冷凝器換熱管/導(dǎo)流管深孔焊接試驗(yàn)與應(yīng)用

牛仲凱

1. 概述

我公司承接的某裝置EO氣提塔再吸收塔內(nèi)部冷凝器，其規(guī)格為φ4200/φ2900mm，厚度為30mm，重量為87t，殼體材料為16MnR, 厚度為30mm，換熱管為雙相不銹鋼材料2205，規(guī)格為φ38.1mm×1.65mm，共有3 227根。管板材料為16Mn鍛件堆焊H308L，管板厚度（127+10）mm，換熱管與管板采用強(qiáng)度焊+貼脹的連接方式。該設(shè)備管程介質(zhì)為EO+C2H4，EO屬于高度毒性的易燃介質(zhì)，下管板位置濃度為58%。設(shè)備是塔體的中間段，上下管板需分別與塔體的上下段焊接。

該設(shè)備制造難點(diǎn)之一就是設(shè)備下管板處的換熱管與導(dǎo)流管的焊接。根據(jù)設(shè)計(jì)換熱管在下管板伸出長(zhǎng)度為10mm，在伸出的管端再焊接一個(gè)導(dǎo)流管，長(zhǎng)度為177mm，直段部分長(zhǎng)度為35mm。該導(dǎo)流管的材料、規(guī)格與換熱管相同，設(shè)計(jì)要求為對(duì)接焊縫必須焊透，內(nèi)部必須光滑，不允許有未熔合、未焊透、凹陷及咬邊等缺陷，否則可能導(dǎo)致EO在縫隙或尖銳突出或凹坑內(nèi)產(chǎn)生凝聚，堵塞換熱管，引起安全生產(chǎn)事故。由于管子排列密集，導(dǎo)流管長(zhǎng)度較大，管壁薄，故采用常規(guī)的焊接方法不可能保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。如何完成導(dǎo)流管與換熱管的焊接，成為設(shè)備制造的一個(gè)關(guān)鍵。下管板與換熱管、導(dǎo)流管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 導(dǎo)流管與下管板、換熱管結(jié)構(gòu)

2. 焊接試驗(yàn)與研究

（1）焊接方法的選擇 管子的材料為2205，規(guī)格為φ38.1mm×1.65mm，管壁相對(duì)較薄，對(duì)電流的承受能力較低，無法使用普通的焊條電弧焊，即使普通手工鎢極氬弧焊也很難保證不被熔穿；另外，換熱管的間距小，管橋僅9.7mm，導(dǎo)流管伸出177mm，手工鎢極氬弧焊焊槍不能深入其中；同時(shí)由于壁厚小，添加焊絲后容易出現(xiàn)焊縫余高增加，所以選用直邊坡口，不留間隙的接頭形式。為了避免焊接過程母材燒穿的產(chǎn)生，選用脈沖鎢極氬弧焊的方法，可使母材在焊接過程中采用基值電流時(shí)熔池較快凝固，得到暫時(shí)的冷卻，避免熱量集中將管壁熔穿。因此，選擇自動(dòng)脈沖鎢極氬弧焊的焊接方法能保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。

（2）焊接設(shè)備的選擇 根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)導(dǎo)流管點(diǎn)焊后受到相鄰已焊接完的導(dǎo)流管影響，無法從外部焊接整道焊縫，只有采用內(nèi)孔焊接方法將鎢極伸入到管子內(nèi)部，調(diào)試出合理的焊接參數(shù)，從內(nèi)側(cè)向外部熔焊，才能保證整道焊縫的熔透性和表面質(zhì)量。為此我們利用公司現(xiàn)有的鎢極自動(dòng)氬弧焊機(jī)的電源和焊接機(jī)架部分，電源為WMZ1—315，能夠輸出脈沖電流，電流的可調(diào)節(jié)范圍為：10~315A；焊接機(jī)架為龍門式結(jié)構(gòu)上安裝上下左右可調(diào)節(jié)的焊接機(jī)頭支撐機(jī)構(gòu)。由于本次焊接接頭的焊縫深度為177mm，必須選擇制造深度內(nèi)孔焊機(jī)頭才能滿足要求，機(jī)頭應(yīng)該考慮焊縫的深度定位和中心定位。我們與某公司合作開發(fā)了一套適合本設(shè)備結(jié)構(gòu)的內(nèi)孔焊機(jī)頭，配合電源和機(jī)架組成一套焊接設(shè)備。該焊接機(jī)頭由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、氬氣管路、中心桿、定位塊、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成（見圖2）。

圖2 焊接機(jī)頭

（3）換熱管與管板焊接的實(shí)體模型（MOCK UP）試驗(yàn) 實(shí)體模型的材料、管板厚度、換熱管、坡口形式尺寸及導(dǎo)流管尺寸完全模擬設(shè)備。實(shí)體模型結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過對(duì)實(shí)體模型的焊接和相關(guān)的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一些問題并逐步完善焊接工藝，制作和改進(jìn)焊接工裝，最終形成了良好的外觀成形和焊接工藝。

我們制作了300mm×300mm，厚度為（127+100）mm的模擬試件兩件，按照管板的換熱管布管尺寸鉆32個(gè)管孔，換熱管材料和規(guī)格、伸出長(zhǎng)度完全按照產(chǎn)品來制作。

第一，換熱管與管板的焊接，采用與設(shè)備焊接完全相同的焊接工藝來施焊，采用手工焊接。

第二，導(dǎo)流管與換熱管的焊接，組對(duì)過程嚴(yán)格保證質(zhì)量，導(dǎo)流管和換熱管中心線偏差＜0.5mm，斜管的切口方位和參考方位的角度偏差＜2°，焊縫距離管板表面為（10+2）mm，組對(duì)和定位焊需要適當(dāng)?shù)墓ぱb夾具來防止錯(cuò)位和錯(cuò)配。

為保證組對(duì)質(zhì)量，我們特制了組對(duì)工裝夾具，使每次的組對(duì)能保證同心度的要求；在焊接過程中我們研制了外部的防氧化保護(hù)罩，防止接頭外部表面在焊接中的高溫氧化。由于焊接過程中焊工無法對(duì)焊接過程進(jìn)行控制，這就要求鎢極與焊縫的相對(duì)位置、距離必須要一致，為此我們也研制了相應(yīng)的工裝和方法。

第三，焊接完畢使用內(nèi)窺鏡對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行檢查，鏜磨內(nèi)壁焊縫，保證鏜磨后焊縫表面沒有可見的焊接缺陷，不允許有裂縫、未熔合、凹陷及咬邊等缺陷。

圖3 實(shí)體模型

焊接完畢后，對(duì)導(dǎo)流管和換熱管的10個(gè)接頭進(jìn)行了射線檢測(cè)、滲透檢測(cè)、外觀檢查和力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下：①外觀檢查：合格。表面沒有發(fā)現(xiàn)任何氣孔、未焊透、咬邊、裂縫和凹陷等缺陷。②滲透檢測(cè)：符合JB/T4730.5—2005，I級(jí)。③射線檢測(cè)：符合JB/T4730.2—2005，I級(jí)。④力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果：抗拉強(qiáng)度為560~620MPa；彎曲試驗(yàn)合格，沒有任何開裂現(xiàn)象。

根據(jù)實(shí)體模型試驗(yàn)中積累的數(shù)據(jù)，獲得了合理的焊接參數(shù)如附表所示。

焊接參數(shù)

3. 產(chǎn)品的焊接

焊接過程中需注意以下幾點(diǎn)：

第一，換熱管與導(dǎo)流管接頭必須在產(chǎn)品的管板與換熱管焊縫焊接完畢，并經(jīng)無損檢測(cè)和水壓試驗(yàn)合格后進(jìn)行，否則發(fā)現(xiàn)管板與換熱管缺陷后就無法進(jìn)行返修。

第二，將設(shè)備旋轉(zhuǎn)，使成排的換熱管管頭連線為水平位置；這樣才能保證自動(dòng)焊接過程的方便施焊。

第三，根據(jù)設(shè)備的要求進(jìn)行焊接之前的檢查，包括地線的牢固程度，必須焊接在焊件上或擰牢；焊接過程中同一臺(tái)產(chǎn)品上不能同時(shí)焊接其他的部位，因?yàn)檫@樣可能對(duì)設(shè)備產(chǎn)生干擾造成電流的波動(dòng)；在使用高頻引弧的鎢極氬弧焊點(diǎn)焊接管過程中必須關(guān)閉自動(dòng)焊機(jī)，防止高頻干擾程序模塊；點(diǎn)焊后必須將手工焊機(jī)的地線拆除后再焊接產(chǎn)品。

第四，焊工必須熟悉設(shè)備操作規(guī)程，熟練運(yùn)用控制按鈕，并能熟練編寫焊接程序。焊接過程中，每個(gè)焊工焊接當(dāng)班首件焊縫前必須先在試件上進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)焊機(jī)是否完好，焊接參數(shù)是否能滿足要求。

第五，焊接組對(duì)時(shí)要求導(dǎo)流管的缺口必須朝向一致，并且都朝上，這樣方便中心桿的出入，也方便焊接質(zhì)量的觀察檢測(cè)。

第六，焊接中要利用合理的組裝順序，一層層焊接，點(diǎn)焊一層焊接一層，這樣焊縫有缺陷可以修補(bǔ)，還能保證焊接的效率；焊接中出現(xiàn)焊接缺陷時(shí)要立即修復(fù)，防止后排導(dǎo)流管阻礙缺陷的返修。由于機(jī)頭焊接時(shí)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，燒穿的位置一般在立向上位置，這樣要求定位焊時(shí)從右向左，有問題后能夠在可視的范圍內(nèi)修補(bǔ)。

第七，焊接過程中要經(jīng)常檢查焊接機(jī)頭上的定位塊、中心桿是否完好，氬氣是否充足，鎢極是否需要修磨等。

第八，產(chǎn)品焊接后必須進(jìn)行逐根的檢查、鏜磨，使表面光滑無任何缺陷。焊接完成后的管板照片如圖4所示。

圖 4

4. 焊接技術(shù)要點(diǎn)

焊接技術(shù)要點(diǎn)主要包括：

第一，導(dǎo)流管與換熱管的組對(duì)是成功焊接的關(guān)鍵工序，只有組對(duì)滿足要求才能焊出合格的焊縫。在換熱管與管板焊接完畢后，可能出現(xiàn)換熱管的管端被鎢極熔出缺口，或管頭焊后由于焊接應(yīng)力導(dǎo)致管口變形，這樣的管口組對(duì)后會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)口或縫隙，很容易造成焊縫燒穿。這就要求組對(duì)之前對(duì)變形的管端進(jìn)行校圓、修磨及對(duì)被熔的管頭進(jìn)行焊接修補(bǔ)，確保組對(duì)的質(zhì)量能滿足焊接要求。

第二，組對(duì)過程中如果有不可避免的間隙，一般應(yīng)將間隙留在上部，采用氬弧焊將間隙堵上后再焊接，如果留在下部則很容易燒穿。

第三，焊接過程中起弧位置一般應(yīng)位于6點(diǎn)位置，使整個(gè)管子在溫度較低的時(shí)候向上立焊，溫度較高的時(shí)候立向下焊，防止焊縫燒穿。

第四，鎢極尖端部必須正對(duì)焊接位置，這就要求焊工細(xì)致的工作，偏差不能超過0.5mm，否則易造成未熔合或未焊透。

第五，焊接中心桿必須垂直換熱管，這樣才能保證鎢極距離焊縫的距離保持一致，不至于發(fā)生局部未焊透或局部燒穿的缺陷。

第六，鎢極到焊縫的距離也非常關(guān)鍵，一般要求為1.5~2.5mm，在每次磨削鎢極后必須嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行安裝調(diào)試。

第七，氬氣的質(zhì)量嚴(yán)重影響焊縫表面的氧化程度，因此要確保焊接氣體的純度。

5. 結(jié)語

通過產(chǎn)品實(shí)體模型的檢驗(yàn)和試驗(yàn)獲得了一套焊接技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，摸索出了合理的焊接順序、焊接工藝，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，證明能夠滿足產(chǎn)品焊接的要求。采用本辦法完成產(chǎn)品的焊接，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化，填補(bǔ)了我公司一項(xiàng)焊接技術(shù)空白。