管與管板焊前間斷定位脹工藝研究

張建

摘 要：本文通過(guò)應(yīng)力分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，研究管與管板焊前間斷定位脹的可行性及對(duì)后續(xù)焊接、脹接的影響，確定間斷定位脹接方案。

關(guān)鍵詞：管端定位；間斷定位脹；脹度；拉脫力

中圖分類號(hào)：TG457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 概述

換熱器是石油化工、能源冶煉等工業(yè)中十分重要的設(shè)備之一，通常應(yīng)用于高溫、高壓、高腐蝕狀態(tài)下，而對(duì)于換熱器管子與管板連接處一直是整個(gè)設(shè)備最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，最容易發(fā)生破壞導(dǎo)致?lián)Q熱器泄漏失效，因此目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)不斷地對(duì)管端連接方式進(jìn)行研究，通常研究方向在于換熱管與管板焊接、脹接，然而管端連接另一重要環(huán)節(jié)就是換熱管與管板定位，其直接影響管端焊接、脹接質(zhì)量。通過(guò)對(duì)管端固定的方法的研究、優(yōu)化，保證后續(xù)的脹接或焊接質(zhì)量，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1 常規(guī)換熱管與管板焊前定位工藝

鋼管與管板焊接之前必須進(jìn)行管端定位。定位可以使待焊管子裝配牢固，以免吊裝、焊接時(shí)發(fā)生錯(cuò)位串動(dòng)。常規(guī)方法有定位焊、擴(kuò)口、定位脹接。

1.1 定位焊：定位焊為目前普遍使用的換熱管與管板定位方法，一般采用鎢極氬弧焊不填絲將管端與管板自熔焊接，形成融合點(diǎn)狀焊縫，此種方法最大優(yōu)點(diǎn)就是效率高、成本低，但是鎢極氬弧焊定位也存在一定缺點(diǎn)：①由于對(duì)于某些結(jié)構(gòu)限制，定位焊在后序加工中不易被去除，因此在換熱管與管板密封焊接時(shí)，造成焊縫疊加。②點(diǎn)焊定位容易將鋼管壁厚擊穿，尤其對(duì)于薄壁鋼管操作難度很大。③雖然點(diǎn)固焊點(diǎn)固的區(qū)域相對(duì)較小，但其方位和長(zhǎng)度都會(huì)影響到焊接變形和剩余應(yīng)力散布。④對(duì)于換熱管裝配有斜度的，由于定位焊無(wú)法有效控制換熱管與管孔之間存在裝配間隙，影響后序脹接質(zhì)量。

1.2 沖頭擴(kuò)口：此種方法采用錐角為60°的沖頭輕度擴(kuò)口，適用于管端純脹，對(duì)于管孔有坡口焊接的無(wú)法使用，且在實(shí)際操作做效率較低。

1.3 定位脹：由于受鋼管尺寸公差與管孔加工公差影響，對(duì)于定位脹脹接力控制非常困難，若脹接力過(guò)小會(huì)導(dǎo)致存在貼合不上情況，若脹接力過(guò)大，會(huì)完全消除管與管板間隙，貼合過(guò)緊，在焊縫過(guò)程中，氣體還未能及時(shí)逸出焊縫表面，從而在焊縫內(nèi)部形成氣孔。因此定位脹的控制成為它的一個(gè)難點(diǎn)。

2 間斷定位脹

針對(duì)在不傷及換熱管前提下，既要保證換熱管與管板貼合牢固，又要保證不影響后續(xù)管端焊接與脹接，因此研究管端間斷定位脹方法。所謂間斷定位脹不同于傳統(tǒng)定位脹方法，既保證實(shí)現(xiàn)管與管板貼合固定，又能留有一定間隙空間，保證后序焊接氣體排放通道，間斷定位脹采用5點(diǎn)定位脹接形式，并配有驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)PLC對(duì)脹接力進(jìn)行控制：依照螺旋副原理，通過(guò)旋轉(zhuǎn)塔形阿基米德螺旋體移動(dòng)錐體使5個(gè)脹接頭作徑向位移，使其與換熱管內(nèi)孔接觸，將推進(jìn)桿芯距離反饋給PLC，經(jīng)過(guò)換算對(duì)內(nèi)孔尺寸進(jìn)行控制，5個(gè)脹接頭接觸面應(yīng)為圓弧形，并鑲硬質(zhì)合金，能夠更好地保證換熱管與管板貼合。

3 定位脹接試驗(yàn)與分析

3.1 脹度與拉脫力試驗(yàn)比較。由于GB151—2014《熱交換器》標(biāo)準(zhǔn)中要求貼脹脹度宜控制在2%～3%，因此對(duì)于間斷定位脹接脹度不應(yīng)超過(guò)2%或控制在更小范圍內(nèi)，以減小對(duì)后續(xù)管端焊接、脹接影響（見(jiàn)表1），脹度變化與管端拉脫力成正比例變化，若脹度較小，則管端能夠承受的拉脫力值也非常小，無(wú)法滿足要求，因此考慮采用管孔刻加強(qiáng)槽方法增大換熱管與管板拉脫力，因此在間斷脹接區(qū)域覆蓋寬度為3mm，深度在0.3mm～0.5mm的淺槽，采用此方法間斷脹接后鋼管脹度、拉脫力進(jìn)行比較分析，見(jiàn)表1，從圖中明顯看出在脹度基本不變的前提下，管端拉脫力明顯提升。

3.2 對(duì)管端焊接影響試驗(yàn)。對(duì)間斷定位脹后的管端分別采用焊條電弧焊與烏極氬弧焊進(jìn)行焊接，焊后進(jìn)行外觀檢查、滲透檢查、截面檢查均合格。

3.3 對(duì)管端脹接的影響。通過(guò)模擬軟件對(duì)間斷定位脹進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析（圖1），所示間斷脹接在后續(xù)管與管板脹接中被覆蓋，因此相對(duì)于鋼管局部位置發(fā)生二次脹接，由于在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，鋼管受震動(dòng)、沖刷腐蝕、疲勞載荷、溫度變化等應(yīng)影響，二次脹接位置相對(duì)于其他部位存在較大殘余應(yīng)力，容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，且脹接受力分布不均，因此很容易導(dǎo)致脹接失效，由于間斷脹接已經(jīng)使換熱管與管孔局部貼合（如圖1（a）所示），再二次脹接時(shí)原非脹接區(qū)域的線性膨脹會(huì)使換熱管在加強(qiáng)槽邊緣發(fā)生應(yīng)力集中（如圖1（b）所示），對(duì)管端連接可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為解決此問(wèn)題將間斷脹接位置移至管端焊接與脹接中間不脹區(qū)域（如圖1（c）所示），利用此方法可有效解決脹接疊加對(duì)換熱管影響，由于脹焊管端，間斷脹接會(huì)有效抵擋后續(xù)脹接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)管端焊接的影響，對(duì)管端焊接起到重要的保護(hù)作用，如圖1（d）所示。

結(jié)論

通過(guò)對(duì)換熱管與管板焊前定位工藝比較，可以看出管端間斷定位脹相對(duì)于其他方法有著明顯優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)有限元軟件分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，確定在實(shí)際生產(chǎn)中間斷脹接是可行的，因此對(duì)管端定位間斷脹接質(zhì)量的嚴(yán)格控制，能夠更好地為管端連接質(zhì)量打好基礎(chǔ)、提供保障。

參考文獻(xiàn)

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