管壳式换热器管—管板焊接工艺的相关研究

宫宇帝　周漪

摘 要：管壳式换热器管-管板连接中采用了焊接工艺，目的是提高换热器管与管板的连接质量。焊接在管壳式换热器管-管板连接中具有一定的效益，其可加强管-管板的连接，避免出现裂缝、断裂的问题，维护了管壳式换热器的整体效果，体现焊接工艺的实践效益。本文主要以管壳式换热器为研究对象，探讨换热器管-管板焊接的相关工艺。

关键词：管壳式；换热器管；管板；焊接工艺

中图分类号：TQ051.5 文献标志码：A

换热器的工作环境比较特殊，基本处于腐蚀、摩擦和高压的环境中，换热器工作时还会面临着温差应力。换热器在工作环境的影响下，管壳式换热器管-管板处容易发生泄漏，引起换热器失效，严重时还会出现爆炸的风险。焊接是连接换热器管-管板的有效方法，而且焊接的操作要求低、紧密性好，其可保障换热器管-管板焊接的优质性。

1 结构焊接

管壳式换热器管-管板中的结构焊接是重要的工作，本文主要从以下两个方面探讨结构焊接的工艺操作。

1.1 准备工作

管壳式换热器管-管板焊接之前的准备工作中，需要清理焊接结构位置上的附着物，包括锈迹、油污、毛刺等，以免影响焊接的效果。管-管板焊接组对时应该先焊接左侧管板，点固焊的位置要和工艺评定的位置相同，点固之后换热器结构要立放在焊接位置，按照现场换热器的摆放实况加固，加固时可以搭接脚手架，或者埋入地坑中，简化焊接的操作过程。

1.2 焊接方法

管壳式换热器管-管板焊接时根据焊接工艺评定的工艺参数安排施焊工作，此时焊工要先焊接右侧管板，管板上的每个管孔在划分焊接区域时需要按照定距管的位置，建议规划为8个区域，具体的规划方式如下图1，每个区域中的焊接单元里会包括3个管孔，以管板中心为原则，最先焊接靠近管板的地方，之后需要错相邻单元去焊接另外的单元，逐步推进到管板外侧，以此类推焊接到区域最外侧的单元，接下来以对称的方法焊接相关区域，完成整个区域第一遍焊接工作，根据图1规划了焊接的顺序，即：1→5→3→7→2→6→4→8，第一遍焊接工作完成后，再次从首个区域按照单元错开焊接的方法进行第二遍焊接，结束焊接。管壳式换热器管-管板结构焊接时需要把热量应力控制在最小的范围中，而且要尽量减少应力对焊接结构的作用力，防止管板出现焊接变形的问题，由此提高了焊接的操作水平。焊接中禁止出现变形，以免干预管壳式换热器的密封效果。

2 接头焊接

本文以案例的方式分析管壳式换热器管-管板接头位置的焊接操作，具体分析如下。

2.1 结构

该案例中管壳式换热器包含两个独立的空间结构，管-管板的焊缝把管壳式换热器分成了管程、壳程两个结构，管程是指管式换热器的两端管箱与换热管空间，壳程是指筒体以及换热管的外层结构。

2.2 管板

管板结构是管壳式换热器的核心，负责支撑管程与壳程工作时的载荷，承载负荷的能力非常高。管板上分布着诸多管孔，案例中管孔孔径是8.15mm，相邻管孔的间距是12mm，孔桥的参数范围是3mm～3.7mm。

2.3 管-管板

管壳式换热器管-管板接头焊接是一项复杂的连接工艺，焊接过程中需要把控好管程、壳程、温差的作用力，防止焊接时有失效的情况，尽量不要有返修的情况。管壳式换热器管-管板接头焊接时要注意规范要求，该案例中专门规定了管-板接头的焊接要求，如：管-管板接头位置的焊缝必须达到均匀的状态，焊缝的根部要熔合起来，确保焊缝的厚度可以达到设计的标准。管壳式换热器的结构壁非常薄，厚度仅为1.5mm，焊接期间控制好熔池体积，防止换热管直径向内收缩，换热管直径稳定可以保障管程介质流动的有效性，不会干预换热器的换热效果。管-管板接头焊接时应该把控好热输入的操作，进而控制好熔池形状。管板与管壳式换热器管两种结构的厚度不同，其在散热上也存在着差异，如果焊接中采用相同的热输入，此时管板如果处于刚刚熔化的状态，换热管就可能处于烧毁的状态，无法保障管板焊接的顺利进行，管-管板焊接时应该把控焊枪倾角，按照比例分配好管-管板接头位置的焊接热比例。

2.4 焊接试验

案例中在管壳式换热器管-管板焊接中选择了试验试件，采用试验的方法评定焊接工艺。管壳式换热器管-管板试件要根据《压力容器》的规定选择，其规格尺寸是55mm×45mm×25mm，焊接试验中要在试件上钻入10个孔，直径基本控制在8.15mm左右，孔中心距离12mm，换热管试件的规格是8mm×1.5mm，长度要大于200mm，接头位置采用端面环形焊接的连接方式，管端位置伸出管孔的实际长度不能多于2mm，控制好伸出管孔的長度，预防管壁过烧的情况。

案例中采用了脉冲TIG焊接的方法，管壳式换热器管-管板试件焊接时运用脉冲式加热的条件，此类方法焊接时熔池温度时间比较短，试件也会在短时间内冷却，最主要的是具备优质的电弧挺度，脉冲焊接可以把能量集中在焊接接头位置。该焊接试验中，管-管板试件的焊接工艺中控制好钨极、管板，管-管板焊接的接缝位置需要较小宽度的焊缝以及较大的熔深，就要采取规格是2.5mm的钨极，满足管-管板试件接头的焊接需求。

该案例经过多次试验后汇总了管壳式换热器管-管板焊接的工艺参数，如：送气时间3s，预热时间2s～3s，预热电流60A～70A，峰值电流115A～120A，峰值时间为190ms～200ms，基值电流55A～60A，基值时间180s～200s，焊接速度95mm·min-1～101mm·min-1，电流衰减3s，气体流量8L·min-1～10L·min-1，按照此类参数在管式换热器管-管板焊接中安排脉冲TIG焊接。焊接时气枪以起焊点为开始的方向，按照顺时针的顺序执行，焊接时钨极和管轴线之间的夹角不能超过20°，一定要防止夹角过大，促使热量能够传递到换热管壁中，防止出现烧毁的情况。

3 焊接控制

管壳式换热器管-管板焊接工艺控制中，最先要控制好焊接的工艺和时间，换热器组织之前安排好管-管板焊接工作，检查焊接长度是否合理，不能随意更改管-管板的焊接位置。焊接时还要控制好速度，焊条结束焊接缝隙后要在四孔的三角区进行熄弧，下次引弧也要在三角区内实行，观察到焊接漏点与裂纹之后需要安排补焊操作，待焊接工序完成后再焊接一道，以此来维护管-管板焊接的稳固性。

结语

在管壳式换热器管-管板焊接工艺分为结构焊接、接头焊接两个部分，采取焊接控制的方法把控换热器管-管板的焊接过程，保障焊接的质量水平，更重要的是强调管壳式换热器管-管板焊接连接的效果，促使管壳式换热器能够适应恶劣的环境，抵抗环境的腐蚀、摩擦以及高压，始终保持着管壳式换热器管-管板连接的稳定性。

参考文献

[1]王昆.管壳式换热器管-管板焊接工艺[J].焊接技术，2015，44（7）：82-84.