换热器管子与管板焊缝焊接工艺评定中的检验要求

沈 红罗家裕孙旭东

（1.德希尼布工程技术咨询(上海) 有限公司 上海 200031）

(2.The Travelers Companies, Inc. USACA 91203)

换热器管子与管板焊缝焊接工艺评定中的检验要求

沈 红1罗家裕1孙旭东2

（1.德希尼布工程技术咨询(上海) 有限公司 上海 200031）

(2.The Travelers Companies, Inc. USACA 91203)

本文根据换热器管子和管板焊缝中角焊厚度, 溶深和焊透, 管孔间隙, 管子和管板角焊缝探伤等, 全面介绍了目前在换热器管与板焊焊接工艺评定中的这些检验项目和要求.

换热器 焊接 换热管和管板的焊缝

换热器的管与板的焊接， 是换热器制造过程中的一个重要环节， 该接头焊缝的焊接工艺评定， 是管板接头质量的重要保证。各国的换热器标准都对管板的焊接工艺评定有要求。GB 151-1999《管壳式热交换器》也提出使用该标准的各方应探讨使用所引用标准最新版本的可能性，即要求对其按最新版的焊接工艺评定标准(NB/T 47104) 进行焊接工艺评定。各国标准对换热器管和管板焊缝的工艺评定要求越来越细，对该焊缝的工艺评定试样的检验要求越来越多。

NB/T 47104 的D.7对工艺评定中换热管与管板接头焊缝的检验和结果评定作了要求， 检验项目有：渗透检验、金相 (宏观) 检验和角焊缝厚度测定。对于宏观金相检验， 要求焊缝根部要焊透， 不允许有裂纹、未溶合，每个宏观金相切片上的角焊缝 (8个)的厚度 (Leak Path or Weld Throat)都应大于或等于2/3b(b为换热管公称壁厚)[1]。GB 151-1999 附录B只要求在对换热管与管板的焊接工艺评定中进行着色检验， 剖面的10倍放大镜的宏观检验无裂纹、未溶合等缺陷， 剖面角接接头的H值(焊接接头和管壁的熔合面长度)不得小于管壁厚度的1.4倍。随着我国换热器标准的更新， 这些要求越趋统一。

ASME IX（2011）对管板焊接接头的检验有如下项目： 外观检验、渗透检验、宏观金相检验，对宏观金相检验结果作了新的五点要求：1)最小角焊缝厚度尺寸符合设计要求；2)无裂纹；3)敷溶金属和管板面以及管壁面完全熔合；4)敷溶金属熔入焊根0.4mm以内；5) 焊缝中的气孔不能影响规定的最小角焊缝厚度[2]。

在工艺评定的管接头数量上， NB/T 47014和ASME IX（2011）均要求施焊10个接头， 但NB/T47014要求对10个管接头中呈对角线的2个接头， 切成切口相互垂直的8片宏观金相试片，检查这8片试样的每个截面；而ASME IX（2011）则要求对这10个管接头沿中心线切开成两半， 检查每个管接头切开后4个焊缝截面。

世界上许多工程公司对换热器管子与管板焊缝焊接工艺评定的检查还有更多的要求，如增加了管接头的射线探伤或削层检验，管接头的拉脱试验，管接头试样的撕裂试验等，并对宏观金相要求熔敷深度检验， 管壁烧穿检验， 根部缺陷检验和管板和管子之间的间隙检验。

1 最小角焊缝厚度 检查

NB/T47104 要求焊缝厚度大于或等于2/3b(b为换热管公称壁厚)， 而ASME IX（2011）要求最小角焊缝厚度符合设计厚度， 通常图纸上并没最小角焊缝厚度的设计厚度， 一般工程的技术要求将最小角焊缝厚度定为2/3b， 则焊脚尺寸即换热管的公称壁厚b。

最小角焊缝厚度测量起点应是焊根熔透点， 即处于管壁上的溶合点(区)， 可以此为起点， 以换热管公称壁厚b (ASME) 或2/3b 画圆，观察该截面的角焊缝截面是否在该园内。若在， 表示该角焊缝厚度符合要求 (如图1左上角焊缝和图2所示)：

图1 角焊缝厚度测量的起点

图2 角焊缝厚度的测量

2 熔深和焊透的检查

对于换热管和管板焊缝熔深的要求， NB/T 47104的要求是焊透， 而ASME（2011）要求熔敷金属熔入焊根0.4mm以内。这两个标准所要求的目的都是要将焊根焊透， 对于在管板上开坡口的管板焊缝， 焊根处焊透的检查更为重要。图3和图4为管与板焊缝根部焊透的照片， 而图5和图6为换热管与管板焊缝根部未焊透的照片。

图3 管板根部腐蚀后的照片(焊透)

图4 管板根部腐蚀后微观的照片(焊透)

图5 管板根部腐蚀后的照片(未焊透)

图6 管板根部腐蚀后微观的照片(未焊透)

3 换热管和管板焊缝在管壁上的熔透

对于管板焊缝和管壁的熔透， NB/T 47104没有详细的要求， ASME（2011）要求该焊缝要和管壁面完全熔透， 但也没有具体数值要求。但在工程上，各大工程公司普遍对管板角焊缝和管壁的熔透要求为最小为1/4管壁厚。如图7、 图8所示。

图7 和管壁的熔透最小为壁厚1/4

图8 管和管壁的熔透

除保证在管壁上有合适的熔透外， 还要注意管壁烧透的缺陷， 有时这种烧穿因为冷却凝固后，将缺陷处掩盖， 看上去不明显，对于非铁基换热管上， 这种烧穿缺陷更容易被忽视。

4 换热管和管孔焊接后的间隙

换热管和管孔焊接后之间的间隙， 也是换热器管板焊接接头的一个质量因素， 通常要求该间隙在不影响装配的情况下， 越小越好。间隙越大， 对腐蚀的影响也越严重。对于不锈钢换热器， 这种影响更加明显[3]。对于有胀接要求的管接头，如果该管子和管板孔在装配前间隙大，经过胀接后，该处间隙还会变化。 TEME RCB-7.21和GB 151-1999中5.6.4根据管子外径尺寸对管子和管孔的间隙公差都有要求。对比同一种管外径和管孔内径的间隙， 上述标准有些细微差别， 如以换热管外径为25mm， GB 151-1999要求的I级管束管孔外径最大可为25.40mm， 间隙可达0.40mm/2， 而在TEME中， 换热管的外径为25.4mm时， 管孔外径最大为25.7mm， 间隙为0.30mm/2[4，5]。换热管和空管的间隙过大情况如图9、图10所示。

图9 换热管和管孔的间隙过大(胀接后)

图10 换热管和管孔的间隙过大 的微观照片

5 换热器管板角焊缝的射线探伤

为了更好地检验管板焊缝中气孔和其他焊接缺陷， 射线探伤也常用于管板焊缝的工艺评定(如图10、图11所示)， 对于较厚的管板， 为使射线易于穿透， 可将带有管板焊缝的管板削薄到最大焊透处加2.5mm， 但不能小于6mm。对于管板焊缝，也可采用金属削层(冷加工)的方法，即用平行于管板面逐层削薄来检验内部气孔、未焊透、未熔合等缺陷。

图11 管板焊缝射线探伤示意图

图12 管板角焊缝射线底片

目前我国标准和ASME对管板焊缝的射线底片无评定标准，其他一些对管板焊缝的评定标准各不相同，除去裂纹，未焊透等线性缺陷不能接受外，基本将气孔和夹渣类缺陷的长度定为要小于0.25t (t为换热管壁厚)。

6 其他检验

除以上常规的对换热器管板焊缝焊接工艺评定进行的检验外，许多工程公司还有其附加试验，如撕裂试验和拉脱试验。撕裂试验主要是检验管板焊接接头的焊透程度以及焊根下部组织的均匀一致性，如图13所示。拉脱试验，主要是检验管板焊接接头的剪切强度和所需的最小拉脱力，如图14、图15所示。当满足最小拉脱力且拉裂断口发生在焊缝时，这不能成为不接受的理由，但要对断口处检查， 看是否有工艺上的不足。一般不采用推挤的方法进行换热器管板焊接接头试验， 因为在推挤时， 由于管子在较高的压应力下产生形变， 在管孔中产生高的摩擦力， 影响试验结果。

图13 管板焊接接头撕裂试验

图13 管板焊接接头拉脱试验之一

图14 管板焊接接头拉脱试验之二

7 结论

换热器管子和管板焊缝的焊接工艺评定是该焊缝质量保证的一个重要环节，而对该工艺评定的检验要求，是判断该工艺评定能否合格的基础。在各国标准中，对这种检验要求越来越细化，世界许多工程公司在该工艺评定中提出新的要求，对重要的设备，在正式焊接前增加管子和管板焊接的模拟试验(Mock up Test)。通过这些检验的介绍， 能使我们了解目前世界上对换热器管子和管板工艺评定中的动向， 为我国的焊接工艺评定发展进步，提供了必要的信息。

1 NB/T 47014-2011承压设备焊接工艺评定[S].

2 ASME Boiler & Pressure Vessel Cod IX,

3 陆世英.不锈钢概论[M].北京：化学工业出版社,2013,7:185.

4 ASME Boiler & Pressure Vessel Cod IX

5 EEMUA-143, Recommendation for Tube End Welding : Tube Heat Transfer Equipment 2001

6 Practical Technical Specification Shell & Tube HEX in Titanium, 2012.

7 Memo GEC-MM, No. 2013 M06, Solvay S.A Industrial GEC/MM, 2013 (photo 2～7)

The Requirement of Inspection for Weld between Tube and Tube-sheet in PQR

Shen Hong1Luo Jiayu Sunxudong2
(1.DE Heaney Engineering Consulting (Shanghai) co., LTD Shanghai 200031)
(2.The Travelers Companies, Inc. USACA 91203)

This article introduces the current inspection items and requirement of the weld between tube and tube-sheet in PQR, according to the weld throat, fusion depth and penetration, gap between tube and hole wall of tubesheet, NDT of the fllet weld and other inspections.

HEX Welding Weld between tube and tube-sheet.

X933.4

B

1673－257X(2014)11－05－05

10.3969/j.issn.1673-257X.2014.11.002

沈红(1957～),男，工学硕士, 高级工程师，德希尼布中国检验经理,从事石油化工设备检验 。

2014-07-23）