浅析换热管与管板内孔焊技术

2014-08-15河南陈忠群

职业技术 2014年4期

河南陈忠群

引言

换热器在工业领域应用十分广泛，在医药、化工、石油等领域发挥了重要的作用。换热器的类型和结构非常多，管壳式换热器在上述工业领域中比较常见。换热器的设计、生产的程序中，换热管与管板焊接接头处焊接质量的优劣直接决定了换热器的整体质量和使用期限的长短。在当前换热管与管板的连接技术中，胀接、焊接是常见的连接方法。一般性的焊接方法，在换热管与管板之间会留有缝隙，该缝隙容易产生腐蚀和过热的问题；焊接处会产生相应的热应力，从而造成焊接接头处的破裂。胀接连接方式，如果胀接变形的话，会留存有产生应力腐蚀的残余应力，若换热管使用温度比较高，容易导致材料的松动，引起胀接接头处的开裂或者断裂，引起热力泄露。在上述连接技术的背景下，解决换热管与管板的连接问题一直是研究人员着力解决的课题。本文将以某公司为例，就换热管与管板内孔焊技术进行探讨。

一、内孔焊技术

某公司承接制作了一台低压反应水冷凝器，其管程一侧为氧化氮，危害为中等，工作情况下的温度在40℃~160℃之间；壳程一侧为冷却水，工作情况下的温度为30℃~42℃。该台低压反应水冷凝器的基本功能是将氧化氮（形态为气体）从160℃降低到40℃。该台设备换热管及管程壳体是S30403材料，管板是S30403Ⅲ材料，壳程壳体为Q345R材料。根据相关研究可以看到造成低压反应水冷凝器的腐蚀原因如下：

第一，若换热管与管板采用的是焊接与胀接相结合的技术，那么，胀管管壁会相应减薄，从而形成残余应力。此时，气体进口处温度可以达到160℃，而冷却水的温度会在30℃之下。此时，如此巨大的温差容易导致混热管相应处开裂。

第二，气体传输到冷却器之后，会有硝酸盐产生，带有硝酸盐的气体由于接触到低压反应水冷凝器较高的温度，会对换热管与管板连接处产生严重的腐蚀。

第三，气体由于具有较高的速率，而且在高温高热的情况下，直接对换热管进行冲击，会形成很大的腐蚀应力。

第四，由于管板和管束中间存在缝隙，冷却水存在大量的氯，氯会在管板与管束中间的缝隙处大量集聚，因而会逐渐在换热管表面形成腐蚀或者点坑。

1.采用内孔焊技术的原因

对于防止换热管与管板腐蚀现象的发生，一般都是根据腐蚀的原因采取相应对策。例如，在氧化氮气体的入口处设置防冲挡板，或者在换热管与管板的连接处采用强度焊技术，或者尽量降低冷却水中氯的浓度，或者将换热管的材质更换为耐腐蚀性更好的钛材料。由于上述方法都存在一定的问题，在使用上还难以做到普及。因此，可以从焊接技术方面考虑，一是应当有效降低换热管与管板焊接接口处留存的残余应力，二是应当减少换热管与管板之间焊接接口处的缝隙，三是在上述缝隙处减少或者避免留存有腐蚀物质。经过我国多年焊接实践经验的积累，发现内孔焊技术可以防范上述腐蚀现象的发生，有效地提高换热管的质量并增加使用期限。所以，某公司在该台低压反应水冷凝器的换热管与管板处的连接采用了内孔焊技术。

2.内孔焊结构及其特点

管壳式换热器存在4种不同类型的接头将换热管与管板焊接起来，一是外伸角焊接，二是缩角焊接，三是平齐端焊接，四是无缝隙式焊接接头。内孔焊技术结构属于无缝隙式接头结构，其原理是在管板的一面的管孔边缘处加工成一定的形状，从而让管孔与管端实现连接，此时，再运用内孔焊焊接抢对接口处进行焊接。

（1）内孔焊技术的优点

一是采用内孔焊技术可以让焊接接头的稳定性和可靠性更好，换热管与管板的连接强度更高；二是采用内孔焊技术可以让焊接缝隙处的温度与管壳壳体介质的温度相近；三是可以让换热管与管控之间实现无缝连接，避免腐蚀；四是内孔焊技术的焊接接头处采用的是对接技术，承受负载的能力大大提高；五是采用内孔焊技术不会产生胀管的残余应力，六是采用内孔焊技术不会在焊接接头根部处产生较多的应力集中现象，保证换热管运行中不会出现开裂；七是射线探伤检测比较容易开展，从而可以更好地保证焊接质量。

（2）内孔焊技术的缺点

一是对管板的加工与装配的精准度要求非常高，要达到这种精准度比较困难；二是需要采用质量优良的焊接设备；三是对于焊接过程中的工艺要求非常严格，需要技术熟练的专业人员才能操作；四是一旦出现质量问题，返修比较困难，焊缝的检查也比较困难；五是生产周期过长。总之，上述缺点的存在，使得采用内孔焊技术仍具有一定的困难。

内孔焊结构形式具有多样化的特点，换热管及管程壳体是S30403材料，管板是S30403Ⅲ材料，壳程壳体为Q345R材料，Φ25×2mm的规格，总计1268根。换热管与管板都由不锈钢材料构成，管板厚度较厚，换热管的数量比较多。因此，采用内孔焊技术的工作量很大。由于不锈钢材料容易受热膨胀，因此，焊接后容易因温度升高而导致焊接处变形，而且由于厚板焊接接头残余应力较大，所以热导率比较低，热量积聚后不容易流失，导致高温过分集中。因此，焊接接头处的腐蚀性比较低。为了解决上述焊接接头处残余应力的问题，可以运用机加工对每一个焊接接口处加工出一个圆形槽口，从而释放焊接接口处残余应力，并且加速热量的流失。

3.内孔焊工艺和设备

内孔焊技术运用的是全位置数控脉冲自动氩弧焊设备，采用的是内孔焊机头，在焊接时，将机头深入到管孔的内部。由于采用的是自动化技术，因此，对电脑进行一定的编程设置，设置一定的脉冲电流和频率等焊接时的参数。采用这种内孔焊工艺和设备使得焊接处于高度自动化状态，因此，焊接的过程避免了人为的不稳定操作因素，使得焊接的质量比较高。某公司运用的是WZM1-400型管板全位置数控脉冲自动氩弧焊机。该台设备由内孔焊机头、可编程控制箱、遥控器、焊接电源与冷却系统等组成。

（1）内孔焊机头

送丝机、吊架、中心杆、定位环、调节盘和进气管共同构成了内孔焊机头。内孔焊机头的工作原理如下：一是焊接深度由调节盘控制，二是用焊嘴后部进行定位，三是电极旋转由微型电机带动，四是氩气通过送气管传输，五是设置好焊接工艺参数，六是进行全位置自动化焊接成形。

（2）遥控器

遥控器主要控制焊接的开始和停止、氩气传输的开始和停止、焊接机头的调整，保证焊接过程中的便利性和准确性。

（3）可编程控制箱

该可编程控制箱采用了先进的西门子CPU，屏幕为彩色，可进行触摸操作，全数字化显示，能够满足内孔焊技术中全部的参数设定要求。

（4）焊接电源

焊接电源采用的是Panasonic的YC-400TX型电源，质量安全可靠。

（5）冷却系统

冷却系统的功能是对焊接设备进行冷却，该冷却系统可以直接对焊嘴进行冷却，而且可以延长焊嘴的使用期限。

由于某公司的换热管与管板都是不锈钢材料，因此，为了确保进行内孔焊时不会让换热管与管板的背面受到氧化，专门在焊接时设置了氩气保护罩。具体操作是：对管板和壳程筒体先不进行焊接，而且还留有足够的空间，从而在焊接时有氩气保护罩的保护。

4.内孔焊焊接技术试验

在进行内孔焊焊接前，进行焊接技术试验，可以获得必要的焊接参数，从而在产品生产中积累足够的参数信息，以降低产品焊接不合格的发生率，而且通过大量的焊接试验，提高了产品质量技术规范，提高了焊接质量。

（1）模拟试验品的结构与尺寸

模拟试验品的结构与尺寸应当和需要生产的产品类似或者相同。

（2）获得焊接工艺的试验参数

不同类型的换热管，具有不同的焊接位置，有着相对应的焊接参数。内孔焊焊接技术的一般程序是：首先，按下遥控器启动按钮，传送氩气；其次，高频率起弧，起弧后在起弧点停留一会；再次，使用电弧将焊接区域预热，并建立合乎标准的熔池；然后，按下遥控器相应按钮，发出脉冲电流，并且让机头同时转动，围绕着焊接处焊接一圈后，脉冲电流开始减弱；最后，经过一段时间后，焊接机头停止转动，送气延时。通过反复的试验验证后，获得足够的焊接参数。

5.内孔焊技术的具体应用

以某公司生产低压反应水冷凝器的过程为例，阐述内孔焊技术的焊接流程及要求：

（1）将管板口及外表面的污渍、锈迹等杂质清洗干净，残余杂质将直接影响到焊接质量。

（2）将获得的焊接工艺试验参数进行设定，并根据具体的生产要求对参数进行调整。

（3）检查管路（水、气）是否通畅。

（4）对管板加固定位，以防止焊接过程中的变形。

（5）运用水平测量尺对管板是否垂直进行测量，让焊接接头根据管板的水平程度相应调节。

（6）对换热管与管板进行组装时，禁止全部组装完成后再予以焊接，而应该一根根组装、焊接。