管板與換熱管內孔對接焊在轉化氣蒸汽發生器上的應用

陶彥文，朵元才，杜金濤，劉建平，牛步娟，張建曉

(1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，蘭州 730087；

0 引言

換熱器在石油化工、醫藥、核電、軍工等工業生產中有著廣泛的應用[1-3]，其結構類型也多種多樣，其中管殼式換熱器是普遍用到的一種換熱器[4]。其失效主要發生在換熱管與管板接頭的部位，所以接頭是管殼式換熱器設計與制造最關鍵的點之一[5]。目前，換熱管與管板的焊接接頭大都采用了換熱管伸出管板、縮入管板或與管板平齊的角接形式[6]。以上這幾種端部焊接的形式換熱管都是伸入管板里面的，雖然進行了脹接，但管板與換熱管之間還是存在間隙，一方面脹接是在外力的作用下換熱管發生塑性變形的過程，在此過程中也存在彈性變形，脹接緊的換熱管與管板會有一定量的回彈；另一方面，設備在高溫高壓的環境運行過程中存在震動，使脹緊的換熱管與管板松動，從而產生間隙。殼程中的介質在這個間隙位置存在濃度差，會形成微電池，從而引起間隙腐蝕。再者，殼程介質中的Cl-在這個間隙中積聚，而且貼脹后存在應力，在應力的作用下加快了換熱管與管板接頭的腐蝕。正是因為這樣的設計結構，換熱器頻頻發生泄漏事故，而內孔對接形式的焊接接頭具有很多優于端部焊加脹接的優點，已經逐步開始應用[7-9]。

1 產品概況

某重質原油改制項目的轉化氣蒸汽發生器，管板材料為15CrMoⅣ，換熱管材料為15CrMo，采用兩種不同規格的直管，管板中心部位分布有19根?70 mm×5 mm的換熱管，周圈分布有199根?33.4 mm×3.4 mm的換熱管，管程進口端工作溫度850 ℃，設計壓力3.3 MPa，介質為高溫高壓、易爆的轉化氣。因此，設計要求管程進口端管板與換熱管的焊接接頭采用內孔對接全焊透的結構，并且焊縫需要逐根進行100%RT檢測及水壓試驗。圖1示出換熱管在管板上的結構分布，圖2示出不同規格換熱管與管板的裝配焊接節點。

圖1 換熱管在管板上的結構分布示意

(a)?70 mm×5 mm換熱管

2 試驗過程及結果

2.1 焊接設備

目前，換熱管與管板絕大多數連接方式為端部焊加脹接的形式，國內對于內孔對接焊專用焊機的研發、制造處于摸索階段，為此與國內某公司合作開發內孔對接焊專用焊機。該焊機由操作機架、數控氬弧焊機、控制系統和內孔焊專用焊接機頭等組成，數控氬弧焊機能夠輸出焊接所需的脈沖電流，并能精確控制電流的大小以及輸出時間，焊接過程非常穩定，配用內孔焊專用機頭完成對換熱管與管板內孔對接的自動焊接。焊接機頭由2個獨立的機頭組成，?33.4 mm×3.4 mm的換熱管與管板由自熔焊機頭一次性完成單面焊雙面成型焊接；?70 mm×5 mm的換熱管與管板首先由自熔焊機頭一次完成單面焊雙面成型，再由填絲焊機頭完成填絲蓋面?？梢愿鶕Q熱管內徑的大小更換相應的機頭來實現各種尺寸的焊接。

2.2 試件加工

對于?70 mm×5 mm的換熱管，由于其壁較厚，不開制坡口很難焊透，故開制坡口的角度α和鈍邊尺寸L的大小是影響一次性焊透的重要因素。坡口角度α選擇30°，45°兩種，鈍邊L選擇1.5,1.8,2 mm三種尺寸，加工成6種規格的試件分別進行試驗，通過試驗結果來得到最佳的焊接參數、坡口角度以及鈍邊尺寸，如圖3(a)所示。對于?33.4 mm×3.4 mm的換熱管，由于其內徑小，很難在狹小的空間內完成填絲焊，所以不開制坡口，采用自熔焊接單面焊雙面成型，如圖3(b)所示。

(a)?70 mm×5 mm換熱管

該產品的管板是由鍛件整體加工而成的，而試驗用管板是由2塊厚度δ=30 mm、材料為15CrMoR的板與兩種規格的換熱管共同組成。一塊管板上鉆有?34 mm的孔，將長度為45 mm的?33.4 mm×3.4 mm的換熱管穿入管板內，一端與管板一側平齊，用手工鎢極氬弧焊點焊，裝配成與產品管板結構形式一樣的試驗管板;另外一塊管板上鉆有?70.60 mm的孔，將長度為45 mm的?70 mm×5 mm的換熱管按上述方法裝配成另一塊試驗管板。這樣既可以保證與圖紙要求相同，又方便試件的理化性能檢測。

2.3 試驗過程及結果

2.3.1 焊槍定位

為了保證在盲焊時鎢極尖端正好處于待焊處，在焊槍上裝了定位環，焊接?70 mm×5 mm與?33.4 mm×3.4 mm的換熱管時,分別采用與各自尺寸相匹配的定位環，如圖4所示。定位環前端突起部分的外徑正好等于管孔的內徑，將定位環前端插入管孔內與管板面貼合，管板貼合面到鎢極的距離正好是焊縫中心距管板面的距離。施焊時，槍頭必須與管板端面垂直，保證焊槍沿圓周方向轉動過程中離焊縫表面的距離是一致的。

圖4 內孔焊示意

2.3.2 背面保護

為了保證背面焊縫質量，在焊接時焊縫背面應采用氬氣保護。為此制作兩種規格且操作簡便、適用性強的氬氣保護工裝，焊接時只需要將保護氣軟管接在通氣嘴上，然后用一個夾子將兩個瓣片保護罩夾在待焊區，再通入氬氣就可以進行背面的保護。

2.3.3 試件焊接過程

施焊時，槍頭必須與管板端面垂直，保證焊槍沿圓周方向轉動過程中離待焊處的距離是一致的，通過定位環來確定機頭伸入管板的深度，調節定位環的位置使它離鎢極尖的距離正好等于管板的厚度，這樣機頭伸入管孔里面后，定位環正好緊貼在管板上，此時鎢極的位置正好處在待焊位置的正上方，用調節螺絲調節鎢極離施焊位置的距離至施焊狀態，空轉一周，調試確保定位環與管板垂直且可以自由轉動。在-300°左右方向起弧，這個位置方便焊工觀察背面的焊縫熔透情況，然后進行自動焊接，焊接完成抽出機頭，再進行下一根的焊接。

對?70 mm×5 mm的換熱管，通過兩種不同坡口角度以及三種不同鈍邊尺寸的6種規格的試件進行大量的焊接試驗，最終確定換熱管開制坡口角度α=45°，鈍邊L=1.5～1.8 mm是最合理的，不僅可以焊透，而且焊縫成型美觀，也不影響后續的填絲蓋面焊。

對?33.4 mm×3.4 mm的換熱管，通過采用不同的參數進行大量的焊接試驗，最終確定了一個合理的焊接參數，焊接完成的試件背面完全焊透，而且焊縫成型美觀。

2.3.4 焊接工藝參數

由于管板與換熱管內孔對接焊既是盲焊，又是全位置焊，焊接電流的大小及起弧初始角度直接影響焊縫的成型及焊透。焊接電流過大，可能在-240°～-300°的方位上會焊穿，在60°～120°的方位上會焊塌陷，起弧的角度設置在-300°左右的方向是最合理的，通過重疊時間及?；∠陆禃r間后，息弧位置在-240°左右的方位上，這樣就避免了由于重疊過熱而使焊縫塌陷。根據試驗所得結果確定的焊接工藝參數如表1所示。

表1 焊接工藝參數

2.3.5 理化檢測

將焊接完成的兩種規格的試件按標準NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》進行100%RT檢測，檢測結果合格。再進行理化性能檢測，其化學成分見表2，物理性能檢測結果見表3，檢測結果均滿足相關標準要求。

表2 兩種規格試件的化學成分 %

表3 焊接接頭力學性能檢測結果

3 生產應用

采用試驗所得的焊接工藝參數及坡口形式，對轉化氣蒸汽發生器上199根?33.4 mm×3.4 mm的換熱管和19根?70 mm×5 mm的換熱管與管板進行了焊接，裝配及焊接過程中有以下質量控制點。

(1)管板加工(如圖5所示)應符合圖紙要求，管板上銑出的凸臺的內外徑應與換熱管的內外徑保持一致且保證同心，坡口形式也應保持一致，焊接裝配前管板內側與換熱管連接的部位應采用有機溶劑去除加工油污。

圖5 管板數控加工

(2)對?33.4 mm×3.4 mm的換熱管，按圖紙要求，用平管機對其管口端部進行加工平齊(如圖6所示)，管口內外表面至少20 mm長的區域拋光打磨出金屬光澤。

圖6 換熱管端部加工平齊

(3)對?70 mm×5 mm的換熱管，加工時必須保證坡口形式及鈍邊要求，加工完成的坡口應與管板上相對應的坡口保持一致，管口內外表面至少20 mm長的區域拋光打磨出金屬光澤。

(4)為了保證焊接過程可以一次性熔透，而不產生任何缺陷，對換熱管與管板的對接位置加工及裝配精度要求非常高，應保證管孔與對應的換熱管的同心度，且應保證換熱管與管板焊接部位的組對間隙≤0.2 mm，錯邊量≤0.1 mm。裝配過程中采用手工鎢極氬弧焊在外側進行點焊固定(如圖7所示)，相隔120°點焊1點，共點焊3點，點焊過程中不需要填絲，自熔點焊即可，盡可能保證焊點足夠小，不影響后續的焊接。

圖7 換熱管與管板裝配點焊

(5)采用對稱的方法焊接(如圖8所示)，首先焊接完成管板中心軸上的一排換熱管；然后進行表面檢測及射線檢測；檢測合格后再逐根進行水壓試驗；水壓試驗合格后，以中心軸上的一排為對稱軸，一次上下焊接兩排，焊接完成后進行無損檢測以及水壓試驗，以此類推。

圖8 對稱上下分別焊接

(6)如RT檢測不合格，當缺陷產生在換熱管上部240°左右可見的范圍內時，盡可能在外表面采用手工鎢極氬弧焊進行修補，修補完按標準NB/T 47013.2—2015進行100%RT檢測合格。當缺陷產生在換熱管下部120°左右不可見范圍內時，采用專用鏜刀在鏜床上將焊縫割除，管板的端口用專用鏜刀進行平齊，換熱管端口用平管機加工平齊，將加工完的端口按NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》進行100%PT檢測，合格后再按裝配要求進行組對，并進行再次焊接。

4 結語

換熱管與管板采用傳統的端部焊加脹接的接頭連接形式已經很難滿足換熱器在高溫高壓腐蝕介質中安全運行[10-11]，內孔對接焊作為一種最佳的連接方式已經在廢熱鍋爐、轉化氣蒸汽發生器、余熱鍋爐等石油化工行業重要設備上得到應用。但由于換熱管與管板的這種特殊的連接方式，給加工、裝配、焊接等環節都帶來了很大的困難[12-13]。相信隨著整個行業的不斷發展，換熱管與管板內孔焊接所配套的焊接設備、加工設備等都會趨于自動化、智能化，會極大地避免制造中的人為干擾因素，從而使得換熱管與管板的內孔焊接技術應用更加廣泛，操作更加簡便[14]。