铜制U形换热器制造焊接技术的研究

鲍碧霞,王昌盛

(宁波明欣化工机械有限责任公司，浙江宁波 315202)

0 引言

铜制换热器是电力、化工行业中常用的热传导设备，其制造难度大，质量较难保证，在使用中易发生泄漏。由于铜和不锈钢的物理性能差异性非常大，两者间的可焊接性，传统铜制换热器管板与铜管连接方式主要为强度胀接，强度胀接的接头密封性能主要取决于管板孔径、沟槽宽度及深度，以及换热管自身外径，而实际生产过程中往往会产生偏差，换热管与管板胀接时出现过胀、欠胀，导致设备在投入使用中发生泄漏。因此改进的制造工艺十分必要。通过对某公司铜换热器的制造，经过反复试验，最终确定采用强度焊+贴胀的新型制造工艺。

1 设备概况

该设备采用U形换热管管束，按GB/T 151—2014《热交换器》[1]进行设计，产品结构如图1所示，管板与换热管连接结构如图2所示。

换热管与管板焊接接头型式不按比例，主要技术参数见表1，设备壳程、管程等主体材料如表2所示。

图1 换热器结构示意

图2 管板与换热管连接示意

表1 设备技术参数

表2 设备主体材料

1)3为堆焊层厚度，mm

2 制造过程

2.1 工艺方案的制定

(1)方案1。强度胀一般要求管板表面硬度大于换热管30HB为最佳状态，但管板材料为S30408,铜管材料为TP1，材料S30408硬度远高于TP1，为验证强度胀是否能达到预期效果，进行了第一组试验。采用∅19 mm×1.2 mm铜管TP1，管板S30408，厚度45 mm。采用机械胀，胀度控制在6%～8%，按管壁减薄率理论计算胀后内径为17.06～17.11 mm进行胀接，最终胀接各管口内径约17.15～17.24 mm，均为过胀。试验管板结构如图3所示。按TSG 21—2016[2]和GB/T 150—2011[3]进行1.5 MPa水压试验，在加压过程中已出现泄漏，如图4所示。初步判断可能在试验制造过程中存在其他的影响因素，本次试验失败。考虑到此现象有可能在实际产品中出现，为保证产品质量，拟采用其他方法。

(2)方案2。借鉴其他单位制造经验，拟在胀管前在铜管与管板间隙填塞金属胶水，然后进行强度胀。但对于这类金属,胶水稳定性无试验数据支撑，且对胶水在长期高温下使用是否稳定存在顾虑。

(3)方案3。S30408管板与TP1铜管焊接+贴胀。采用ERNiCu-7氩弧焊焊丝进行焊接，焊接中，在不填丝情况下，接头无法熔合。填丝时，需把握较好的电弧角度和送丝角度才能实现管板接头完全连接，操作难度非常大。在试验后仍有1/4的接头存在泄漏，缺陷均为裂纹和未熔合。采用此方案，操作难度大，而且返修率较高。

图3 试验用管板结构示意

(a)装配图

(b)试验现场

(4)方案4。在S30408管板上堆焊一层镍基焊材，铜与镍合金的可焊接性比与不锈钢的好。试验采用在S30408管板上堆焊一层厚度4～5 mm的Ni307B，加工后有效厚度3 mm。试验坡口参考图2，管板厚度(45+3) mm。进行手工GTAW焊接和贴胀，水压试验4 MPa时未发现接头有泄漏，接头密封性符合要求。同时为验证工艺性能和焊透性，按NB/T 47014—2011[4]进行了焊接工艺评定。S30408堆焊Ni307B,表面渗透检测合格，侧弯无裂纹，合格(见图5)。换热管管板接头按NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》附录D进行评定，焊接接头表面渗透检测合格，8个面宏观金相检验均合格，角焊缝厚度达到要求(见图6)。

图5 侧弯试件

图6 换热管接头照片

2.2 制造工艺的选取

对上述方案进行分析，方案1：对强度胀要求极高，且须保证管板管孔、换热管厚度、外径在极严格的公差范围内，较难控制；方案2：对金属胶稳定性无试验数据支撑；方案3：可行，但返修率较高；方案4：通过堆镍铜管与管板焊接接头较好的连接性，且通过了耐压试验。因此选取方案4进行制造，方案可行，且返修率较低。

2.3 产品制造工艺

实际制造过程中考虑整块管板堆焊会发生变形，在管板毛坯表面预留高度3～4 mm的圆弧形凸台。堆焊完成后，管板整体向凸台方向变形，管板堆焊表面水平，如图7所示。

图7 管板堆焊方向及变形方向示意

堆焊时严格控制焊接方向，每圈焊道均为同心圆，且堆焊方向统一为顺时针方向；堆焊完成后，表面进行100%渗透，合格。对管板表面和背面进行金加工、钻孔、加工密封面，达到图纸要求。不锈钢与镍焊接易形成热裂纹，且在管板堆焊中，外径方向变形加大，焊接应力会加剧热裂纹的产生。因此，手工堆焊Ni307B过程中，需严格控制道间温度，堆焊1～2层；如发现产生裂纹，需完全打磨去除缺陷后补焊[5-11]。

管板焊接接头采用手工钨极氩弧焊，不宜采用管板自动焊。手工钨极氩弧焊可灵活调节电弧高度、方向、送丝角度等，熔合较好；而管板自动焊，当装配间隙偏大或偏小、管口端面不平整时极易造成未熔合，见图8，9。完成后对管板角焊缝进行100%PT，按NB/T 47013.5—2011评定合格，而后进行贴胀。

图8 手工钨极氩弧焊试件

图9 管板自动焊试件

换热器壳程、管程按照常规压力容器产品进行制作。

在S30408堆焊镍基材料时，焊工需要按照TSG Z6002—2010《特种设备焊接操作人员考核细则》取得FeⅣ堆焊镍基焊条资格；管板焊接接头焊工需要取得FeⅣ与铜及铜合金相焊的焊接资格(填充焊丝类别为镍及镍合金焊丝)。

3 检测及耐压试验

按照图纸要求装配设备壳程、管程，对换热器壳程、管程分别进行1.32，1.25 MPa耐压试验，均合格，产品制造符合要求。

4 结语

本研究成功完成了铜制换热器的制作，主要采用强度焊+贴胀的新型工艺，其可操作性及稳定性均得到提高，更好地保证了产品质量。另外，铜制换热器中采用强度焊+贴胀工艺，使铜管塑性变形较小，损坏较少，避免采用强度胀工艺时铜管在沟槽部位塑性变形较大而产生拉裂的现象。不锈钢堆焊镍基合金后与铜的可焊接性明显改善，但不锈钢堆焊镍基合金焊材时，必须严格控制道间温度(不宜超过150 ℃)。铜管与堆焊镍基的管板宜采用手工钨极氩弧焊，更易保证焊缝质量。