換熱管與管板先脹后焊工藝焊接方案優(yōu)化

尹 琳，江見福

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

換熱器中換熱管與管板的焊接接頭，是最常見的泄漏點之一。換熱管與管板焊接接頭質(zhì)量直接影響到換熱器的使用性能及壽命，有時甚至涉及整個裝置的運行。因此，換熱管與管板焊接接頭是整個換熱器制造過程的關(guān)鍵工序。

換熱管與管板的連接方式可分為強度焊接、強度脹接和脹焊并用[1]。其中,脹焊并用的脹接、焊接次序分為先焊后脹和先脹后焊，目前先焊后脹的制造次序選用最為廣泛，但是對于先脹后焊焊接方法的介紹和討論較為少見，很多制造廠也缺少相關(guān)的制造經(jīng)驗。

本文將以某合成氨項目的變換氣鍋爐給水預(yù)熱器為例，對其換熱管與管板的連接方式的選用、制造過程中出現(xiàn)的問題及焊接方案改進優(yōu)化進行討論。

1 設(shè)備特點

變換氣鍋爐給水預(yù)熱器為合成氨裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，殼程介質(zhì)為來自變換工序的變換氣，利用變換氣多余的熱量對管程的鍋爐給水進行加熱，變換氣溫度由227.8℃降至約166.4℃，再進入后續(xù)的CO2脫除工序，殼程設(shè)計壓力4.28MPa，管程設(shè)計壓力17.2MPa，是一臺典型的高壓設(shè)備，設(shè)備結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)形式

2 換熱管與管板連接形式選擇及相關(guān)問題

殼程介質(zhì)包含24.03%的H2O和13.77% CO2，存在碳酸腐蝕[2]，管程介質(zhì)為鍋爐給水。殼程筒體材料為SA-516Gr.70+304L復(fù)合板，管程筒體材料為SA-516Gr.70，換熱管材料為SA-213 TP304L，為了避免殼程介質(zhì)對管板的腐蝕，管板需要使用不銹鋼，但是考慮到管程為高壓且設(shè)計溫度為275℃，若管板采用SA-965 F304L材料，那么不銹鋼管板與碳鋼管箱焊接為異種鋼焊接，在如此高溫高壓情況下，異種鋼焊接接頭存在開裂風(fēng)險，且管板厚度將達到500mm以上，經(jīng)濟性差，因此,管板選用SA-266+304L(雙面堆焊)(見圖2)。

圖2 換熱管與管板連接結(jié)構(gòu)

管板殼側(cè)堆焊304L+脹接可以防止殼側(cè)介質(zhì)進入管板管孔腐蝕管板基層，管側(cè)堆焊304L避免了碳鋼管板與不銹鋼換熱管的異種鋼焊接。為了檢驗殼側(cè)脹接質(zhì)量的可靠性，換熱管與管板的脹焊次序為：①對殼側(cè)50mm換熱管進行強度脹；②對殼側(cè)進行氨檢漏試驗并要求檢測合格；③繼續(xù)進行中間貼脹和管側(cè)強度脹；④進行換熱管與管板的焊接。

制造廠焊接采用氬弧氣體保護焊，分為如下兩步：①氬弧自熔打底焊(不填絲)；②填絲氬弧焊。

上述脹焊次序均順利完成，在換熱管與管板焊進行氬弧自熔打底焊時，總共2 592個管頭，其中約20個管頭出現(xiàn)氣孔并進行了補焊，最終PT合格，但是在后續(xù)進行填絲氬弧焊時，在焊接的695個管頭中，檢測出43個氣孔缺陷，缺陷檢出率達到6%以上，氣孔照片見圖3。對殼側(cè)進行氣密性試驗，檢測換熱管與管板焊縫，刷肥皂水時部分氣孔出現(xiàn)了氣泡(見圖4)，說明換熱管的焊接影響了強度脹接密封的可靠性。

圖3 管頭焊縫氣孔

圖4 管頭焊縫氣密試驗

對其中幾處氣孔進行打磨，發(fā)現(xiàn)氣孔為貫穿氣孔(見圖5)。

圖5 氣孔打磨照片

3 問題分析及焊接方案優(yōu)化

3.1 存在的問題

由于換熱管采用先脹后焊的形式，在換熱管與管板焊接時，換熱管與管板的間隙在殼側(cè)方向已經(jīng)封死，換熱管與管板的間隙中的空氣急速受熱，導(dǎo)致氣體溫度升高，體積急速膨脹，在換熱管與管板的焊縫將要封口的時候，膨脹的空氣產(chǎn)生氣爆沖破焊縫熔池形成氣孔。根據(jù)現(xiàn)場氣孔產(chǎn)生的位置分析,基本在焊縫收弧處正好滿足以上結(jié)論。

根據(jù)以上氣孔產(chǎn)生的原理，推測焊縫可能存在未表現(xiàn)出來的缺陷，即存在未貫穿焊縫表面的氣孔，因此,對換熱管與管板的焊接環(huán)境與過程進行了模擬，對模擬試件進行切割焊縫截面并檢測，發(fā)現(xiàn)焊縫存在以下幾種缺陷：①貫穿型氣孔；②未貫穿的表面氣孔；③位于熔池內(nèi)部未表現(xiàn)出來的氣孔。模擬試件氣孔照片見圖6。

圖6 模擬試件氣孔照片

3.2 優(yōu)化方案

鑒于以上情況及氣孔產(chǎn)生的原理，對焊接方案進行了如下的改進優(yōu)化。

(1)打底層填絲焊接：為了避免一次熱輸入量過大，導(dǎo)致氣體體積急速膨脹影響焊接質(zhì)量，焊接嚴格按照列與列、行與行分開跳焊的方式，每個管孔分5段焊接完成，且每個管孔預(yù)留3～5mm左右缺口不焊，便于氣體排出。

(2)蓋面層填絲焊接：蓋面層的焊接按照打底層的焊接方式，嚴格按照列與列、行與行分開跳焊，每個管孔分3段焊接完成，盡量減少接頭,且引弧點、收弧點與打底層錯開，打底層預(yù)留的缺口仍然不焊，便于氣體排出。

(3)蓋面層全部焊接完成后，缺口處的焊接也采用多層跳焊的方式進行封口焊接，分兩次填絲焊接完成。

為了驗證優(yōu)化焊接方案的可靠性，進行了如下模擬實驗。

實驗要求模擬缺陷產(chǎn)生及返修的全過程，模擬出換熱管焊縫氣孔，并按上述步驟對氣孔進行返修。圖7為模擬返修后換熱管焊縫剖面,圖8為返修后焊縫的RT檢測結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖7 模擬試件剖面

圖8 模擬焊縫RT檢測結(jié)果

以上結(jié)果說明優(yōu)化方案可行。在產(chǎn)品上對焊接缺陷進行整改的步驟如下。

(1)挖除所有焊肉，露出換熱管與管板之間的間隙，確定清除掉所有可能存在的缺陷。

(2)按前文提出的優(yōu)化方案進行管頭焊接。

(3)對管頭焊縫進行100%PT+氦檢漏，確定焊縫質(zhì)量的可靠性。

按照上述返修方案，對設(shè)備進行了管頭焊縫的返修，相關(guān)檢測合格，這也在產(chǎn)品上證明了優(yōu)化焊接方案的可行性。圖9為氦檢漏現(xiàn)場。

圖9 氦檢測焊縫可靠性

由于管頭焊接對脹接密封的可靠性有破壞，鑒于第一次強度脹后，氨檢漏合格，在管頭焊接合格后，對換熱管靠殼側(cè)50mm再次按照先前的脹接工藝進行了強度脹接，避免殼側(cè)介質(zhì)進入管孔內(nèi)部。

4 結(jié)語

換熱管與管板先脹后焊時，由于管孔縫隙間的空氣膨脹穿透焊縫熔池，焊縫容易出現(xiàn)氣孔缺陷，目前關(guān)于先脹后焊的焊接方案的介紹和討論還比較少見，大部分制造廠先脹后焊的焊接經(jīng)驗也不足。

但是換熱器在石油、化工等行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，由于介質(zhì)、結(jié)構(gòu)等原因，換熱管與管板的連接方式需要選擇強度焊+強度脹，且要求脹接的密封性，并進行先脹后焊。另外，在設(shè)備管頭焊縫返修過程中，也時常會遇到換熱管已經(jīng)脹接，對管頭焊縫進行返修的情況。

本文根據(jù)設(shè)備實例，針對先脹后焊過程中焊縫缺陷產(chǎn)生的原因進行了分析，將一般的焊接方案進行了優(yōu)化，通過模擬實驗和產(chǎn)品檢驗結(jié)果驗證了本文優(yōu)化焊接方案的可行性，為需要先脹后焊的換熱器制造提供借鑒參考。