空間限制較大，對焊工技能水平要求較高，在實(shí)際空冷器制造中一般用于薄壁管焊接。

3 換熱管管與管板異種鋼焊接

在空冷器焊接制造過程中，通常有復(fù)合管板與換熱管焊接、換熱管采用內(nèi)襯結(jié)構(gòu)形式、換熱管與管板不同鋼種焊接形式等，即異種鋼焊接，在焊接過程中一般會產(chǎn)生以下幾個問題：

①異種鋼焊接接頭的稀釋問題。

②靠近焊縫熔合線的金屬凝固過渡層的形成問題，由于熔池凝固特性且其成分存在濃度梯度，形成的過渡變化區(qū)域。

③異種鋼焊接時中間的碳遷移過渡層形成問題，是由碳從低合金鋼一側(cè)的通過焊縫向高合金焊縫中遷移擴(kuò)散的現(xiàn)象，分別在焊縫邊界兩側(cè)形成脫碳層和增碳層。

④異種鋼焊接過程中，由于兩種鋼的線膨脹系數(shù)相差較大，不僅會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，而且在使用中若有循環(huán)溫度作用，也會形成熱應(yīng)力，影響管端焊縫性能。

因此對于異種鋼的焊接通常采用單材焊接和多材焊接法。其中多材焊接法的原理就是防止形成凝固過渡層與降低兩種鋼的線膨脹系數(shù)差值，通過分層焊接，每層焊接材料均不同，第1層為過渡層起到冶金連接和隔離作用，第2層起到增強(qiáng)焊縫連接強(qiáng)度和保證密封作用。而直接施焊法就是選擇合適的焊接材料直接進(jìn)行焊接，但此種方法容易產(chǎn)生裂紋，實(shí)際焊接質(zhì)量很難控制，因此應(yīng)用較少。

4 脹接對管端焊接的影響

由于換熱管與管板連接處是整個空冷器最薄弱的位置，泄漏率較大，其可靠性受到嚴(yán)峻考驗，因此在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中通常采用焊脹并用方式，焊脹并用方式在標(biāo)準(zhǔn)中有兩種形式：強(qiáng)度焊加貼脹、密封焊加強(qiáng)度脹。密封焊是以防止泄露為目的的焊接方式，管端連接強(qiáng)度無法保證，而強(qiáng)度焊既可以保證焊縫的嚴(yán)密性，又能夠抵抗翅片管受熱變形所受到的拉脫力。然而在實(shí)際生產(chǎn)制造中為保證管端連接的密封性能與連接強(qiáng)度，往往采用強(qiáng)度焊加強(qiáng)度脹接方法，此方法雖然可顯著提高管端連接可靠性，但是對于脹接控制難度較大，需保證以下幾點(diǎn)：①管端不脹區(qū)域，即管端焊縫到脹接邊緣長度需不小于15mm。②換熱管脹管率控制，為防止換熱管在脹接后減薄率變大，一般脹管率可控制在5%～10%。③換熱管伸縮長度控制，由換熱管在脹接后會沿縱向產(chǎn)生伸長或收縮（碳鋼、不銹鋼換熱管會產(chǎn)生延伸，鋁管、銅管一般會產(chǎn)生收縮），使管端焊縫受到一定應(yīng)力，使得管端焊縫受到影響，因此通過合理控制換熱管脹管率，消除管與管孔間隙，對管端焊縫起到保護(hù)輔助作用才是最優(yōu)選擇。

5 換熱管與管板焊接質(zhì)量檢驗

換熱管與管板焊接質(zhì)量檢驗方法通常有：①表面PT檢測，由于空冷器大多采用絲堵管箱結(jié)構(gòu)，每個管端對應(yīng)一個絲堵檢修孔，因此可通過檢修孔對管端焊縫噴涂滲透劑、清洗劑、顯像劑，但由于清理較為困難，一般僅用于局部區(qū)域檢測。②氣密性檢查，是一種成本低、操作快捷、檢測精度高的一種無損檢測方式，一般壓力可控制在0.17MPa左右，便可對焊接質(zhì)量進(jìn)行直觀檢測，其通常采用水下氣密與肥皂泡法。

結(jié)語

通過對換熱管與管板焊接工藝的不斷研究、發(fā)展，管端焊接可靠性有著質(zhì)的飛躍，但仍然面臨嚴(yán)峻的考驗，因此只有通過不斷的探索創(chuàng)新、課題攻關(guān)，才能使國產(chǎn)空冷器立足于國際市場。

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