管板与换热管内孔对接焊在转化气蒸汽发生器上的应用

陶彦文，朵元才，杜金涛，刘建平，牛步娟，张建晓

(1.兰州兰石重型装备股份有限公司，兰州 730087；

0 引言

换热器在石油化工、医药、核电、军工等工业生产中有着广泛的应用[1-3]，其结构类型也多种多样，其中管壳式换热器是普遍用到的一种换热器[4]。其失效主要发生在换热管与管板接头的部位，所以接头是管壳式换热器设计与制造最关键的点之一[5]。目前，换热管与管板的焊接接头大都采用了换热管伸出管板、缩入管板或与管板平齐的角接形式[6]。以上这几种端部焊接的形式换热管都是伸入管板里面的，虽然进行了胀接，但管板与换热管之间还是存在间隙，一方面胀接是在外力的作用下换热管发生塑性变形的过程，在此过程中也存在弹性变形，胀接紧的换热管与管板会有一定量的回弹；另一方面，设备在高温高压的环境运行过程中存在震动，使胀紧的换热管与管板松动，从而产生间隙。壳程中的介质在这个间隙位置存在浓度差，会形成微电池，从而引起间隙腐蚀。再者，壳程介质中的Cl-在这个间隙中积聚，而且贴胀后存在应力，在应力的作用下加快了换热管与管板接头的腐蚀。正是因为这样的设计结构，换热器频频发生泄漏事故，而内孔对接形式的焊接接头具有很多优于端部焊加胀接的优点，已经逐步开始应用[7-9]。

1 产品概况

某重质原油改制项目的转化气蒸汽发生器，管板材料为15CrMoⅣ，换热管材料为15CrMo，采用两种不同规格的直管，管板中心部位分布有19根∅70 mm×5 mm的换热管，周圈分布有199根∅33.4 mm×3.4 mm的换热管，管程进口端工作温度850 ℃，设计压力3.3 MPa，介质为高温高压、易爆的转化气。因此，设计要求管程进口端管板与换热管的焊接接头采用内孔对接全焊透的结构，并且焊缝需要逐根进行100%RT检测及水压试验。图1示出换热管在管板上的结构分布，图2示出不同规格换热管与管板的装配焊接节点。

图1 换热管在管板上的结构分布示意

(a)∅70 mm×5 mm换热管

2 试验过程及结果

2.1 焊接设备

目前，换热管与管板绝大多数连接方式为端部焊加胀接的形式，国内对于内孔对接焊专用焊机的研发、制造处于摸索阶段，为此与国内某公司合作开发内孔对接焊专用焊机。该焊机由操作机架、数控氩弧焊机、控制系统和内孔焊专用焊接机头等组成，数控氩弧焊机能够输出焊接所需的脉冲电流，并能精确控制电流的大小以及输出时间，焊接过程非常稳定，配用内孔焊专用机头完成对换热管与管板内孔对接的自动焊接。焊接机头由2个独立的机头组成，∅33.4 mm×3.4 mm的换热管与管板由自熔焊机头一次性完成单面焊双面成型焊接；∅70 mm×5 mm的换热管与管板首先由自熔焊机头一次完成单面焊双面成型，再由填丝焊机头完成填丝盖面。可以根据换热管内径的大小更换相应的机头来实现各种尺寸的焊接。

2.2 试件加工

对于∅70 mm×5 mm的换热管，由于其壁较厚，不开制坡口很难焊透，故开制坡口的角度α和钝边尺寸L的大小是影响一次性焊透的重要因素。坡口角度α选择30°，45°两种，钝边L选择1.5,1.8,2 mm三种尺寸，加工成6种规格的试件分别进行试验，通过试验结果来得到最佳的焊接参数、坡口角度以及钝边尺寸，如图3(a)所示。对于∅33.4 mm×3.4 mm的换热管，由于其内径小，很难在狭小的空间内完成填丝焊，所以不开制坡口，采用自熔焊接单面焊双面成型，如图3(b)所示。

(a)∅70 mm×5 mm换热管

该产品的管板是由锻件整体加工而成的，而试验用管板是由2块厚度δ=30 mm、材料为15CrMoR的板与两种规格的换热管共同组成。一块管板上钻有∅34 mm的孔，将长度为45 mm的∅33.4 mm×3.4 mm的换热管穿入管板内，一端与管板一侧平齐，用手工钨极氩弧焊点焊，装配成与产品管板结构形式一样的试验管板;另外一块管板上钻有∅70.60 mm的孔，将长度为45 mm的∅70 mm×5 mm的换热管按上述方法装配成另一块试验管板。这样既可以保证与图纸要求相同，又方便试件的理化性能检测。

2.3 试验过程及结果

2.3.1 焊枪定位

为了保证在盲焊时钨极尖端正好处于待焊处，在焊枪上装了定位环，焊接∅70 mm×5 mm与∅33.4 mm×3.4 mm的换热管时,分别采用与各自尺寸相匹配的定位环，如图4所示。定位环前端突起部分的外径正好等于管孔的内径，将定位环前端插入管孔内与管板面贴合，管板贴合面到钨极的距离正好是焊缝中心距管板面的距离。施焊时，枪头必须与管板端面垂直，保证焊枪沿圆周方向转动过程中离焊缝表面的距离是一致的。

图4 内孔焊示意

2.3.2 背面保护

为了保证背面焊缝质量，在焊接时焊缝背面应采用氩气保护。为此制作两种规格且操作简便、适用性强的氩气保护工装，焊接时只需要将保护气软管接在通气嘴上，然后用一个夹子将两个瓣片保护罩夹在待焊区，再通入氩气就可以进行背面的保护。

2.3.3 试件焊接过程

施焊时，枪头必须与管板端面垂直，保证焊枪沿圆周方向转动过程中离待焊处的距离是一致的，通过定位环来确定机头伸入管板的深度，调节定位环的位置使它离钨极尖的距离正好等于管板的厚度，这样机头伸入管孔里面后，定位环正好紧贴在管板上，此时钨极的位置正好处在待焊位置的正上方，用调节螺丝调节钨极离施焊位置的距离至施焊状态，空转一周，调试确保定位环与管板垂直且可以自由转动。在-300°左右方向起弧，这个位置方便焊工观察背面的焊缝熔透情况，然后进行自动焊接，焊接完成抽出机头，再进行下一根的焊接。

对∅70 mm×5 mm的换热管，通过两种不同坡口角度以及三种不同钝边尺寸的6种规格的试件进行大量的焊接试验，最终确定换热管开制坡口角度α=45°，钝边L=1.5～1.8 mm是最合理的，不仅可以焊透，而且焊缝成型美观，也不影响后续的填丝盖面焊。

对∅33.4 mm×3.4 mm的换热管，通过采用不同的参数进行大量的焊接试验，最终确定了一个合理的焊接参数，焊接完成的试件背面完全焊透，而且焊缝成型美观。

2.3.4 焊接工艺参数

由于管板与换热管内孔对接焊既是盲焊，又是全位置焊，焊接电流的大小及起弧初始角度直接影响焊缝的成型及焊透。焊接电流过大，可能在-240°～-300°的方位上会焊穿，在60°～120°的方位上会焊塌陷，起弧的角度设置在-300°左右的方向是最合理的，通过重叠时间及停弧下降时间后，息弧位置在-240°左右的方位上，这样就避免了由于重叠过热而使焊缝塌陷。根据试验所得结果确定的焊接工艺参数如表1所示。

表1 焊接工艺参数

2.3.5 理化检测

将焊接完成的两种规格的试件按标准NB/T 47013.2—2015《承压设备无损检测 第2部分：射线检测》进行100%RT检测，检测结果合格。再进行理化性能检测，其化学成分见表2，物理性能检测结果见表3，检测结果均满足相关标准要求。

表2 两种规格试件的化学成分 %

表3 焊接接头力学性能检测结果

3 生产应用

采用试验所得的焊接工艺参数及坡口形式，对转化气蒸汽发生器上199根∅33.4 mm×3.4 mm的换热管和19根∅70 mm×5 mm的换热管与管板进行了焊接，装配及焊接过程中有以下质量控制点。

(1)管板加工(如图5所示)应符合图纸要求，管板上铣出的凸台的内外径应与换热管的内外径保持一致且保证同心，坡口形式也应保持一致，焊接装配前管板内侧与换热管连接的部位应采用有机溶剂去除加工油污。

图5 管板数控加工

(2)对∅33.4 mm×3.4 mm的换热管，按图纸要求，用平管机对其管口端部进行加工平齐(如图6所示)，管口内外表面至少20 mm长的区域抛光打磨出金属光泽。

图6 换热管端部加工平齐

(3)对∅70 mm×5 mm的换热管，加工时必须保证坡口形式及钝边要求，加工完成的坡口应与管板上相对应的坡口保持一致，管口内外表面至少20 mm长的区域抛光打磨出金属光泽。

(4)为了保证焊接过程可以一次性熔透，而不产生任何缺陷，对换热管与管板的对接位置加工及装配精度要求非常高，应保证管孔与对应的换热管的同心度，且应保证换热管与管板焊接部位的组对间隙≤0.2 mm，错边量≤0.1 mm。装配过程中采用手工钨极氩弧焊在外侧进行点焊固定(如图7所示)，相隔120°点焊1点，共点焊3点，点焊过程中不需要填丝，自熔点焊即可，尽可能保证焊点足够小，不影响后续的焊接。

图7 换热管与管板装配点焊

(5)采用对称的方法焊接(如图8所示)，首先焊接完成管板中心轴上的一排换热管；然后进行表面检测及射线检测；检测合格后再逐根进行水压试验；水压试验合格后，以中心轴上的一排为对称轴，一次上下焊接两排，焊接完成后进行无损检测以及水压试验，以此类推。

图8 对称上下分别焊接

(6)如RT检测不合格，当缺陷产生在换热管上部240°左右可见的范围内时，尽可能在外表面采用手工钨极氩弧焊进行修补，修补完按标准NB/T 47013.2—2015进行100%RT检测合格。当缺陷产生在换热管下部120°左右不可见范围内时，采用专用镗刀在镗床上将焊缝割除，管板的端口用专用镗刀进行平齐，换热管端口用平管机加工平齐，将加工完的端口按NB/T 47013.5—2015《承压设备无损检测 第5部分：渗透检测》进行100%PT检测，合格后再按装配要求进行组对，并进行再次焊接。

4 结语

换热管与管板采用传统的端部焊加胀接的接头连接形式已经很难满足换热器在高温高压腐蚀介质中安全运行[10-11]，内孔对接焊作为一种最佳的连接方式已经在废热锅炉、转化气蒸汽发生器、余热锅炉等石油化工行业重要设备上得到应用。但由于换热管与管板的这种特殊的连接方式，给加工、装配、焊接等环节都带来了很大的困难[12-13]。相信随着整个行业的不断发展，换热管与管板内孔焊接所配套的焊接设备、加工设备等都会趋于自动化、智能化，会极大地避免制造中的人为干扰因素，从而使得换热管与管板的内孔焊接技术应用更加广泛，操作更加简便[14]。