管與管板焊前間斷定位脹工藝研究

張建

摘 要：本文通過應力分析與試驗驗證，研究管與管板焊前間斷定位脹的可行性及對后續焊接、脹接的影響，確定間斷定位脹接方案。

關鍵詞：管端定位；間斷定位脹；脹度；拉脫力

中圖分類號：TG457 文獻標志碼：A

0 概述

換熱器是石油化工、能源冶煉等工業中十分重要的設備之一，通常應用于高溫、高壓、高腐蝕狀態下，而對于換熱器管子與管板連接處一直是整個設備最關鍵的環節之一，最容易發生破壞導致換熱器泄漏失效，因此目前國際、國內不斷地對管端連接方式進行研究，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節就是換熱管與管板定位，其直接影響管端焊接、脹接質量。通過對管端固定的方法的研究、優化，保證后續的脹接或焊接質量，從而保證產品質量。

1 常規換熱管與管板焊前定位工藝

鋼管與管板焊接之前必須進行管端定位。定位可以使待焊管子裝配牢固，以免吊裝、焊接時發生錯位串動。常規方法有定位焊、擴口、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，形成融合點狀焊縫，此種方法最大優點就是效率高、成本低，但是鎢極氬弧焊定位也存在一定缺點：①由于對于某些結構限制，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，造成焊縫疊加。②點焊定位容易將鋼管壁厚擊穿，尤其對于薄壁鋼管操作難度很大。③雖然點固焊點固的區域相對較小，但其方位和長度都會影響到焊接變形和剩余應力散布。④對于換熱管裝配有斜度的，由于定位焊無法有效控制換熱管與管孔之間存在裝配間隙，影響后序脹接質量。

1.2 沖頭擴口：此種方法采用錐角為60°的沖頭輕度擴口，適用于管端純脹，對于管孔有坡口焊接的無法使用，且在實際操作做效率較低。

1.3 定位脹：由于受鋼管尺寸公差與管孔加工公差影響，對于定位脹脹接力控制非常困難，若脹接力過小會導致存在貼合不上情況，若脹接力過大，會完全消除管與管板間隙，貼合過緊，在焊縫過程中，氣體還未能及時逸出焊縫表面，從而在焊縫內部形成氣孔。因此定位脹的控制成為它的一個難點。

2 間斷定位脹

針對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定位脹方法，既保證實現管與管板貼合固定，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點定位脹接形式，并配有驅動裝置通過PLC對脹接力進行控制：依照螺旋副原理，通過旋轉塔形阿基米德螺旋體移動錐體使5個脹接頭作徑向位移，使其與換熱管內孔接觸，將推進桿芯距離反饋給PLC，經過換算對內孔尺寸進行控制，5個脹接頭接觸面應為圓弧形，并鑲硬質合金，能夠更好地保證換熱管與管板貼合。

3 定位脹接試驗與分析

3.1 脹度與拉脫力試驗比較。由于GB151—2014《熱交換器》標準中要求貼脹脹度宜控制在2%～3%，因此對于間斷定位脹接脹度不應超過2%或控制在更小范圍內，以減小對后續管端焊接、脹接影響（見表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，無法滿足要求，因此考慮采用管孔刻加強槽方法增大換熱管與管板拉脫力，因此在間斷脹接區域覆蓋寬度為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、拉脫力進行比較分析，見表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 對管端焊接影響試驗。對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行焊接，焊后進行外觀檢查、滲透檢查、截面檢查均合格。

3.3 對管端脹接的影響。通過模擬軟件對間斷定位脹進行靜態應力分析（圖1），所示間斷脹接在后續管與管板脹接中被覆蓋，因此相對于鋼管局部位置發生二次脹接，由于在系統運行時，鋼管受震動、沖刷腐蝕、疲勞載荷、溫度變化等應影響，二次脹接位置相對于其他部位存在較大殘余應力，容易產生應力腐蝕，且脹接受力分布不均，因此很容易導致脹接失效，由于間斷脹接已經使換熱管與管孔局部貼合（如圖1（a）所示），再二次脹接時原非脹接區域的線性膨脹會使換熱管在加強槽邊緣發生應力集中（如圖1（b）所示），對管端連接可靠性產生嚴重影響。為解決此問題將間斷脹接位置移至管端焊接與脹接中間不脹區域（如圖1（c）所示），利用此方法可有效解決脹接疊加對換熱管影響，由于脹焊管端，間斷脹接會有效抵擋后續脹接產生的殘余應力對管端焊接的影響，對管端焊接起到重要的保護作用，如圖1（d）所示。

結論

通過對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于其他方法有著明顯優勢，經過有限元軟件分析與試驗驗證，確定在實際生產中間斷脹接是可行的，因此對管端定位間斷脹接質量的嚴格控制，能夠更好地為管端連接質量打好基礎、提供保障。

參考文獻

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