焊后混合脹工藝試驗及應用

王國棟 劉玉陽 呂 勇 宋 宇 高玉坤

（1.山東凱斯達機械制造有限公司 濟寧 272000）

（2.濟寧市機械設計研究院有限公司 濟寧 272000）

（3.濟寧市特種設備檢驗研究院 濟寧 272000）

在換熱器制造過程中，管板與換熱管的連接接頭常用的連接技術有焊接、脹接以及脹焊并用等方法，脹焊并用的方法能夠有效兼有脹接和焊接各自的優點，能避免間隙腐蝕和阻尼管束振動對焊口的損傷[1]。機械脹接具有接頭連接強度大、生產成本低等優點，但脹接力控制難度大，常因脹接扭矩大而擠壓管子管板焊縫影響焊縫質量。液壓脹接具有操作簡單、脹后變形均勻、殘余應力小等優點，薄壁管厚管板脹接時脹接過渡區的管子常出現內部缺陷[2]，管壁減薄量小，實現強度脹較為困難。倪鵬等[3]對液壓脹接保壓時間及拉脫力的關系進行了研究，王海峰等[4]研究先焊后脹連接中脹接對焊縫區應力的影響，王立輝等[5]對機械脹接工藝進行了改進，但是相關學得對于受高壓循環載荷要求高密封性的厚管板與換熱管的連接工藝研究較少。

1 工藝試件與加工

1.1 工藝試件設計與工藝路線

某高壓管殼式換熱器，殼程設計壓力為18.3 MPa，管板材料為SA516 GR.70，厚度為100 mm，換熱管材料為SA179，規格為φ15.875 mm×2.413 mm，換熱管材料硬度明顯低于管板的硬度，符合脹接的基本要求。該產品管板較厚、受循環載荷、有應力腐蝕傾向，對密封性能要求極高，其管子與管板連接方法成為難點。參考GB/T 151—2014《熱交換器》[6]、ASME Ⅷ-1卷UHX 篇[7]等相關標準規范及文獻，建造方與業主方、監理方經反復論證，決定對換熱管與管板連接采取一種全新的連接方式即強度焊接＋強度混合脹接，即焊接后先進行液壓脹再進行三滾柱機械脹，2 種脹接脹度大致相等。為此按照高壓換熱器的參數設計了該臺產品的工藝試驗樣機，根據SW6 軟件計算，樣機換熱管的軸向應力不小于高壓換熱器換熱管的軸向應力，如圖1所示。

圖1 工藝試驗樣機

具體工藝路線如圖2所示。焊接后進行滲透檢測、氣密性試驗以及混合脹后的氦檢漏試驗，檢驗靈敏度逐級提高。這些檢測與試驗能夠及時發現焊縫表面存在的開口缺陷和連接接頭的細微貫穿性缺陷，從而保證連接接頭的密封性能，降低質量風險與試驗成本。在試驗設計時，體現基于風險的思維，做到安全性與經濟性的統一[8]。

圖2 工藝路線圖

在混合脹工藝完成之后，先進行氦檢漏試驗，然后再進行殼程的耐壓試驗。考慮到氦檢漏靈敏度高，使用吸槍技術可以做到半定量，容易檢測到泄漏位置，找到薄弱位置，先檢測管板與管子的連接接頭的密封性，再檢驗其強度。

1.2 管板的加工

管板與管子焊接坡口為J 型坡口，既可使管板減少焊縫根部應力，又可實現全焊透[9]。強度脹、密封要求高時通常在管板上做開槽處理，通過液壓脹接在開槽邊緣形成高殘余接觸壓力的密封環帶，增強拉脫力，阻止殼程介質的泄漏。由于工藝中有選用柔性脹接，故工藝開槽寬度計算公式，見式（1）：

式中：

H——開槽寬度，mm；

d——換熱管外徑，mm；

δt——換熱管壁厚，mm。

將換熱管的規格參數帶入公式，得到計算結果為H=6.8 mm，圓整后一般取7～8 mm。

考慮到將開槽完全布置在脹接的有效長度內，加上管板前端不脹長度15 mm，所以管板前端與第一個槽邊緣的距離為25 mm，如圖3所示。

2 焊后混合脹工藝

2.1 組焊及檢驗

換熱管端150 mm 長度內，外表面除銹，露出金屬光澤，管內采用手電鉆帶動鋼絲刷清理掉毛刺及氧化皮，換熱管管口端除銹處理的長度比管板的厚度長50 mm。 焊接工藝參數見表1。焊后經過滲透檢測，未發現有相關顯示，經0.4 MPa 壓力的氣密性試驗，未發現泄漏現象。

表1 接頭焊接參數表

2.2 混合脹脹接

由于管板厚度原因，強度脹接的最小脹接長度應取管板名義厚度減去3 mm 的差值與50 mm 二得的較小值，超出這個最小長度的可采用貼脹，而該管板厚度為100 mm，所以應選用強度脹加貼脹或得全長強度脹模式，液壓脹脹度為3%～4%，機械脹脹度為3%～4%，脹度要求最終脹度為6%～8%。對于碳素鋼、低合金鋼來說，脹度達到5%以上稱為強度脹。見式（2）：

式中：

k——以管壁減薄率計算的脹度，%；

d2——換熱管脹后內徑，mm；

di——換熱管脹前內徑，mm；

b——換熱管與管板孔的徑向間隙(管孔直徑減換熱管的外徑)，mm；

δ——換熱管壁厚，mm。

根據脹接設備使用說明及操作經驗，預置一個脹接壓力/電流，測量脹接前后尺寸變化計算出實際脹度。對比實際脹度和要求脹度的差別，調節脹接壓力/電流再次脹接，直至達到要求的脹度。

最佳的脹管情形應該是既能達到需要的脹度，又不會跟鄰近接頭脹管的塑性區域發生干涉而使接頭松動，并且還有一定增壓余量供個別不合格接頭進行補脹。根據相關研究及工程實踐經驗，該材質的管板及管子最適宜的液壓脹接壓力為240～250 MPa，此時密封環帶殘余接觸壓力整體較高[10]。此時脹度經測量在3%～4%左右，大致達到最終脹度要求的一半，再采取全長機械脹完成最終脹度要求。即在全長液壓脹的基礎上，再采取全長機械脹，也就是混合脹模式。此模式的優點是不僅兼具脹焊并用的優點，還能兼具液壓脹和機械脹的優點。液壓脹具有柔性脹接方式的應力均勻、抗應力腐蝕強和易于脹入孔槽等特點，而機械脹能夠保證所要求的脹度和消除液壓脹殘余的軸向應力。脹接參數見表2，脹管器脹頭見圖4，脹后經目視檢測，凹槽脹痕清晰明顯。

表2 混合脹脹接參數

圖4 脹管器脹頭

需要注意的是脹接順序，在實際生產過程中，液壓脹時，管子應先在管板上半部分成排脹接，然后再從管板下半部分的對立排進行脹接。機械脹時，在隨機位置實施管子脹接，管子不得一排又一排地進行脹接。脹接順序為外—中—內時，殘余接觸面應力值最大，殘余等效應力最小，得到的脹接質量最好[11]。

3 工藝試驗驗證

3.1 氦檢漏試驗

對焊脹完工的管板與換熱管連接接頭進行了吸槍技術法氦泄漏檢測[12]，經過氦氣體濃度50%，試驗壓力為0.1 MPa 的氦檢漏試驗，檢測泄漏量為5.8×10-9～7.2×10-9Pa·m3/s，滿足泄漏量低于1×10-7Pa·m3/s 的工藝要求。

3.2 耐壓循環試驗

根據設計條件書，客戶提出的工藝試驗要求，對樣品殼程進行了10 次循環耐壓試驗，壓力峰值為23.8 MPa，在第10 次保壓30 min，無泄漏、無可見壓降、無異響和無可見變形。

3.3 破壞性試驗

對樣品剖切進行理化試驗，切割位置見圖5，換熱管內孔測量，液壓脹脹后脹度為2%～4%，機械脹后脹度為6%～8%，剖面見圖6。經撕裂試驗檢查，管孔干凈無雜物，管外壁及管孔無任何影響脹接性能的氧化皮。在脹槽邊緣可清晰地看到2 條密封線，見圖7。將試件剖切面使用10%的鉻酸水溶液進行浸蝕，焊縫腐蝕情況見圖8。目視檢測發現，管子管板焊縫區域未發現裂紋，焊縫根部未發現不連續，證明了管子管板焊縫的完整性。最后經拉脫力試驗，最小拉脫值為45 kN，滿足工藝要求。

圖5 樣品切割示意圖

圖6 剖切后脹管斷面

圖7 撕裂檢查

圖8 焊縫腐蝕圖

4 應用

焊后混合脹工藝脹接工藝試驗通過耐壓循環試驗、氦檢漏試驗以及拉脫力試驗等驗證合格，證明其可行性，可將其應用在某高壓管殼式換熱器建造過程中。換熱管與管板連接采用了焊后混合脹工藝，最終混合脹后達到脹度6%～8%。最終產品經氦檢漏檢測，管子與管板焊縫泄漏量在5×10-9～9×10-9Pa·m3/s，其密封性滿足換熱器的技術要求，殼程經23.8 MPa 的水壓試驗合格，其強度滿足設計要求。

5 結論

焊后混合脹工藝在工藝試驗中驗證了其可行性，在4 臺高壓管殼式換熱器生產中證實了其實用性，管子與管板焊縫泄漏量能控制在9×10-9Pa·m3/s 以內。高壓換熱器經過幾年的運行，管板與換熱管的連接接頭未發現泄漏情況，證明了該工藝的安全性及可靠性。其適用于設計壓力在10～35 MPa 的高壓換熱器，受高壓循環載荷、有應力腐蝕傾向、要求密封性極高的厚管板與換熱管的連接，雖然其密封性和強度滿足要求，高昂的成本限制該工藝的進一步推廣。如何降低焊后混合脹工藝的成本是亟待研究的又一課題。