銅制U形換熱器制造焊接技術(shù)分析

粟世富 惠銘鈺(無(wú)錫漢英機(jī)器制造有限公司，江蘇 無(wú)錫 214161)

0 引言

銅制的換熱器屬于現(xiàn)代化工行業(yè)與電力行業(yè)當(dāng)中應(yīng)用廣泛的一種熱傳導(dǎo)設(shè)備，不僅制作難度非常大，也難以對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行有效保證，實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中極易產(chǎn)生泄露問(wèn)題。因?yàn)殂~與不銹鋼二者的物理性能存在巨大差異，可焊接性也并不相同，傳統(tǒng)形式銅制換熱器的管板和銅管連接一般就是強(qiáng)度脹接，強(qiáng)度脹接方面的接頭密封性會(huì)被管板的孔徑以及溝槽的深度與寬度所直接影響，換熱管外徑在實(shí)際生產(chǎn)中通常會(huì)存在嚴(yán)重的偏差，換熱管和管板在脹接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生過(guò)脹與欠脹的問(wèn)題，致使設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中出現(xiàn)泄漏問(wèn)題。所以，一定要對(duì)制作工藝等進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。探究當(dāng)前某公司的銅換熱器制造生產(chǎn)過(guò)程，在反復(fù)試驗(yàn)以后，明確要使用的現(xiàn)代化制造工藝技術(shù)，即為強(qiáng)度焊與貼脹[1]。

1 設(shè)備概況

文中探究的銅制U型換熱器換熱管管束，遵照國(guó)家《熱交換器》當(dāng)中的相關(guān)規(guī)定而進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)當(dāng)中包含U形的銅換熱管、殼程、S30408管板以及管程，而管板和換熱管的連接結(jié)構(gòu)則如圖1所示。換熱管和管板的接頭形式焊接并不是遵照比例來(lái)操作的，主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 管板和換熱管的連接示意圖

表1 設(shè)備的技術(shù)參數(shù)

而銅制U型換熱器設(shè)備的課程關(guān)于管程主體材料則為表2所示。

表2 銅制U型換熱器設(shè)備的主體材料

2 制作過(guò)程

2.1 制定工藝制作的方案

強(qiáng)度脹通常都會(huì)對(duì)管板表面的硬度方面進(jìn)行嚴(yán)格要求，要求其硬度一定要高出換熱管的30HB，這樣才是強(qiáng)度脹的最佳狀態(tài)，可是管板材料一般都是S30408，鋼管材料則是TP1，S30408的硬度會(huì)超出TP1很多，對(duì)強(qiáng)度脹的合規(guī)情況進(jìn)行有效驗(yàn)證，實(shí)施受阻的試驗(yàn)操作。基于鋼管規(guī)格與管板的規(guī)格，使用S30408的管板，其厚度要求為45mm[2]。在機(jī)械脹處理之后，脹度方面管控在6%～8%之間，遵照管壁減薄率中的相關(guān)要求進(jìn)行計(jì)算，脹后的內(nèi)徑是17.06～17.11mm，同時(shí)屬于是過(guò)脹狀態(tài)。在對(duì)管板結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的時(shí)候，遵照依據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定對(duì)其實(shí)施1.5MPa的水壓實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)行加壓處理的時(shí)候已經(jīng)產(chǎn)生了泄漏問(wèn)題。初步判斷有可能是在實(shí)驗(yàn)制作的時(shí)候因?yàn)槠渌T多因素的影響，導(dǎo)致了這次實(shí)驗(yàn)操作的不成功。因?yàn)檫@樣的現(xiàn)象很有可能會(huì)在成品當(dāng)中產(chǎn)生，所以，為了確保產(chǎn)品的制造質(zhì)量，需要使用其他方式來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)制作。

基于其他單位當(dāng)中曾經(jīng)嘗試過(guò)的制造經(jīng)驗(yàn)，如果在脹管才做以前，將鋼管和管板之間的間隙當(dāng)中填塞進(jìn)金屬膠水，之后再實(shí)施強(qiáng)度脹操作。可是針對(duì)這樣的金屬材質(zhì)來(lái)講，澆水穩(wěn)定性方面并不具備試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效支撐，同時(shí)在如果澆水長(zhǎng)期處在高溫環(huán)境當(dāng)中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，其穩(wěn)定性方面也是非常值得進(jìn)行深入探究的。針對(duì)S30408材質(zhì)的管板和TP1鋼管實(shí)施焊接與貼脹，使用ERNiCu-7的氬弧焊焊絲實(shí)施焊接操作，在焊接的過(guò)程當(dāng)中，如果不進(jìn)行填絲操作，那么接頭位置就難以進(jìn)行熔合。而在填絲過(guò)程當(dāng)中，要求相關(guān)工作者一定要對(duì)點(diǎn)和角度與送死角度進(jìn)行充分而良好的掌握，只有這樣才能夠讓管板接頭實(shí)現(xiàn)完全的連接，然而這樣的操作難度是非常大的。在試驗(yàn)操作之后能夠發(fā)現(xiàn)，其依然存在1/4的接頭位置泄漏，缺陷同樣是裂紋，并且其并未完全融合。也就是說(shuō)，基于這樣的方式進(jìn)行焊接操作的話，不僅需要面對(duì)非常大的操作嫩度，同時(shí)其具有非常高的返修率。

對(duì)此，相關(guān)工作者及時(shí)進(jìn)行思維轉(zhuǎn)變，在S30408管板上放置一層鎳基焊材，并且實(shí)施堆焊操作，能夠發(fā)現(xiàn)銅和鎳合金之間的可焊接性能遠(yuǎn)超出了不銹鋼。實(shí)驗(yàn)所使用的方式，就是在S30408材質(zhì)管板上進(jìn)行放置一層Ni307B,其厚度大約為4～5mm，并且實(shí)施堆焊操作，完成操作之后其的有效厚度為3mm。而實(shí)驗(yàn)坡口的參照?qǐng)D如圖1所示，管板的厚度約為45mm，允許誤差值為+3mm。手工進(jìn)行GTAW形式的焊接與貼脹，水壓的試驗(yàn)數(shù)值為4MPa，而這個(gè)時(shí)候并未在接頭位置上發(fā)現(xiàn)存在泄漏情況，同時(shí)接頭位置的密封情況也滿足相關(guān)要求。并且為了對(duì)技術(shù)工藝的性能與韓頭型進(jìn)行有效驗(yàn)證，需要遵照國(guó)家相關(guān)規(guī)定對(duì)焊接技術(shù)工藝方面實(shí)施評(píng)定。S30408與Ni307B間的堆焊，其表面的滲透檢測(cè)表明合格，側(cè)彎?rùn)z測(cè)也并不存在裂紋，也就是說(shuō)其是合格的。換熱管的管板接頭位置遵照《承壓設(shè)備的焊接工藝評(píng)定》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行實(shí)際評(píng)定，焊接接頭的表面滲透檢測(cè)顯示其是合格的，8個(gè)面的宏觀金象測(cè)試檢驗(yàn)也表明其是合格的，角焊縫的厚度方面也滿足相關(guān)要求中的規(guī)定。

2.2 選擇合理有效的制造技術(shù)

相關(guān)工作者在實(shí)際工作當(dāng)中，一定要對(duì)前文所闡述的方案內(nèi)容進(jìn)行深入探析，也就是說(shuō)，有的制造技術(shù)在強(qiáng)度脹方面的要求非常嚴(yán)格，同時(shí)還一定要確保管板的管控、外徑以及換熱管的厚度等都處在非常嚴(yán)格有效的公差范圍之內(nèi)，這樣的情況控制起來(lái)非常困難。另外，還有的試驗(yàn)檢測(cè)方案當(dāng)中金屬膠方面的穩(wěn)定性欠缺試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐。有些方案內(nèi)容雖然是可行、可操作的，可是其卻有非常高的返修率。還有的方案內(nèi)容中基于對(duì)你惡鋼管和管板接頭焊接的方式而進(jìn)行，在接頭位置上具有良好的連接性，并且耐壓試驗(yàn)測(cè)試中也是合格的，所以，一般都會(huì)使用這樣的方案進(jìn)行實(shí)際制造，這種方案內(nèi)容不僅可行，同時(shí)其返修率也是非常低的。

2.3 產(chǎn)品的制造工藝

在產(chǎn)品的實(shí)際制造操作當(dāng)中，一定要兼顧整塊管板的堆焊操作中，其會(huì)產(chǎn)生變形問(wèn)題，也就是說(shuō)，管板毛坯的表面需要預(yù)留出高度大約在3～4mm之間的一個(gè)圓弧形凸出臺(tái)。完成了堆焊操作以后，管板整體會(huì)朝向凸出臺(tái)的位置而產(chǎn)生變形，管板的堆焊表面是水平的，其堆焊前與對(duì)憨厚的有效厚度是≥3mm的。同時(shí)，相關(guān)工作者在進(jìn)行堆焊的時(shí)候，一定要對(duì)焊接方向進(jìn)行嚴(yán)格管控，每圈焊道都是一個(gè)同心圓，同時(shí)堆焊操作的方向需要都是順時(shí)針?lè)较?。完成了堆焊操作之后，表面需要?shí)施100%的滲透，這樣其才是合格的成品。在管板表面與背面實(shí)施金加工以及鉆孔，對(duì)密封面進(jìn)行有效加工，滿足圖紙當(dāng)中的相關(guān)要求[3]。不銹鋼和鎳焊接容易產(chǎn)生熱裂紋，同時(shí)在對(duì)管板進(jìn)行堆焊的時(shí)候，外徑方向會(huì)逐漸產(chǎn)生變形加大，那么焊接應(yīng)力也會(huì)隨之加劇，并且產(chǎn)生了熱裂紋。所以，手工進(jìn)行Ni307B堆焊操作的時(shí)候，相關(guān)工作者一定要對(duì)道間溫度進(jìn)行嚴(yán)格管控，在對(duì)第一層、第二層進(jìn)行堆焊操作的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)其中存在裂紋，就一定要及時(shí)進(jìn)行打磨，將缺陷問(wèn)題去除之后進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)焊操作。在針對(duì)銅制U型換熱器管板接頭焊接操作的時(shí)候，盡量要使用手工鎢極氬弧焊，規(guī)避管板自動(dòng)焊方式的實(shí)際應(yīng)用。而手工鎢極氬弧焊的方式能夠?qū)﹄娀∵M(jìn)行靈活有效的調(diào)節(jié)，比如電弧高度、電弧方向以及電弧的送絲角度等等，讓其能夠?qū)崿F(xiàn)合理有效的融合。管板的自動(dòng)焊方式，如果間隙方面的裝配過(guò)大或者是過(guò)小，管口的斷面不夠平整等，都會(huì)導(dǎo)致其無(wú)法完全融合的狀況產(chǎn)生，也就是說(shuō)，在其完成操作之后需要及時(shí)針對(duì)管板的角焊縫實(shí)施100%PT，并且遵照國(guó)家在這一方面的相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行評(píng)定測(cè)試，當(dāng)其評(píng)定結(jié)果為合格的時(shí)候，才能夠?qū)嵤┵N脹操作與處理。

而銅制U型換熱器的殼程與管程方面，要求相關(guān)工作者遵照常規(guī)的壓力容器實(shí)施制造處理。在進(jìn)行S30408鎳基材料堆焊操作的時(shí)候，焊工操作者一定要依據(jù)國(guó)家在特種設(shè)備焊接操作者方面的考核細(xì)則內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)，并且獲得FeⅣ級(jí)別的鎳基焊條堆焊資格。而管板接頭的焊接焊工人員，一定要遵照要求獲得FeⅣ級(jí)別和銅、銅合金焊接方面的焊接資格認(rèn)證，也就是通常所講的填充焊絲種類是鎳合金材質(zhì)的焊絲。只有獲取了相關(guān)的資格認(rèn)證，其才能夠在銅制U形換熱器設(shè)施的制造焊接中進(jìn)行實(shí)際操作，這樣才能夠保證銅制U形換熱器制造焊接操作的質(zhì)量與成效，確保銅制U形換熱器在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中的安全性與穩(wěn)定性。

3 檢測(cè)和耐壓試驗(yàn)

依據(jù)圖紙當(dāng)中的相關(guān)要求，對(duì)銅制U形換熱器設(shè)備的殼程以及管程進(jìn)行實(shí)際裝配操作，針對(duì)銅制U形換熱器的管程與課程來(lái)講，分別實(shí)施1.25MPa，1.32MPa的耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，其都能滿足相關(guān)規(guī)定中的指標(biāo)，也就是說(shuō)二者都是合格的，銅制U形換熱器的制造焊接的滿足相關(guān)要求的。在這樣的情況之下，銅制U形換熱器的焊接制造才完成了操作，且能夠投入到實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中去，可以保證在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中的安全性與穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在完成銅制換熱器的成功制作以后，一般都使用的是強(qiáng)度焊與貼脹的技術(shù)工藝方式，強(qiáng)化提升了其可操作性與穩(wěn)定性，更能夠?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行有效保證。此外通知換熱器在使用了強(qiáng)度焊與貼脹工藝技術(shù)方式以后，銅管的塑性變形情況并不多，且也不會(huì)產(chǎn)生太多損壞，以免使用強(qiáng)度脹技術(shù)工藝的時(shí)候，銅管溝槽位置產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，并導(dǎo)致嚴(yán)重的拉裂現(xiàn)象。不銹鋼在進(jìn)行鎳基合金丟韓之后和銅本山的可焊接性得到有效改善，可是不休感與鎳基合金焊材進(jìn)行堆焊的時(shí)候，一定要對(duì)道間溫度進(jìn)行嚴(yán)格管控，通常情況下不能高出150℃。而銅管和鎳基管板的堆焊適合使用手工形式的鎢極氬弧焊方式，這樣能夠?qū)缚p質(zhì)量進(jìn)行有效保證。