低压分解塔上管板换热管角焊缝焊接优化方案

李立东

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

低压分解塔是尿素生产低压分解工序中的重要设备之一，其作用是将中压工段输送来的尿素溶液在其内部经过低压蒸汽加热，将尿素溶液中的甲铵分解为NH3和CO2，从而使尿素溶液进一步浓缩。

低压分解塔可分为三部分：塔顶部为蒸馏段，塔中部为管壳式换热器段，塔底部为填料分解段。尿素溶液经蒸馏段后进入换热器段上管箱，通过上管板换热管顶部的旋流器将其导入各自的换热管中，并在换热管内形成液膜，被壳程中的低压蒸汽加热到135～138℃后，尿素溶液中残留的甲铵将会进一步分解成NH3和CO2。

1 上管板换热管角焊缝焊接问题

由于尿素溶液需要通过换热管顶部的旋流器导入换热管中，因此设计时换热管需要高出上管板表面20mm(见图1)。换热管规格为φ31.8mm×2.0mm，正三角形排列，换热管中心距为42mm，名义孔桥宽度为9.7mm。换热管管头角焊缝焊接用的氩弧焊枪钨极直径为3mm，喷嘴直径约为10mm，如果按照常规组装顺序，将所有的换热管穿进管板并调整好外伸长度后，换热管角焊缝采用常规的氩弧焊将无法进行焊接(见图2)，需要增加焊枪钨极长度才能满足焊接操作条件。而选用手工钨极氩弧焊进行角焊缝焊接，焊枪钨极伸出长度为7～8mm较好[1]。增加钨极长度会加大喷嘴与工件之间的距离，喷嘴与工件距离越大，氩气对焊接区的保护效果就越差，而增大氩气流量虽然能加强氩气保护效果，但当氩气流量太大时，也会产生紊流，焊接时空气会被卷入，空气中的氧和氮就会对焊缝的焊接质量产生较大的影响。

图1 上管板换热管与其顶部的旋流器

图2 上管板换热管模拟焊接示意

由于金属在加热到很高温度时非常容易氧化，致使焊缝金属及其合金元素迅速被氧化而形成氧化物，氧对焊接质量的主要影响有以下3点[1]：①使焊缝金属及合金元素被烧损，造成焊缝的力学性能下降；②飞溅严重，容易形成气孔和夹渣；③焊接某些合金时，在熔池表面生成的难熔氧化物将阻碍焊接冶金反应的正常进行和熔渣的浮出，造成焊接困难。

氮对焊缝金属的主要影响有以下3点[1]：①对力学性能的影响，氮提高了焊缝金属强度，但会降低其塑性和韧性；②容易形成气孔；③引起焊缝时效脆化。

由于尿素溶液中的甲铵有较强的腐蚀性，甲铵对不锈钢的腐蚀形态可分为晶界优先型均匀腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀和刀口腐蚀[2]。因此，如果焊接过程中氩气没有对焊接区进行有效的保护，就会形成质量较差的焊缝。设备在运行过程中，换热管与管板之间的角焊缝可能会因甲铵的腐蚀而发生泄漏，进而影响设备长期稳定地运行。因此，不能仅采用加长焊枪钨极伸出长度的方式来完成上管板与换热管管头角焊缝的焊接，需要制定完善的焊接方案来保证上管板换热管管头角焊缝的焊接质量。

2 上管板换热管管头角焊缝的焊接方案

为了保证上管板换热管管头角焊缝的焊接质量，从焊接操作空间及氩气保护效果两个方向出发，制定完善的焊接方案。

(1)焊接前坡口清理。换热管焊接前应采用丙酮对焊接坡口进行清洁处理，保证坡口的待焊表面没有氧化膜、油污、水分等杂质，以免影响管头角焊缝的焊接质量。

(2)调整上管板奇数列换热管的外伸长度，使其高出管板25mm(留有5mm加工余量)，并保证下管板相对应列的换热管外伸长度满足图纸设计要求(外伸5mm)，将上下管板相对应的奇数列换热管点焊固定，再将上管板偶数列换热管长度调整为不高于管板表面，这样就可以保证上管板奇数列换热管有足够的焊接空间(见图3)，不需要加长氩弧焊枪的钨极长度就可以进行焊接操作。

图3 上管板奇数排换热管外伸长度调整

(3)严格按照焊接工艺规程对上管板奇数列换热管管头进行焊接(见图4)。焊接时，顺序应遵循由内向外辐射式焊接，还应间隔一个管口进行焊接，这样可以有效控制管板的变形量。上管板奇数列换热管焊接完成之后，按照同样的焊接顺序将下管板相对应的奇数列换热管焊接完成。

(4)将上管板偶数列的换热管，按照每间隔一根换热管的方式将其外伸长度调整好，点焊固定，上管板偶数列的其余换热管保持管端不高于管板表面。严格按照焊接工艺规程，将上下管板外伸长度调整好的偶数列换热管完成焊接(见图5)，焊接时设备进行了旋转。

图4 上管板奇数排换热管焊接

图5 上管板偶数列换热管焊接

(5)将上管板偶数列剩余换热管的外伸长度调整好并点焊固定，此时上管板所有换热管的外伸长度均被调整为25mm，需要增加焊枪钨极长度才能进行焊接操作。将下管板剩余换热管全部焊接完成，并用密封塞进行密封，之后在上管板端加装气体保护罩。将筒体内充入氩气，待设备内空气被置换完成之后，增加氩弧焊枪的钨极长度，使其满足焊接操作条件，开始焊接上管板剩余换热管管头角焊缝，由于焊接全过程均在氩气保护的环境下进行，因此能够保证换热管与管板之间角焊缝的焊接质量满足设计要求(见图6)。

(6)换热管全部焊接完成且无损检测合格后，用镗床镗掉上管板换热管的加工裕量，保证上管板换热管端部平齐。

图6 上管板偶数列剩余换热管的焊接

3 结语

由于低压分解塔上管板换热管外伸长度过长，孔桥宽度小，按照常规换热器组装的顺序，将所有换热管穿进上管板并调整好外伸长度后，换热管与管板间的角焊缝采用常规的氩弧焊将无法进行焊接。本文采用换热管错排焊接的方式，保证上管板绝大部分换热管有足够的焊接空间，可以采用常规氩弧焊进行焊接。剩余少量换热管通过采用加长焊枪钨极长度和上管板端部使用气体保护罩相结合的方式，有效地解决了上管板换热管无法用常规氩弧焊焊接的问题，并且保证了换热管的焊接质量。