管与管板焊前间断定位胀工艺研究

张建

摘 要：本文通过应力分析与试验验证，研究管与管板焊前间断定位胀的可行性及对后续焊接、胀接的影响，确定间断定位胀接方案。

关键词：管端定位；间断定位胀；胀度；拉脱力

中图分类号：TG457 文献标志码：A

0 概述

换热器是石油化工、能源冶炼等工业中十分重要的设备之一，通常应用于高温、高压、高腐蚀状态下，而对于换热器管子与管板连接处一直是整个设备最关键的环节之一，最容易发生破坏导致换热器泄漏失效，因此目前国际、国内不断地对管端连接方式进行研究，通常研究方向在于换热管与管板焊接、胀接，然而管端连接另一重要环节就是换热管与管板定位，其直接影响管端焊接、胀接质量。通过对管端固定的方法的研究、优化，保证后续的胀接或焊接质量，从而保证产品质量。

1 常规换热管与管板焊前定位工艺

钢管与管板焊接之前必须进行管端定位。定位可以使待焊管子装配牢固，以免吊装、焊接时发生错位串动。常规方法有定位焊、扩口、定位胀接。

1.1 定位焊：定位焊为目前普遍使用的换热管与管板定位方法，一般采用钨极氩弧焊不填丝将管端与管板自熔焊接，形成融合点状焊缝，此种方法最大优点就是效率高、成本低，但是钨极氩弧焊定位也存在一定缺点：①由于对于某些结构限制，定位焊在后序加工中不易被去除，因此在换热管与管板密封焊接时，造成焊缝叠加。②点焊定位容易将钢管壁厚击穿，尤其对于薄壁钢管操作难度很大。③虽然点固焊点固的区域相对较小，但其方位和长度都会影响到焊接变形和剩余应力散布。④对于换热管装配有斜度的，由于定位焊无法有效控制换热管与管孔之间存在装配间隙，影响后序胀接质量。

1.2 冲头扩口：此种方法采用锥角为60°的冲头轻度扩口，适用于管端纯胀，对于管孔有坡口焊接的无法使用，且在实际操作做效率较低。

1.3 定位胀：由于受钢管尺寸公差与管孔加工公差影响，对于定位胀胀接力控制非常困难，若胀接力过小会导致存在贴合不上情况，若胀接力过大，会完全消除管与管板间隙，贴合过紧，在焊缝过程中，气体还未能及时逸出焊缝表面，从而在焊缝内部形成气孔。因此定位胀的控制成为它的一个难点。

2 间断定位胀

针对在不伤及换热管前提下，既要保证换热管与管板贴合牢固，又要保证不影响后续管端焊接与胀接，因此研究管端間断定位胀方法。所谓间断定位胀不同于传统定位胀方法，既保证实现管与管板贴合固定，又能留有一定间隙空间，保证后序焊接气体排放通道，间断定位胀采用5点定位胀接形式，并配有驱动装置通过PLC对胀接力进行控制：依照螺旋副原理，通过旋转塔形阿基米德螺旋体移动锥体使5个胀接头作径向位移，使其与换热管内孔接触，将推进杆芯距离反馈给PLC，经过换算对内孔尺寸进行控制，5个胀接头接触面应为圆弧形，并镶硬质合金，能够更好地保证换热管与管板贴合。

3 定位胀接试验与分析

3.1 胀度与拉脱力试验比较。由于GB151—2014《热交换器》标准中要求贴胀胀度宜控制在2%～3%，因此对于间断定位胀接胀度不应超过2%或控制在更小范围内，以减小对后续管端焊接、胀接影响（见表1），胀度变化与管端拉脱力成正比例变化，若胀度较小，则管端能够承受的拉脱力值也非常小，无法满足要求，因此考虑采用管孔刻加强槽方法增大换热管与管板拉脱力，因此在间断胀接区域覆盖宽度为3mm，深度在0.3mm～0.5mm的浅槽，采用此方法间断胀接后钢管胀度、拉脱力进行比较分析，见表1，从图中明显看出在胀度基本不变的前提下，管端拉脱力明显提升。

3.2 对管端焊接影响试验。对间断定位胀后的管端分别采用焊条电弧焊与乌极氩弧焊进行焊接，焊后进行外观检查、渗透检查、截面检查均合格。

3.3 对管端胀接的影响。通过模拟软件对间断定位胀进行静态应力分析（图1），所示间断胀接在后续管与管板胀接中被覆盖，因此相对于钢管局部位置发生二次胀接，由于在系统运行时，钢管受震动、冲刷腐蚀、疲劳载荷、温度变化等应影响，二次胀接位置相对于其他部位存在较大残余应力，容易产生应力腐蚀，且胀接受力分布不均，因此很容易导致胀接失效，由于间断胀接已经使换热管与管孔局部贴合（如图1（a）所示），再二次胀接时原非胀接区域的线性膨胀会使换热管在加强槽边缘发生应力集中（如图1（b）所示），对管端连接可靠性产生严重影响。为解决此问题将间断胀接位置移至管端焊接与胀接中间不胀区域（如图1（c）所示），利用此方法可有效解决胀接叠加对换热管影响，由于胀焊管端，间断胀接会有效抵挡后续胀接产生的残余应力对管端焊接的影响，对管端焊接起到重要的保护作用，如图1（d）所示。

结论

通过对换热管与管板焊前定位工艺比较，可以看出管端间断定位胀相对于其他方法有着明显优势，经过有限元软件分析与试验验证，确定在实际生产中间断胀接是可行的，因此对管端定位间断胀接质量的严格控制，能够更好地为管端连接质量打好基础、提供保障。

参考文献

[1]李翔，彭云杰，于英琪.换热器产品管子与管板焊前定位方式探讨[J].锅炉制造，2013（3）：60-62.

[2]朱天厚.用普通胀管器进行定位胀[J].施工技术，1990（3）：23-25.