310S全焊式板壳型换热器的制造①

许矛良 包含斌 高 源 魏晓斌

(1.兰州节能环保工程有限责任公司；2.甘肃省靖远师范学校)

310S全焊式板壳型换热器的制造①

许矛良1包含斌1高 源2魏晓斌1

(1.兰州节能环保工程有限责任公司；2.甘肃省靖远师范学校)

简述了310S材料全焊式板壳型换热器的制造工艺、换热元件等主要零部件装配焊接工艺和质量控制方法。

换热器 310S 焊接 质量控制

1 结构参数

固定管板结构换热器如图1所示，为了提高换热效率，每个板管采用激光焊接及液压成形技术呈如图2形状，管板采用堆焊不锈钢的复合材料结构。

图1 固定管板结构换热器

图2 板管结构示意图

换热器主要工艺参数为(壳程/板程)：

设计温度 80/100℃

设计压力 0.10/0.35MPa

水压试验 0.24/0.50MPa

介质 蒸汽/硫化钠溶液

主要材料的化学成分见表1。

采用UIF代替线性信息滤波器,UIF在扩展信息滤波体系结构中，嵌入了一种源于Sigma点滤波器的无迹变换方法,其非线性离散时间状态空间模型定义如下:

表1 换热器主要材料的化学成分 %

由表1可知310S中Cr、Ni含量较高，有良好的蠕变强度、抗氧化性、耐腐蚀性、耐酸碱性和非常好的耐高温性。但由于Ni含量高，其焊缝组织为纯奥氏体，与18-8系列不锈钢相比更易产生焊接热裂纹，因此，如何克服焊接热裂纹是焊接310S时的首要难题。

310S的比电阻是碳素钢的5倍，热导率为碳素钢的1/3，平均线胀系数比碳素钢大50%以上。由于奥氏体不锈钢的热导率小、线胀系数大，在焊接局部加热和冷却的条件下，焊缝金属结晶期间存在较大拉应力。由于奥氏体钢易形成方向性强的柱状晶焊缝组织，有害杂质易偏析而形成低熔点共晶夹杂，容易产生热裂。Si在镍含量较高的钢中很容易偏析，镍含量越高，Si越容易造成焊缝热裂倾向[1]。

2 主要零部件的制造

2.1 管板

设计管板基材为16MnII锻件，为保证抗腐蚀性能，采用堆焊不锈钢的复合管板，堆焊成分为A402焊条，设计厚度为5mm。堆焊之前，先将待堆焊表面清理干净，经加工后露出金属光泽，按NB/T 47013-2015进行MT检测，I级合格，然后将两管板背向固定，防止堆焊时发生焊接变形。

用A402焊条进行堆焊，堆焊时两块管板逐层调转进行焊接。表面采用直道堆焊，从中间向两面排道，最后环向修理补齐。整个堆焊面应均匀平整，堆焊总厚度不小于8mm(图3)，最厚与最薄之处差不大于1mm。采用UT+PT检查堆焊面的贴合和堆焊层的表面情况，以保证熔合质量和堆焊管板的致密性。堆焊之后需进行消除应力的退火热处理，热处理工艺如图4所示。

图3 堆焊层结构示意图

图4 热处理工艺过程示意图

管板是换热器的主要受压元件，其制造精度对换热元件与管板连接接头的焊接质量有很大的影响。将堆焊面加工见金属光泽后，以它为基准加工管板，可使得堆焊层切削加工量最少。管板面由数控线切割进行加工，不仅保证了部件的几何尺寸，而且能保证焊接部位的表面光洁度。

2.2 换热板束的制造

换热板束采用国外进口的310S材料，尺寸按照设计要求定长、定宽、定厚采购，避免了裁剪。换热板束是整个换热器的核心元件，换热元件是由两张相同规格的薄板经过封边焊接和定距离的圆形焊点焊接，然后在压力机上使用专用模具进行水压鼓胀，形成如图2所示有一定容积的空腔及内外凹凸状的流线形表面，从而适当降低介质流过元件表面的速度同时增加了换热面积，使换热更充分。

采用国内先进的激光焊进行焊接，参照SAME IX进行激光焊工艺评定，制定了相应的焊接参数，焊接功率为3.5kW，焊接速度为2.0m/min，焦点位置(调整值)107mm，保护气体流量：氩气4L/min、氮气8L/min(内圈)、氩气12L/min(外圈)、氩气15L/min(背面)。由于奥氏体不锈钢具有很高的能量吸收率，提高了激光焊接的效率，大幅减轻了不锈钢焊接时的过热现象和由于线胀系数大引起的较大焊接变形，达到了精密焊接成形的水平。激光焊接时固溶在金属基体中的S、P等杂质随温度的上升而从熔池中逸出，减少了焊缝中的有害元素和杂质，提高了焊缝的韧性。

换热元件成形后，四周封边的焊缝和圆形焊点经100%PT检测，I级合格。换热元件经0.5MPa水压试验合格。

2.3 上、下平盖

管箱采用平盖结构，上、下平盖在采用Q345R的基础上贴焊310S作为耐蚀层及密封面。密封面由局部加工而成，以达到节约材料的目的。为了检查贴焊面的表面情况，采用渗透检测和气密性试验，以保证焊缝质量。

2.4 装配焊接

制造过程要求换热元件与管板孔壁之间不得有杂物，否则难以保证焊接的致密性和焊接强度。首先将试压完毕的单片换热元件的两端按图纸要求用数控线切割机切开，然后用布砂轮将其两端进行打磨抛光，直至露出金属光泽。管板与换热原件装配的部位先用丙酮将管板擦拭干净，再用白布进行擦拭，直到无污物为止。用专用的工具撑开换热元件的端部开口到设计尺寸，然后将换热元件插入管板中，调整换热元件，保证管板内部槽与换热元件严密贴合，并且每片换热原件与管板的另一端平齐后，采用氩弧焊将换热元件与管板点固、焊接。

换热元件与管板采用钨极气体保护焊焊接，焊丝选用ER310(化学成分见表2)，规格φ2mm，焊接电流130～150A，焊接电压12～14V，直流正接，焊接速度15～16cm/min。GTAW焊接质量稳定，焊缝成形美观，无飞溅、无夹渣。焊接时采用分区施焊以减小管板的焊接变形，焊接收弧时填满弧坑，避免弧坑裂纹的出现。

表2 ER310焊丝化学成分 %

2.5 管箱制造

管箱(图5)由高颈法兰(16MnII)、高颈衬里、筒节和衬环组成。高颈法兰密封面是在16MnII的基础上贴焊310S材料，高颈法兰内部采用310S衬里，降低成本的同时不影响耐腐蚀性。由于管箱的制造需要多次加工，为了保证各条焊缝的质量，在加工之前进行100%的渗透检测，在加工之后进行100%的渗透检测和气密性试验，来检测由于机械加工后各焊缝的整体质量和焊后的贴合程度。

图5 管箱结构示意图

2.6 壳体、管箱与管板的组焊

板束和管箱的组装以管板作为基础，利用管板的特有结构直接与板束和管箱进行组装(结构紧凑，占用空间小)。为了使各条焊缝充分焊透，采用氩弧焊打底单面焊双面成形、手工焊盖面的焊接方法，并用100%UT+PT的方法进行检测，I级合格。

3 结束语

管板与换热元件焊接完毕后，管接头进行100%的PT检查，符合NB/T 47013-2005，I级合格。最后将上下平盖、板束、管箱组装后进行板程0.35MPa和壳程0.24MPa的水压试验，检查无渗漏，试压一次合格。

310S材料换热器的制造不仅满足硫化碱的工艺和介质对腐蚀的要求，大大提高设备使用寿命，并为硫化碱工艺使用310S材料制造耐腐蚀设备提供了经验。

[1] 刘政军，徐德昆. 不锈钢焊接及质量控制[M].北京：化学工业出版社，2008.

许矛良(1973-)，工程师，从事压力容器制造及质量检测工作，13893285378@163.com。

TQ051.5

B

0254-6094(2017)01-0104-04

2016-04-25，

2016-06-02)