换热管与管板先胀后焊工艺焊接方案优化

尹 琳，江见福

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

换热器中换热管与管板的焊接接头，是最常见的泄漏点之一。换热管与管板焊接接头质量直接影响到换热器的使用性能及寿命，有时甚至涉及整个装置的运行。因此，换热管与管板焊接接头是整个换热器制造过程的关键工序。

换热管与管板的连接方式可分为强度焊接、强度胀接和胀焊并用[1]。其中,胀焊并用的胀接、焊接次序分为先焊后胀和先胀后焊，目前先焊后胀的制造次序选用最为广泛，但是对于先胀后焊焊接方法的介绍和讨论较为少见，很多制造厂也缺少相关的制造经验。

本文将以某合成氨项目的变换气锅炉给水预热器为例，对其换热管与管板的连接方式的选用、制造过程中出现的问题及焊接方案改进优化进行讨论。

1 设备特点

变换气锅炉给水预热器为合成氨装置中的关键设备，壳程介质为来自变换工序的变换气，利用变换气多余的热量对管程的锅炉给水进行加热，变换气温度由227.8℃降至约166.4℃，再进入后续的CO2脱除工序，壳程设计压力4.28MPa，管程设计压力17.2MPa，是一台典型的高压设备，设备结构形式见图1。

图1 设备结构形式

2 换热管与管板连接形式选择及相关问题

壳程介质包含24.03%的H2O和13.77% CO2，存在碳酸腐蚀[2]，管程介质为锅炉给水。壳程筒体材料为SA-516Gr.70+304L复合板，管程筒体材料为SA-516Gr.70，换热管材料为SA-213 TP304L，为了避免壳程介质对管板的腐蚀，管板需要使用不锈钢，但是考虑到管程为高压且设计温度为275℃，若管板采用SA-965 F304L材料，那么不锈钢管板与碳钢管箱焊接为异种钢焊接，在如此高温高压情况下，异种钢焊接接头存在开裂风险，且管板厚度将达到500mm以上，经济性差，因此,管板选用SA-266+304L(双面堆焊)(见图2)。

图2 换热管与管板连接结构

管板壳侧堆焊304L+胀接可以防止壳侧介质进入管板管孔腐蚀管板基层，管侧堆焊304L避免了碳钢管板与不锈钢换热管的异种钢焊接。为了检验壳侧胀接质量的可靠性，换热管与管板的胀焊次序为：①对壳侧50mm换热管进行强度胀；②对壳侧进行氨检漏试验并要求检测合格；③继续进行中间贴胀和管侧强度胀；④进行换热管与管板的焊接。

制造厂焊接采用氩弧气体保护焊，分为如下两步：①氩弧自熔打底焊(不填丝)；②填丝氩弧焊。

上述胀焊次序均顺利完成，在换热管与管板焊进行氩弧自熔打底焊时，总共2 592个管头，其中约20个管头出现气孔并进行了补焊，最终PT合格，但是在后续进行填丝氩弧焊时，在焊接的695个管头中，检测出43个气孔缺陷，缺陷检出率达到6%以上，气孔照片见图3。对壳侧进行气密性试验，检测换热管与管板焊缝，刷肥皂水时部分气孔出现了气泡(见图4)，说明换热管的焊接影响了强度胀接密封的可靠性。

图3 管头焊缝气孔

图4 管头焊缝气密试验

对其中几处气孔进行打磨，发现气孔为贯穿气孔(见图5)。

图5 气孔打磨照片

3 问题分析及焊接方案优化

3.1 存在的问题

由于换热管采用先胀后焊的形式，在换热管与管板焊接时，换热管与管板的间隙在壳侧方向已经封死，换热管与管板的间隙中的空气急速受热，导致气体温度升高，体积急速膨胀，在换热管与管板的焊缝将要封口的时候，膨胀的空气产生气爆冲破焊缝熔池形成气孔。根据现场气孔产生的位置分析,基本在焊缝收弧处正好满足以上结论。

根据以上气孔产生的原理，推测焊缝可能存在未表现出来的缺陷，即存在未贯穿焊缝表面的气孔，因此,对换热管与管板的焊接环境与过程进行了模拟，对模拟试件进行切割焊缝截面并检测，发现焊缝存在以下几种缺陷：①贯穿型气孔；②未贯穿的表面气孔；③位于熔池内部未表现出来的气孔。模拟试件气孔照片见图6。

图6 模拟试件气孔照片

3.2 优化方案

鉴于以上情况及气孔产生的原理，对焊接方案进行了如下的改进优化。

(1)打底层填丝焊接：为了避免一次热输入量过大，导致气体体积急速膨胀影响焊接质量，焊接严格按照列与列、行与行分开跳焊的方式，每个管孔分5段焊接完成，且每个管孔预留3～5mm左右缺口不焊，便于气体排出。

(2)盖面层填丝焊接：盖面层的焊接按照打底层的焊接方式，严格按照列与列、行与行分开跳焊，每个管孔分3段焊接完成，尽量减少接头,且引弧点、收弧点与打底层错开，打底层预留的缺口仍然不焊，便于气体排出。

(3)盖面层全部焊接完成后，缺口处的焊接也采用多层跳焊的方式进行封口焊接，分两次填丝焊接完成。

为了验证优化焊接方案的可靠性，进行了如下模拟实验。

实验要求模拟缺陷产生及返修的全过程，模拟出换热管焊缝气孔，并按上述步骤对气孔进行返修。图7为模拟返修后换热管焊缝剖面,图8为返修后焊缝的RT检测结果，未发现缺陷。

图7 模拟试件剖面

图8 模拟焊缝RT检测结果

以上结果说明优化方案可行。在产品上对焊接缺陷进行整改的步骤如下。

(1)挖除所有焊肉，露出换热管与管板之间的间隙，确定清除掉所有可能存在的缺陷。

(2)按前文提出的优化方案进行管头焊接。

(3)对管头焊缝进行100%PT+氦检漏，确定焊缝质量的可靠性。

按照上述返修方案，对设备进行了管头焊缝的返修，相关检测合格，这也在产品上证明了优化焊接方案的可行性。图9为氦检漏现场。

图9 氦检测焊缝可靠性

由于管头焊接对胀接密封的可靠性有破坏，鉴于第一次强度胀后，氨检漏合格，在管头焊接合格后，对换热管靠壳侧50mm再次按照先前的胀接工艺进行了强度胀接，避免壳侧介质进入管孔内部。

4 结语

换热管与管板先胀后焊时，由于管孔缝隙间的空气膨胀穿透焊缝熔池，焊缝容易出现气孔缺陷，目前关于先胀后焊的焊接方案的介绍和讨论还比较少见，大部分制造厂先胀后焊的焊接经验也不足。

但是换热器在石油、化工等行业应用非常广泛，由于介质、结构等原因，换热管与管板的连接方式需要选择强度焊+强度胀，且要求胀接的密封性，并进行先胀后焊。另外，在设备管头焊缝返修过程中，也时常会遇到换热管已经胀接，对管头焊缝进行返修的情况。

本文根据设备实例，针对先胀后焊过程中焊缝缺陷产生的原因进行了分析，将一般的焊接方案进行了优化，通过模拟实验和产品检验结果验证了本文优化焊接方案的可行性，为需要先胀后焊的换热器制造提供借鉴参考。