新型纏繞管式換熱器管板與換熱管連接接頭的研制

羊衣木 吳賢春

（四川科新機電股份有限公司）

傳統纏繞管式換熱器管板與換熱管的連接方式為換熱管外伸角接，此結構本身有一定的局限性，角焊處有較大的應力集中，容易產生焊接接頭根部裂紋，焊接質量難以保證；角焊后即便采用脹接（強度脹或貼脹），在高溫、振動等工況下，也不可能避免縫隙腐蝕，脹接又為應力腐蝕提供了條件；角焊焊接接頭在承受較大壓力波動和溫度變化時， 容易在焊縫的根部產生疲勞裂紋，造成管端焊縫處泄漏；角接焊縫所受的是剪應力，其承受力有限。 筆者采用無間隙對接接頭中的內孔對接接頭結構，有效避免了以上問題的出現［1，2］。

1 換熱器結構及其設計參數

纏繞管式換熱器的結構如圖1 所示。 設備主要由球形封頭、管板、芯筒、筒體和換熱管組成，換熱管布置在芯筒與筒體之間的有限空間內，換熱管按螺旋形狀逐層交替纏繞而成，相鄰兩層換熱管的纏繞方向相反，兩層換熱管之間用平墊條進行隔離，形成殼程流體通道，每層換熱管采用管箍和異形墊條進行固定， 換熱管的纏繞角度9°，管板（圖2）與換熱管采用對接接頭，并采用手工氬弧焊焊接。

圖1 設備結構示意圖

圖2 管板的結構形式

纏繞管式換熱器換熱面積為24m2，換熱管規格為φ12mm×2.5mm， 設備的主要設計參數見表1。

表1 設備的主要設計參數

2 主要受壓部件的材料性能要求

2.1 管板

管板選用材料為S30408Ⅲ（鍛），該管板的熱處理狀態為固溶（1 010～1 150℃快冷），管板鍛件按標準NB/T 47013.3—2015 《承壓設備無損檢測第3 部分：超聲檢測》進行100%檢測，達Ⅰ級合格， 管板的化學成分和力學性能均應符合標準NB/T 47010—2017 《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》的規定，其余項均按Ⅲ級鍛件進行檢驗、驗收和復驗。

管板的化學成分復驗結果見表2。

管板的拉伸試樣采用GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分： 室溫試驗方法》標準中的R4 號試樣， 管板的拉伸試驗復驗結果見表3。

表2 管板的化學成分復驗結果 wt%

表3 管板的拉伸復驗結果

管板的沖擊試樣采用GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》 標準本體取樣，管板的沖擊試驗復驗結果見表4（設計要求值為：試驗溫度-196℃，沖擊功值不小于41J）。

表4 管板的沖擊試驗復驗結果

2.2 換熱管

換熱管材料選用 S30408（06Cr19Ni10）高精度冷拔管，并經1 010～1 150℃急冷熱處理；外徑偏差±0.1mm，壁厚偏差±0.2mm，不允許拼接；換熱管逐根進行水壓試驗，試驗壓力49.5MPa；換熱管的化學成分、力學性能（拉伸試驗）、工藝性能（擴口試驗、 壓扁試驗） 進行復驗均應符合GB/T 13296—2013 《鍋爐、 熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》的規定。

換熱管的化學成分復驗結果見表5。

表5 換熱管的化學成分復驗結果 wt%

在室溫環境下，再進行換熱管的縱向拉伸性能復驗，結果詳見表6。

表6 換熱管的縱向拉伸復驗結果

換熱管的工藝性能復驗結果見表7， 合格標 準為試樣擴口、壓扁試驗后不出現裂縫和裂口。

表7 換熱管的工藝性能復驗結果

2.3 焊接材料

換熱管與管板間的焊接方式采用鎢極惰性氣體保護焊，選用的焊接材料應保證焊縫金屬的力學性能高于或等于相應母材標準規定的下限值，且應保證 Cr、Ni、Mo 或 Cu 等主要合金元素的含量不低于母材標準規定的下限值。 焊絲牌號按照HG/T 20581—2011《鋼制化工容器材料選用規定》和YB/T 5092—2005《焊接用不銹鋼絲》標準附錄B 進行選擇， 焊絲牌號選H03Cr21Ni10Si（308L）。 焊絲的化學成分見表8。

表8 焊絲的化學成分 wt%

焊絲的力學性能參考GB/T 29713—2013《不銹鋼焊絲和焊帶》標準附錄A 中的值，復驗時對該焊絲焊接的焊縫進行沖擊試驗，試驗溫度為-196℃，沖擊功為 75、80、85J，焊絲的力學性能試驗結果見表9。

表9 焊絲的力學性能試驗結果

3 管板與換熱管的連接

換熱管與管板的連接接頭不僅應具有良好的密封性， 還應具有承受內壓和熱應力的能力，在某些特殊的工況下還應具有較高的耐蝕性。 傳統換熱管與管板的焊接形式如換熱管外伸角接、換熱管內縮角接、換熱管與管孔平齊端接都不可避免地存在一定的局限性。 而采用無間隙式接頭中的內孔對接接頭就能有效避免上述局限性。 無間隙式內孔對接接頭的優點為：對接接頭焊縫承受的拉脫力與角接焊縫相比更大，能承受更高的壓力；焊接處殘余應力小，不易產生焊縫根部裂紋，焊縫質量可檢測；完全消除角接焊縫根部縫隙，避免縫隙腐蝕和提高抗應力腐蝕能力；對接接頭焊縫的連接強度、 抗疲勞強度得到顯著提高，能承受更大的溫度和壓力波動［3］。

3.1 連接形式

傳統換熱管與管板的連接方法主要有強度脹接、強度焊接和脹焊并用，這些連接方式都存在一定的局限性。

我國在20 世紀70 年代中期開始對內孔焊進行試驗和研究， 并在70 年代末期開始應用于核設備和電站設備上。 內孔焊是將換熱管與管板的端部焊接改為管束內孔焊接，從而能夠有效地克服傳統連接方式的不足之處。 但是，內孔焊要求管板加工精度和裝配精度很高，提高了設備的造價；焊接時要求采用專用焊接設備和自動化程度很高的焊接技術；焊縫出現不合格時，返修十分困難［4］。為了避免以上不足之處，筆者采用管板外坡口和換熱管對接，管板與換熱管的對接接頭形式如圖3 所示。

圖3 換熱管與管板的對接接頭形式

3.2 焊接參數

奧氏體不銹鋼的焊接接頭可能出現下述一種或多種問題，如：焊接接頭的熱裂紋、焊接接頭的耐蝕性下降；焊接接頭的脆化，在實際焊接工藝方法的選擇及其焊接材料的匹配方面應予以足夠的重視［5］。本工藝中，換熱管與管板的焊接采用手工鎢極惰性氣體保護焊， 且選用直流正接法，該焊接方法具有電弧穩定、熱影響區窄、較強的局部熱輸入和獲得的焊縫窄而深。 同時采用純度為99.99%的氬氣以進行焊縫保護，預熱溫度不小于5℃，道間溫度控制在5～150℃之間，氣體流量為10～12L/min，其他焊接參數見表10。

3.3 無損檢測

管板與換熱管的對接接頭按 NB/T 47013.2—2015 《承壓設備無損檢測 第2 部分：射線檢測》 標準中的雙壁雙影法進行100%射線檢測， 經檢測對接焊縫質量全部達Ⅰ級標準要求；再按NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5 部分：滲透檢測》標準進行100%滲透檢測，經檢測對接焊縫質量全部達Ⅰ級標準要求。

表10 換熱管與管板的焊接參數

4 結束語

在低溫高壓工況下，單股流纏繞管式換熱器的管板和換熱管最佳的連接方式——內孔對接接頭的優點總結如下：

a.對接接頭焊縫承受的拉脫力與角接焊縫相比更大，承受的壓力更高，使用的范圍更加廣闊；

b.對接接頭焊接處殘余應力小，不易產生應力腐蝕環境， 而且對接處不易產生焊縫根部裂紋，焊縫質量可檢測，焊縫出現不合格時，返修比較方便；

c.對接接頭完全消除了角接焊縫的根部縫隙，避免了縫隙腐蝕，提高了焊接接頭的抗腐蝕能力；

d.對接接頭的連接強度和抗疲勞強度都得到顯著提高，從而能夠承受設備在使用過程中出現更大的溫度和壓力波動，即使在高溫、振動等工況下，也能有效地避免在焊縫的根部產生疲勞裂紋，造成對接焊縫處泄漏；

e.對管板加工精度和裝配精度要求不是很高，設備的造價較低；

f.焊接時，不需要采用專用焊接設備，對自動化程度要求不高。

筆者提出的低溫高壓工況下單股流纏繞管式換熱器管板和換熱管最佳連接方式和焊接方式，為單股流、多股流纏繞管式換熱器在其他特殊工況下管板與換熱管的連接方式和焊接方式提供了制造經驗和工藝參考。