內(nèi)孔焊技術(shù)在換熱器制造中的應(yīng)用方法

摘要：用內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的端面焊結(jié)構(gòu)是提高換熱器管子與管板焊接接頭抗應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕穩(wěn)定性的根本途徑。重點(diǎn)闡述了內(nèi)孔焊的接頭形式、焊接設(shè)備、工藝裝備、焊接工藝參數(shù)以及具體實(shí)施過程中應(yīng)注意的問題。
　　關(guān)鍵詞： 換熱器內(nèi)孔焊工藝裝備
　　0 前 言
　　在化工、石油、醫(yī)藥、原子能和核工業(yè)中，換熱器的應(yīng)用十分廣泛，其類型與結(jié)構(gòu)也很多。其中管殼式換熱器是最普遍使用的。在管殼式換熱器的設(shè)計(jì)、制造過程中，換熱管與管板之間的連接質(zhì)量好壞決定了換熱器的質(zhì)量優(yōu)劣和使用壽命。換熱管與管板的連接方法主要有脹接、焊接和脹焊并用。常規(guī)焊接結(jié)構(gòu)管子與管板孔之間存在間隙，易產(chǎn)生間隙腐蝕、過熱等問題；焊接接頭處產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能造成應(yīng)力腐蝕和破裂。脹接結(jié)構(gòu)形式，由于脹接變形存在較大的殘余應(yīng)力，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，而且在使用溫度較高時(shí)，由于材料的蠕變使脹接殘余應(yīng)力松馳，引起接頭松動(dòng)或脫落造成泄漏。因此，換熱器管子與管板的連接技術(shù)研究一直是國內(nèi)外技術(shù)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。硫酸塔系統(tǒng)是某公司生產(chǎn)中乙炔氣精制的主要系統(tǒng)之一，其工作原理是利用濃硫酸的強(qiáng)氧化性來氧化乙炔氣中的硫化氫、硫化磷等雜質(zhì)達(dá)到凈化的目的。酸冷卻器是維持塔內(nèi)物料溫度的關(guān)鍵換熱器。換熱管與管板材質(zhì)為00Crl4Nil7Mo2，換熱管規(guī)格為犯5 mm×2 mill。在使用中由于介質(zhì)的腐蝕性，多次造成管板與換熱管的接頭處發(fā)生嚴(yán)重的泄漏，因此，考慮選用內(nèi)孔焊結(jié)構(gòu)，以避免間隙腐蝕造成的失效。
　　1 內(nèi)孔焊接頭形式
　　從各種文獻(xiàn)資料可知，內(nèi)孔焊接頭形式有兩類：全對(duì)接和準(zhǔn)對(duì)接。但從焊縫質(zhì)量控制要求出發(fā)，全對(duì)接型是最好的選擇。這種結(jié)構(gòu)在使用性能上有很多優(yōu)點(diǎn)：等厚對(duì)接連接承載能力高，應(yīng)力集中小，抗疲勞性能好，抗應(yīng)力腐蝕能力強(qiáng)，接頭質(zhì)量高，確保接頭更安全和可靠，有效保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)過比較，選擇了如圖1所示的無間隙全位置結(jié)構(gòu)形式。
                    
　　2 內(nèi)孔焊設(shè)備殛工藝裝備
　　焊接設(shè)備是實(shí)現(xiàn)全位置自動(dòng)T1G焊的關(guān)鍵所在。出于焊縫的高質(zhì)量、高可靠性要求．對(duì)焊接設(shè)備也提出了很高的要求，因此，采用了EWA306電源和適合于無間隙管板全位置自動(dòng)TIG焊的專用~t；fL焊槍頭，如圖2所示 內(nèi) L焊機(jī)的工作原理如圖3所示。
                        
　　程控電源包括焊接電源和微機(jī)控制系統(tǒng)，焊接槍頭由調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、送絲機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和特殊焊炬等部分組成。
                          
    2．1 程控電源
    它主要是為焊接提供能量以及進(jìn)行實(shí)時(shí)控制EW&306電源是采用德國EWM公司原裝高性能逆變電源模塊制造的新型的智能化的IGBT逆變式直流TIG焊接電源，可根據(jù)需要輸出5～300 A的直流或脈沖電流 系統(tǒng)內(nèi)配置有高性能的Multi—CPU系統(tǒng)，響應(yīng)速度快，控制精度高，性能穩(wěn)定，焊接成形及重現(xiàn)性好 同時(shí)具有完整的故障檢測和處理機(jī)制．多點(diǎn)自動(dòng)檢測．最大程度保護(hù)人身和設(shè)備安全以及焊縫質(zhì)量。微機(jī)控制系統(tǒng)針對(duì)全位置TIG焊的要求對(duì)氣體、電流大小及方式、旋轉(zhuǎn) 送絲和弧長在焊接過程中進(jìn)行編程和過程控制。
    2．2 焊接槍頭
    焊接槍頭是該系統(tǒng)的核心，槍頭用平衡器吊于龍門架上．它由定位、特殊焊炬和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)組成2．B 氬氣保護(hù)罩由于該設(shè)備管板和換熱管均使用不銹鋼材質(zhì)，因此．進(jìn)行“內(nèi)孔焊”時(shí)，應(yīng)在焊接坡口外側(cè)實(shí)施氬氣保護(hù)，以防氧化和氯化，影響焊縫質(zhì)量。根據(jù)管板“環(huán)形圉”布置形式以及管束與殼體的制造和組裝特點(diǎn)．經(jīng)過比較和論證．最終決定采用圖3所示的氬氣保護(hù)裝置為便于裝配和拆卸，該氬氣保護(hù)罩制成哈夫結(jié)構(gòu)，使其與換熱管適當(dāng)緊配合，避免氬氣流外逸，保護(hù)不足 設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了保護(hù)罩內(nèi)空氣的排除、氬氣的流向以及焊縫的熱影響區(qū)域。使用時(shí)，通過進(jìn)氣管充入氬氣．將保護(hù)罩內(nèi)的空氣完全排凈后進(jìn)行“內(nèi)孔焊”。
    2 4 定位芯軸
    為了確保裝配時(shí)換熱管與管板孔的同心度，需要沒計(jì)一個(gè)專門的定位芯軸(圖4)，根據(jù)換熱管內(nèi)徑與管板孔的實(shí)測尺寸設(shè)計(jì)定位芯軸，要求制造后與換熱
管內(nèi)徑與管板孔的最大間隙不超過0．15 nⅡn。芯軸定位后，用TIG焊不加絲在連接處外側(cè)對(duì)稱地定位焊兩點(diǎn)。
                         
    3 焊接工藝參數(shù)確定及實(shí)施棒
    3．1 焊接程序
    一個(gè)焊接接頭的焊接程序，包括按下起動(dòng)按鈕．提前送保護(hù)氬氣，然后送出高頻、起弧，起弧后，在起弧點(diǎn)停留一段時(shí)間，用電弧預(yù)熱焊接區(qū)域以建立起熔池；繼而送出脈沖電流，同時(shí)機(jī)頭開始轉(zhuǎn)動(dòng)，焊接一周后電流在指定位置開始衰減，一定時(shí)間后，電弧熄滅，延時(shí)送氣特定時(shí)間后，機(jī)頭停止轉(zhuǎn)動(dòng)等，這些程序可以按照預(yù)定的參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行。圖5所示為焊接程序示意圖。
                      
    圖中各個(gè)符號(hào)的含義是：t。。為提前送氣時(shí)間，t∞為滯后送氣時(shí)間，t。。為預(yù)熔時(shí)間，，ll為預(yù)熔電流，t。 為峰值時(shí)間，，。 為峰值電流，f。，為基值時(shí)間，，。，為基值電流，Ⅳ．．為焊接電流開始衰減位置，f。 為電流衰減時(shí)間， 。為旋轉(zhuǎn)速度， 。為電弧電壓。
    3．2 焊接工藝參數(shù)的確定
    焊接工藝評(píng)定是產(chǎn)品制造過程中焊接質(zhì)量管理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是編制產(chǎn)品焊接工藝文件的依據(jù)。根據(jù)上述焊接工藝參數(shù)選擇原則，通過多次試驗(yàn)，選定的
焊接工藝參數(shù)見表1。將上述焊接工藝參數(shù)輸入到焊接電源的電腦控制系統(tǒng)中，對(duì)焊接試件進(jìn)行施焊，焊后對(duì)接頭進(jìn)行了著色檢查、水壓試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能等項(xiàng)目檢測。焊接接頭經(jīng)宏觀金相觀察未發(fā)現(xiàn)有任何缺陷。加工了兩個(gè)拉伸試樣和四個(gè)彎曲試樣，試驗(yàn)結(jié)果表明，該接頭具有足夠的強(qiáng)度和塑性，完全滿足使用要求。
    3．3 管束的焊接及質(zhì)量控制
     管束的焊接是整臺(tái)設(shè)備的制造重點(diǎn)，為了保證管子與管板接頭的質(zhì)量。焊接過程中主要采取如下措施：
    (1)焊接管束時(shí)，由一名操作員在管板的里側(cè)，首先確定好焊槍鎢極對(duì)準(zhǔn)的位置，使鎢極離開焊口1．2～1．3 innl，然后將焊槍抽出，將管子插入，由管板外側(cè)的施工人員用手電筒觀察管子管板的組對(duì)情況。
    (2)組對(duì)后，將焊槍插入，同時(shí)由管板內(nèi)側(cè)的施工人員在管子管板側(cè)沿焊口環(huán)向?qū)Ｓ玫臍怏w保護(hù)罩上好，然后施焊。水壓試驗(yàn)等無損檢驗(yàn)合格后，方可進(jìn)行下一道管口的裝配、焊接。如不合格則應(yīng)立即返修。
    (3)每根換熱管焊接結(jié)束后，用內(nèi)窺鏡觀察焊口的焊接情況，內(nèi)側(cè)的施工人員觀察是否焊透，只要焊槍的位置準(zhǔn)確．焊口組對(duì)良好，焊接可保證一次成功，若焊El背面發(fā)現(xiàn)未焊透，可提高焊接電流再焊一遍。
    (4)為了施工過程中易于組對(duì)，焊接時(shí)從下向上焊接，但每焊接兩排，應(yīng)檢查管板的變形情況，發(fā)現(xiàn)變形后，調(diào)整管束兩端的加固裝置。
    4 焊接檢驗(yàn)
    在焊接質(zhì)量檢驗(yàn)方面，由于這種接頭形式極難返修，因此，每焊完一個(gè)焊縫后，應(yīng)馬上進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)每一個(gè)管口依次進(jìn)行外觀檢查、著色探傷和水壓試驗(yàn)等無損檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后，方可進(jìn)行下一道管口的裝配、焊接。如不合格則應(yīng)立即返修。
    (1)外觀檢查t經(jīng)檢查焊接接頭內(nèi)外側(cè)均勻，焊道形狀良好，沒有發(fā)現(xiàn)焊接缺陷?？梢钥吹胶缚p外部成形平滑、美觀、光亮，無可見缺陷。焊縫外部由于采用保護(hù)套筒，保護(hù)效果很好，焊縫外表面可達(dá)到白亮的程度。焊縫內(nèi)表面均達(dá)到了淺黃的顏色，這證明內(nèi)孔焊有氬氣保護(hù)系統(tǒng)是良好的。
    (2)著色檢查：對(duì)焊縫表面進(jìn)行了著色檢查，I級(jí)合格，沒有發(fā)現(xiàn)任何表面缺陷。
    (3)水壓試驗(yàn)：利用設(shè)計(jì)的水壓試驗(yàn)裝置對(duì)每個(gè)管板與管子連接接頭逐個(gè)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，無滲漏及異常。
    (4)本試驗(yàn)共制作酸冷卻器兩臺(tái)，每臺(tái)有大約1 000個(gè)焊ISl，一次焊接合格率達(dá)98％，操作過程比較方便。一次驗(yàn)收合格，現(xiàn)已投入生產(chǎn)使用。
    5 結(jié) 論
    (1)采用EWA306電源加專用焊槍的全位置自動(dòng)脈沖TIG自熔焊，通過管板接口的改進(jìn)并配合正確的焊接參數(shù)及其他工藝裝備能有效解決無間隙內(nèi)孔焊的焊接問題，成功地制造出設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了換熱管一管板的高質(zhì)量連接。
    (2)生產(chǎn)裝置中管接頭腐蝕泄漏失效問題有望得到解決，大大延長設(shè)備的使用壽命，減少了因停車堵管造成的經(jīng)濟(jì)損失。
   (3)實(shí)踐表明，管子管板內(nèi)孔焊對(duì)解決管與管板接頭的應(yīng)力腐蝕破裂具有顯著的優(yōu)越性，使設(shè)備的壽命大大延長，質(zhì)量提高，工作穩(wěn)定，使用可靠。但是由于制造和檢驗(yàn)較復(fù)雜限制了其應(yīng)用范圍，隨著核工業(yè)、石油化工和動(dòng)力工業(yè)發(fā)展對(duì)熱交換器、蒸發(fā)器等設(shè)備的越來越高的質(zhì)量要求，以及制造技術(shù)的提高和檢驗(yàn)手段的簡化，內(nèi)孔焊接必將得到更廣泛的應(yīng)用。