內孔焊技術在換熱器制造中的應用

馬媛

【摘? 要】常規焊接結構管子與管板孔之間存在間隙，易產生間隙腐蝕、過熱等問題;焊接接頭處產生的熱應力可能造成應力腐蝕和破裂。脹接結構形式，由于脹接變形存在較大的殘余應力，易產生應力腐蝕，而且在使用溫度較高時，由于材料的蠕變使脹接殘余應力松馳，引起接頭松動或脫落造成泄漏。因此，換熱器管子與管板的連接技術研究一直是國內外技術人員關注的焦點。

【關鍵詞】內孔焊技術;換熱器制造;應用;

在化工、石油、醫藥、原子能和核工業中，換熱器的應用十分廣泛，換熱器類型與結構也很多，其中管殼式換熱器是最普遍使用的。在管殼式換熱器的設計、制造過程中，換熱管與管板之間的連接質量好壞決定了換熱器的質量、安全和使用壽命。傳統的換熱器均采用的是管子管板角焊結構，這種結構由于自身的局限性，使得焊接質量難以保證，特別是無法進行直觀判定其優劣，在實際換熱器使用中的損壞絕大部分發生在管子管板焊接部位。

一、內孔焊的優點

內孔焊不存在管子管板的縫隙，這對抗縫隙腐蝕和抗應力腐蝕有非常明顯的好處。并且還解決了縫隙積存有害元素的問題，更加有利于設備的清洗和維修。

內孔焊是一種完全焊透的焊接接頭結構，因此其抗振動疲勞強度高，具有較高的承受高溫、高壓的能力。對接內孔焊管板管孔比端部角焊縫的管孔小，這就增加了管板的剛度，可以減小管板的厚度或管間距。內孔焊沒有像端部焊那樣的切口應力集中，故不易產生焊根裂紋。內孔焊對接接頭可以100%RT，因此焊縫內部質量科得到監督和控制，提高了焊縫的可靠性。內控焊的施焊空間雖然很小，但易于實現自動化。內孔焊適用于所有用來制造換熱器的換熱管與管板的連接。內孔焊的不足之處是內孔焊要求的管板加工精度和裝配精度很高，因而提高了設備的造價;當焊縫出現不合格的缺陷時，返修十分困難。

二、內孔焊技術在換熱器制造中的應用

1.焊接工藝參數確定實施。一個焊接接頭的焊接程序，包括按下起動按鈕，提前送保護氬氣，然后送出高頻、起弧，起弧后，在起弧點停留一段時間，用電弧預熱焊接區域以建立起熔池;繼而送出脈沖電流，同時機頭開始轉動，焊接一周后電流在指定位置開始衰減，一定時間后，電弧熄滅，延時送氣特定時間后，機頭停止轉動等，這些程序可以按照預定的參數自動進行。焊接工藝評定是產品制造過程中焊接質量管理的一個重要環節，是編制產品焊接工藝文件的依據。將上述焊接工藝參數輸入到焊接電源的電腦控制系統中，對焊接試件進行施焊，焊后對接頭進行了著色檢查、水壓試驗、金相檢驗、力學性能等項目檢測。焊接接頭經宏觀金相觀察未發現有任何缺陷。

2.管子管板內孔焊結構及焊接方法。焊接設備是實現全位置自動TIG 焊的關鍵所在。由于焊縫的高質量、高可靠性要求，對焊接設備也提出了很高的要求，國外在上世紀60 年代末開始研究內孔焊，并于70 年代開始應用于核設備上。國內在上世紀70 年代中期開始對內孔焊進行試驗研究，并于70 年代末期開始應用于核設備、電站設備上。根據管板環形圈布置形式以及管束與殼體的制造和組裝特點，經過比較和論證，為便于裝配和拆卸，該氬氣保護罩制成哈夫結構，使其與換熱管適當緊配合，避免氬氣流外逸，保護不足。設計時，充分考慮了保護罩內空氣的排除、氬氣的流向以及焊縫的熱影響區域。使用時，通過進氣管充入氬氣，將保護罩內的空氣完全排凈后進行內孔焊。為了確保裝配時換熱管與管板孔的同心度，需要設計一個專門的定位芯軸，根據換熱管內徑與管板孔的實測尺寸設計定位芯軸，要求制造后與換熱管內徑與管板孔的最大間隙不超過0.15mm。芯軸定位后，用焊不加絲在連接處外側對稱地定位焊兩點。所為內孔焊，是將管子管板連接焊縫置于管板殼程一側，為對接接頭。傳統的管子管板焊接為管子穿出管板，為角接接頭。內孔焊是采用氬氣作為內、外保護氣體的自動焊，它是由電源產生的脈沖電流通過與電機直聯的旋轉鎢極頭利用電弧熱能融化母材金屬的一種焊接方式。內孔焊有填絲與不填絲兩種，若換熱管規格為?25×2mm，一般采用自熔不填絲。內孔焊一般采用脈沖焊機，焊接參數的選擇由制造廠實際經驗及焊接工藝評定保證。因此，作為監理人員，審查焊接工藝評定及見證焊接試塊是必不可少的。焊接設備是實現全自動TIG 焊的關鍵所在，由于焊縫的高質量、高可靠性要求，對焊接設備也提出了很高的要求，需專用的焊接設備，尤其是內孔焊槍頭。

3.管束的焊接過程控制。由于管子內件小，管板又薄，焊縫要求單面焊雙面成型，因此管板和管板合攏處的裝配要求很嚴格，間隙（≤0.2mm）、錯邊量（≤0.3mm）和同心度（≤0.1mm）都需要嚴格控制。組對后，將焊槍插入，管板殼程側的施工人員在管子管板焊口位置用專用的氣體保護罩上好，然后進行施焊。每根換熱管焊接結束后，用內窺鏡檢查焊口的焊接質量，管板殼程側的人員管程是否焊透。只要組對良好，焊槍定位準確，可一次成功。若發現未焊透，可再次熔一遍。為了施工過程易于組對，焊接時從上向下焊接，由管板正中位置兩側管孔處豎排施焊，每焊兩列，應檢查管板變形情況，發現變形，即應調整管束兩端的加固位置。

4.焊縫質量檢查。在焊接質量檢驗方面，由于這種接頭形式極難返修，因此，每焊完一個焊縫后，應馬上進行檢驗。檢驗項目按圖樣及技術協議等要求，以下檢驗項目僅供參考。⑴外觀檢查：經檢查的焊接接頭內外側均勻，焊道形狀良好，平滑、美觀、光亮，無可見的焊接缺陷。由于焊縫外部采用氣體保護套筒，若焊縫內外側呈白亮或淺黃的顏色，則說明氬氣保護系統是良好的。⑵RT：由于內孔焊的特殊接頭形式，留有貼片的空間，因此100%RT 是可行的。但其RT 需要具備的條件較高，如必須有短焦距小能量的放射源、必須解決小尺寸貼片的問題等。⑶PT：對焊縫表面進行100%PT 檢查，Ⅰ級合格。由于操作空間較小，且待檢查的一列管子管板焊縫靠近前一列空間更加狹小，在實際生產中，此方法并不便操作及觀察。逐根氦檢漏：焊接完成后，向待檢焊縫的換熱管里充氦氣，兩頭密閉，形成密閉空間，以氦檢儀顯示的泄漏率為依據判定焊縫質量。若采用嗅吸探頭檢測法，內部氦氣保壓，將嗅吸槍頭在管子管板焊縫外側做繞式的檢查，并實時觀察氦檢儀數值變動。逐根水壓：按照管程水壓試驗壓力進行檢測，無滲漏、無異常為合格。這對管子兩頭工裝的密閉性要求較高。整體氦檢漏：當管板與殼程筒體組裝、組焊完成后，可向殼程充氦氣，在采用深孔焊的管板管程一側進行氦檢漏。整體水壓（殼程）：按照殼程水壓試驗壓力進行檢測，逐根檢查管子管板焊縫處，可用內窺鏡或手電筒檢查，無滲漏、無異常為合格。

隨著工業的發展，國內制造廠能夠制造內孔焊換熱器的廠家也越來越多，制造水平較以前有很大的提高，高溫高壓且介質強腐蝕的換熱器應用也愈來愈廣泛，換熱器結構的設計成為高溫、高壓且介質強腐蝕的換熱器設計的關鍵，所選用的結構應保證安全、同時兼顧經濟的原則，內孔焊結構更適用于高溫、高壓且強腐蝕介質的換熱器，對解決管與管板接頭應力腐蝕破裂具有顯著的優越性。

參考文獻：

[1]沈學立，湯承亮.管子管板內孔焊的實際應用[J].壓力容器，2017，22（5）：30-31.

[2]秋恩哲.管與管板內孔焊接及其應用[J].管道技術與設備，2017，（6）：16-18.

（作者單位：天津華賽爾傳熱設備有限公司）