空冷器换热管与管板焊接工艺的研究

梁艳

摘 要：本文通过对换热管与管板焊接方法、形式、特殊材料焊接以及胀焊方法进行阐述、分析，研究在空冷器制造中管端焊接的重点、难点问题，保证换热管与管板连接可靠性。

关键词：管端；焊接；深孔焊；胀接

中图分类号：TG44 文献标志码：A

0 概述

空冷器广泛应用于炼油、化工行业中，并且经常用于高温、高压、高腐蚀环境中，因此对整体质量提出更加严苛的考验，而在整个空冷器制造中，换热管与管板焊接为其中最为重要环节之一，因此如何提高管端连接可靠性成为目前行业中首要的研究课题。

1 管与管板焊接方法

1.1 焊条电弧焊

焊条电弧焊是一种无机械辅助、纯手工操作的焊接方式，通过焊条与焊件之间建立起来的稳定燃烧的电弧，高温熔化焊条和焊件，焊条药皮不断熔化分解，焊条在电弧热作用下不断熔化，进入熔池，成为焊缝的填充金属。

1.2 钨极氩弧焊

钨极氩弧焊又称为TIG焊，利用钨极与焊件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝（也可不填充焊丝），在电弧周围使用惰性气体保护隔绝空气以及临近热影响区，以形成纯净的焊接接头。其优点为：熔池深而窄、焊件的收缩应力和变形较小、钨极寿命长、电弧燃烧稳定。但是在换热管与管板钨极氩弧焊焊接时，要求电极应满足3个条件：

①耐高温，焊接过程中不易损耗。

②电子发射能力强，利于引弧及穩弧，电极材料的逸出功直接影响电子发射能力，若要使发射电子的能力增强，需使用逸出功低的材料，引弧及稳弧性能均好。

③电流容量大。电极的许用电流要大一些，电极的许用电流与电极材料、电流的种类和极性以及电极伸出长度有关。

2 管与管板焊接形式

图1（a）为换热管与管板焊缝连接，管端伸出管板正面一定长度，形成角焊的接头结构。这是目前在空冷器制造中最为普遍的焊接形式，通过改变坡口深度与焊接角度，可有效控制管端形成不同熔透深度， 可使金属随着母材的焊接熔深程度进行调整，并且适用多种焊接方法，利用此种结构形式焊接可采用单道焊或多道焊，手工焊或自动焊均可，且由于属于管端外部焊接，实际操作容易掌控。

图1（b）为换热管管端下沉焊缝连接结构，与管端伸出管板焊接结构相比， 焊接过程中熔池形态可通过对焊枪角度的调整消除管端未融合等缺陷。用钨极氩弧焊焊接时， 气体保护效果好， 受外部影响较少，管板材料在高温熔化过程中渗入焊缝的金属量相对较少， 因此填丝焊的焊缝熔合比相对较小， 且在管端可形成圆滑过渡结构，降低冲刷腐蚀，但此种方法由于在管孔内部进行焊接，受空间限制较大，对焊工技能水平要求较高，在实际空冷器制造中一般用于薄壁管焊接。

3 换热管管与管板异种钢焊接

在空冷器焊接制造过程中，通常有复合管板与换热管焊接、换热管采用内衬结构形式、换热管与管板不同钢种焊接形式等，即异种钢焊接，在焊接过程中一般会产生以下几个问题：

①异种钢焊接接头的稀释问题。

②靠近焊缝熔合线的金属凝固过渡层的形成问题，由于熔池凝固特性且其成分存在浓度梯度，形成的过渡变化区域。

③异种钢焊接时中间的碳迁移过渡层形成问题，是由碳从低合金钢一侧的通过焊缝向高合金焊缝中迁移扩散的现象，分别在焊缝边界两侧形成脱碳层和增碳层。

④异种钢焊接过程中，由于两种钢的线膨胀系数相差较大，不仅会产生较大的残余应力，而且在使用中若有循环温度作用，也会形成热应力，影响管端焊缝性能。

因此对于异种钢的焊接通常采用单材焊接和多材焊接法。其中多材焊接法的原理就是防止形成凝固过渡层与降低两种钢的线膨胀系数差值，通过分层焊接，每层焊接材料均不同，第1层为过渡层起到冶金连接和隔离作用，第2层起到增强焊缝连接强度和保证密封作用。而直接施焊法就是选择合适的焊接材料直接进行焊接，但此种方法容易产生裂纹，实际焊接质量很难控制，因此应用较少。

4 胀接对管端焊接的影响

由于换热管与管板连接处是整个空冷器最薄弱的位置，泄漏率较大，其可靠性受到严峻考验，因此在行业标准中通常采用焊胀并用方式，焊胀并用方式在标准中有两种形式：强度焊加贴胀、密封焊加强度胀。密封焊是以防止泄露为目的的焊接方式，管端连接强度无法保证，而强度焊既可以保证焊缝的严密性，又能够抵抗翅片管受热变形所受到的拉脱力。然而在实际生产制造中为保证管端连接的密封性能与连接强度，往往采用强度焊加强度胀接方法，此方法虽然可显著提高管端连接可靠性，但是对于胀接控制难度较大，需保证以下几点：①管端不胀区域，即管端焊缝到胀接边缘长度需不小于15mm。②换热管胀管率控制，为防止换热管在胀接后减薄率变大，一般胀管率可控制在5%～10%。③换热管伸缩长度控制，由换热管在胀接后会沿纵向产生伸长或收缩（碳钢、不锈钢换热管会产生延伸，铝管、铜管一般会产生收缩），使管端焊缝受到一定应力，使得管端焊缝受到影响，因此通过合理控制换热管胀管率，消除管与管孔间隙，对管端焊缝起到保护辅助作用才是最优选择。

5 换热管与管板焊接质量检验

换热管与管板焊接质量检验方法通常有：①表面PT检测，由于空冷器大多采用丝堵管箱结构，每个管端对应一个丝堵检修孔，因此可通过检修孔对管端焊缝喷涂渗透剂、清洗剂、显像剂，但由于清理较为困难，一般仅用于局部区域检测。②气密性检查，是一种成本低、操作快捷、检测精度高的一种无损检测方式，一般压力可控制在0.17MPa左右，便可对焊接质量进行直观检测，其通常采用水下气密与肥皂泡法。

结语

通过对换热管与管板焊接工艺的不断研究、发展，管端焊接可靠性有着质的飞跃，但仍然面临严峻的考验，因此只有通过不断的探索创新、课题攻关，才能使国产空冷器立足于国际市场。

参考文献

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