低壓分解塔上管板換熱管角焊縫焊接優化方案

李立東

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

低壓分解塔是尿素生產低壓分解工序中的重要設備之一，其作用是將中壓工段輸送來的尿素溶液在其內部經過低壓蒸汽加熱，將尿素溶液中的甲銨分解為NH3和CO2，從而使尿素溶液進一步濃縮。

低壓分解塔可分為三部分：塔頂部為蒸餾段，塔中部為管殼式換熱器段，塔底部為填料分解段。尿素溶液經蒸餾段后進入換熱器段上管箱，通過上管板換熱管頂部的旋流器將其導入各自的換熱管中，并在換熱管內形成液膜，被殼程中的低壓蒸汽加熱到135～138℃后，尿素溶液中殘留的甲銨將會進一步分解成NH3和CO2。

1 上管板換熱管角焊縫焊接問題

由于尿素溶液需要通過換熱管頂部的旋流器導入換熱管中，因此設計時換熱管需要高出上管板表面20mm(見圖1)。換熱管規格為φ31.8mm×2.0mm，正三角形排列，換熱管中心距為42mm，名義孔橋寬度為9.7mm。換熱管管頭角焊縫焊接用的氬弧焊槍鎢極直徑為3mm，噴嘴直徑約為10mm，如果按照常規組裝順序，將所有的換熱管穿進管板并調整好外伸長度后，換熱管角焊縫采用常規的氬弧焊將無法進行焊接(見圖2)，需要增加焊槍鎢極長度才能滿足焊接操作條件。而選用手工鎢極氬弧焊進行角焊縫焊接，焊槍鎢極伸出長度為7～8mm較好[1]。增加鎢極長度會加大噴嘴與工件之間的距離，噴嘴與工件距離越大，氬氣對焊接區的保護效果就越差，而增大氬氣流量雖然能加強氬氣保護效果，但當氬氣流量太大時，也會產生紊流，焊接時空氣會被卷入，空氣中的氧和氮就會對焊縫的焊接質量產生較大的影響。

圖1 上管板換熱管與其頂部的旋流器

圖2 上管板換熱管模擬焊接示意

由于金屬在加熱到很高溫度時非常容易氧化，致使焊縫金屬及其合金元素迅速被氧化而形成氧化物，氧對焊接質量的主要影響有以下3點[1]：①使焊縫金屬及合金元素被燒損，造成焊縫的力學性能下降；②飛濺嚴重，容易形成氣孔和夾渣；③焊接某些合金時，在熔池表面生成的難熔氧化物將阻礙焊接冶金反應的正常進行和熔渣的浮出，造成焊接困難。

氮對焊縫金屬的主要影響有以下3點[1]：①對力學性能的影響，氮提高了焊縫金屬強度，但會降低其塑性和韌性；②容易形成氣孔；③引起焊縫時效脆化。

由于尿素溶液中的甲銨有較強的腐蝕性，甲銨對不銹鋼的腐蝕形態可分為晶界優先型均勻腐蝕、晶間腐蝕、選擇性腐蝕和刀口腐蝕[2]。因此，如果焊接過程中氬氣沒有對焊接區進行有效的保護，就會形成質量較差的焊縫。設備在運行過程中，換熱管與管板之間的角焊縫可能會因甲銨的腐蝕而發生泄漏，進而影響設備長期穩定地運行。因此，不能僅采用加長焊槍鎢極伸出長度的方式來完成上管板與換熱管管頭角焊縫的焊接，需要制定完善的焊接方案來保證上管板換熱管管頭角焊縫的焊接質量。

2 上管板換熱管管頭角焊縫的焊接方案

為了保證上管板換熱管管頭角焊縫的焊接質量，從焊接操作空間及氬氣保護效果兩個方向出發，制定完善的焊接方案。

(1)焊接前坡口清理。換熱管焊接前應采用丙酮對焊接坡口進行清潔處理，保證坡口的待焊表面沒有氧化膜、油污、水分等雜質，以免影響管頭角焊縫的焊接質量。

(2)調整上管板奇數列換熱管的外伸長度，使其高出管板25mm(留有5mm加工余量)，并保證下管板相對應列的換熱管外伸長度滿足圖紙設計要求(外伸5mm)，將上下管板相對應的奇數列換熱管點焊固定，再將上管板偶數列換熱管長度調整為不高于管板表面，這樣就可以保證上管板奇數列換熱管有足夠的焊接空間(見圖3)，不需要加長氬弧焊槍的鎢極長度就可以進行焊接操作。

圖3 上管板奇數排換熱管外伸長度調整

(3)嚴格按照焊接工藝規程對上管板奇數列換熱管管頭進行焊接(見圖4)。焊接時，順序應遵循由內向外輻射式焊接，還應間隔一個管口進行焊接，這樣可以有效控制管板的變形量。上管板奇數列換熱管焊接完成之后，按照同樣的焊接順序將下管板相對應的奇數列換熱管焊接完成。

(4)將上管板偶數列的換熱管，按照每間隔一根換熱管的方式將其外伸長度調整好，點焊固定，上管板偶數列的其余換熱管保持管端不高于管板表面。嚴格按照焊接工藝規程，將上下管板外伸長度調整好的偶數列換熱管完成焊接(見圖5)，焊接時設備進行了旋轉。

圖4 上管板奇數排換熱管焊接

圖5 上管板偶數列換熱管焊接

(5)將上管板偶數列剩余換熱管的外伸長度調整好并點焊固定，此時上管板所有換熱管的外伸長度均被調整為25mm，需要增加焊槍鎢極長度才能進行焊接操作。將下管板剩余換熱管全部焊接完成，并用密封塞進行密封，之后在上管板端加裝氣體保護罩。將筒體內充入氬氣，待設備內空氣被置換完成之后，增加氬弧焊槍的鎢極長度，使其滿足焊接操作條件，開始焊接上管板剩余換熱管管頭角焊縫，由于焊接全過程均在氬氣保護的環境下進行，因此能夠保證換熱管與管板之間角焊縫的焊接質量滿足設計要求(見圖6)。

(6)換熱管全部焊接完成且無損檢測合格后，用鏜床鏜掉上管板換熱管的加工裕量，保證上管板換熱管端部平齊。

圖6 上管板偶數列剩余換熱管的焊接

3 結語

由于低壓分解塔上管板換熱管外伸長度過長，孔橋寬度小，按照常規換熱器組裝的順序，將所有換熱管穿進上管板并調整好外伸長度后，換熱管與管板間的角焊縫采用常規的氬弧焊將無法進行焊接。本文采用換熱管錯排焊接的方式，保證上管板絕大部分換熱管有足夠的焊接空間，可以采用常規氬弧焊進行焊接。剩余少量換熱管通過采用加長焊槍鎢極長度和上管板端部使用氣體保護罩相結合的方式，有效地解決了上管板換熱管無法用常規氬弧焊焊接的問題，并且保證了換熱管的焊接質量。