蛇形管高压加热器换热管与集管焊接工艺研究

冯莉明，郭伟杰

(上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海 200090)

0 概述

为了更好地适应大型机组及调峰机组的运行，加热器需要更高的抗热冲击性能。为此，蛇形管高压加热器采用独特的集管结构，取代了U形管式高压加热器厚重的管板和水室。但蛇形管高压加热器的制造工艺与常规换热器有很大的不同之处，有多项制造难关需要攻克，换热管与集管障碍焊焊接就是其中之一。

在蛇形管高压加热器中，换热管与集管的对口焊接，其空间狭小，难以实施自动焊接。产品制造时需要一层一层施焊，每个焊口需进行100%RT和100%PT检测，检验合格后才能进行下一层的焊接。如存在返修，就会严重影响下一层的生产进度。

焊缝结构见图1。层与层之间的距离很小，焊接某一层管子时，下半圆存在视觉盲区，正常施焊和补焊有相当大的难度。由于空间位置限制，一旦出现焊接缺陷无法用普通磨光机或者锉刀清除缺陷，只能采用专门的割管机割掉焊口重新进行焊接。

鉴于上述原因，为保证产品质量和生产进度，需要较高的焊接成功率。

本文通过模拟施焊及模拟补焊研究，确定可行的施焊工艺参数、操作手法和返修措施。通过技能操作训练，提高焊接成功率，保证了蛇形管高压加热器最终的顺利出产[1]。

1 焊接分析[2-3]

1.1 换热管材料焊接性分析

蛇形管高压加热器中换热管材料为15Mo3钢，15Mo3属于珠光体耐热钢，其金相组织为珠光体+铁素体，在焊接过程中易产生冷、热裂纹，而且热影响区易脆化，其合金元素主要以固溶体和化合物两种形式存在于钢中。

碳是以碳化物的形式存在于钢中，它可以提高强度及淬硬性。含碳量的高低对可焊性、焊接热裂纹的敏感性、热影响区裂纹倾向等均有明显影响。

铬在钢中主要提高钢的抗氧化能力，还可提高钢的耐腐蚀性。但由于碳元素与铬的亲和力较大，易形成铬的碳化物，因而对抗氧化性极为不利。

硅融入铁素体中起固溶强化作用，但它的有害作用是增加了回火脆性及晶粒粗大倾向，使焊接性能下降。

在15Mo3钢中除C、Si、Cr元素外，还含有Mn、Mo等合金元素，这些元素提高了钢的力学性能、抗氧化性能和热强性能，这些元素在不同程度上对焊接性能产生影响，整体可焊性较好。15Mo3化学成分及力学性能见表1。

表1 15Mo3钢化学成分及力学性能

1.2 集管材料焊接性分析

蛇形管高压加热器中集管材料为15NiCuMoNb合金钢。该合金钢属于低合金结构钢中的调质型弥散强化钢，它是在碳锰钢的基础上添加Ni-Cu-Mo-Nb合金元素发展起来的。通过铜的沉淀强化可以提高材料的强度和抗腐蚀性能，添加一定的镍是为了消除由于铜的存在而带来的高温红脆趋势，同时加入一定量弥散的铌可进一步细化晶粒，提高材料的综合性能。由于该钢中加入了Ni、Cu、Mo、Nb等合金元素，起到了细晶强化及沉淀强化的效果，从而大大提高了该钢种的高温强度以及持久强度，并且铜的加入并没有降低钢的持久塑性。该钢的特点是强度高，具有良好的焊接性能，其化学成份及力学性能见表2。

表2 15NiCuMoNb合金钢化学成分及力学性能

1.3 焊接难题分析

蛇形管高压加热器中蛇形管布置密集，且成排组对，管与管之间、排与排之间的间隙非常小。由于空间狭小，焊接任意一道焊口时别的管子都会对操作形成障碍，难以正常焊接。焊接过程中一旦形成气孔、夹渣等焊接缺陷无法采用砂轮清除缺陷，只能整根割下，重新加工坡口，重新焊接。为保证焊缝质量进而保证整体生产进度，必须采取一系列措施来保证较高的焊接成功率。

2 制定焊接工艺

2.1 焊接方法选择

首先考虑采用自动氩弧焊方式焊接此焊缝。通过市场调研，如在接管外侧进行焊接，目前市场上没有满足此间隙的自动焊设备；如采用内孔焊焊枪从接管内部焊接，由于换热管管径较小，满足此管径的内孔焊焊枪不具备水冷和加丝功能，而蛇形管高压加热器换热管的壁厚较厚(4 mm)，不加丝焊接很难保证焊缝质量，焊枪不具备水冷功能也会导致焊接效率较低。

鉴于上述原因，最终选择采用手工氩弧焊方式进行换热管与集管焊缝的焊接，但由于空间障碍原因，常规氩弧焊焊枪和小规格氩弧焊焊枪均无法满足换热管与集管焊缝空间尺寸要求。为解决此难题，定制了能够满足此空间尺寸的氩弧焊焊枪。但焊枪尺寸减小后，气体保护效果也会变差。通过大量试验持续对焊枪进行改进，最终开发出焊接质量稳定、气体保护效果良好的焊枪，满足使用要求。

2.2 焊接材料及焊接设备

2.2.1 焊接材料

根据焊材选材的低配原则，焊材主要元素含量见表3。

表3 焊丝化学成分

2.2.2 焊枪、焊机

由于焊接位置差，管间距小，通用的钨极氩弧焊焊枪难以满足需要。根据产品的实际空间位置，专门定制了非常规小型氩弧焊焊枪(见图2)，并需确保焊接过程的保护效果，焊机具备提前送气、滞后停气、高频引弧、电流衰减灭弧等功能。

2.3 坡口形式

坡口形式选用V形对接，详见图3.

2.4 焊前准备

1)焊前对焊接区域进行打磨除锈至金属光泽，并将打磨碎屑清理干净；

2)在焊接现场搭制防风棚以防风；

3)焊丝用砂纸打磨除锈并用丙酮擦洗，焊丝中间剪断减少手持负担；

4)调整焊机选择合适的焊接电流，检查焊缝装配情况，检查焊接气体流量及背面保护气体情况；

5)焊前试枪，在打磨光滑的5 mm铁板上进行焊枪调试，确定焊枪的气体保护效果及电流是否稳定，以确保焊接正常进行；

6)焊前进行预热。

2.5 焊接操作手法

由于焊缝三面均存在障碍，打底焊焊接时外加丝难度较大且不好控制。为保证打底焊质量，需采用特定送丝方法，焊丝通过坡口上方装配好的间隙以特定角度送至坡口底部，调整焊枪角度(因管排之间的障碍，焊枪无法按正常角度放置)，根据实际情况尽量调整到不被障碍阻挡的上限角度，视线以斜视调整到最佳视角。焊接过程中根据视线所及部分，在脑中模拟熔池摊开的大小，控制熔滴过渡方式，最终完成打底焊缝焊接。

焊接采用左右手施焊的方式。焊接左边障碍部分焊缝时，左手拿焊枪，右手送丝；焊接右边障碍部分焊缝时，右手拿焊枪，左手送丝。焊接过程中注意焊枪角度的时时变化及焊枪喷嘴与管子的距离，使焊缝得到充分的气体保护，防止出现焊接气孔。

封底打底焊焊接完成，盖面焊接时，因管与管的间距较小，存在视觉盲区。焊接视觉盲区位置时，根据视线所及的焊接位置在脑中模拟盲区，确定合适起弧位置(起弧前钨极先触碰焊缝，然后拉开一点点距离起弧)，等待熔池完全打开再加入焊丝填满熔池，焊枪可稍许摆动把熔池带到坡口两边，加丝填满熔池使焊缝无未熔合现象。

因空间位置限制，焊接只能采取断弧焊，应特别注意接头处的焊接质量，特别是视线盲区位置的接头质量。焊接过程中需要提前送气和滞后停气，保证焊接时的气体保护效果。需反复练习，控制焊接速度和送丝速度均匀、快速，降低热输入，保证盖面焊缝的成形质量，防止咬边、焊缝余高较大等。

3 焊接模拟训练

对于蛇形管高压加热器蛇形管和集管障碍焊，由于焊接时焊缝三面有障碍，存在施焊盲区，对焊工操作水平要求非常高。焊接过程中一旦出现焊接缺陷返修困难，严重影响生产进度。为保证生产进度，达到较高的焊接合格率，模拟产品按1：1的比例制作模拟件，进行模拟焊接训练，提高障碍焊焊接操作技能水平。

为保证训练质量，制定了模拟训练计划，通过四个阶段，由易到难，进行模拟焊接训练。

3.1 基础训练

蛇形管与集管焊接时，因空间障碍，需要左右手分别完成两个半圈的焊接，而且打底时需要采用内送丝的送丝手法。通常产品焊接时，焊工常采用惯用手进行焊接，非惯用手焊接则熟练度不够，送丝方式也多为外送丝。因此有必要对左右手焊接和内送丝手法进行基础训练。

此阶段分两步进行，首先练习光管开槽焊接。在光管上开特定形状圆槽，通过左右手焊接填满圆槽，练习左右手焊接的协调性。

然后通过光管的对接焊，练习送丝手法。

3.2 管板障碍训练

在简易工装或碳钢板上装焊多根碳钢管，采用管对接的焊接方式进行初步障碍练习。管板障碍训练形式见图4，第一排以及第二排的左右边均预先焊接长管，模拟障碍。焊接中间一根管对接进行训练，短管先焊接好，模拟短接头，再与长管对接焊接。焊好后取下此根管，重复练习。

3.3 模拟件训练

在制作的1:1的焊接模拟件进行焊接训练。此焊缝空间位置及结构形状与实际产品相同，可通过这个阶段的反复练习，熟悉产品焊接情况。

3.4 模拟返修训练

通过前三个阶段的训练，掌握障碍焊焊接技能后，在模拟件上进行模拟返修训练，为焊缝返修作准备。

4 结果

4.1 实际产品焊接情况

蛇形管高压加热器换热管与集管障碍焊操作技术在实际生产中得到应用，参加培训考核的焊工，共完成了两台蛇形管高压加热障碍焊的焊接，焊接合格率98%以上，保证了制造进度，满足生产需求。

4.2 经验要领

1)严格焊前清理，焊前对坡口区域用抛轮打磨直至露出金属光泽，以防止焊接缺陷的产生；

2)采取有效的防风措施，搭制防风棚；

3)焊接时提前送气和滞后停气，保证焊接时气体保护效果；

4)焊接过程中尽量减少断弧次数防止接头气孔和缩孔。

5)用熟练的焊接手法保证障碍焊焊接时快速、均匀的焊接速度，降低对焊缝的热输入，避免温度过高导致焊缝下沉和焊缝成形不美观。

5 结语

针对蛇形管高压加热器换热管与集管的障碍焊焊缝，通过模拟施焊及模拟补焊试验，确定可行的施焊工艺参数、操作手法和返修措施。通过技能操作训练，掌握了小口径管子对接障碍焊焊接操作技术，提高了焊接成功率，保证了蛇形管高压加热器最终的顺利出产。