銅制U形換熱器制造焊接技術的研究

鮑碧霞,王昌盛

(寧波明欣化工機械有限責任公司，浙江寧波 315202)

0 引言

銅制換熱器是電力、化工行業(yè)中常用的熱傳導設備，其制造難度大，質(zhì)量較難保證，在使用中易發(fā)生泄漏。由于銅和不銹鋼的物理性能差異性非常大，兩者間的可焊接性，傳統(tǒng)銅制換熱器管板與銅管連接方式主要為強度脹接，強度脹接的接頭密封性能主要取決于管板孔徑、溝槽寬度及深度，以及換熱管自身外徑，而實際生產(chǎn)過程中往往會產(chǎn)生偏差，換熱管與管板脹接時出現(xiàn)過脹、欠脹，導致設備在投入使用中發(fā)生泄漏。因此改進的制造工藝十分必要。通過對某公司銅換熱器的制造，經(jīng)過反復試驗，最終確定采用強度焊+貼脹的新型制造工藝。

1 設備概況

該設備采用U形換熱管管束，按GB/T 151—2014《熱交換器》[1]進行設計，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示，管板與換熱管連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。

換熱管與管板焊接接頭型式不按比例，主要技術參數(shù)見表1，設備殼程、管程等主體材料如表2所示。

圖1 換熱器結(jié)構(gòu)示意

圖2 管板與換熱管連接示意

表1 設備技術參數(shù)

表2 設備主體材料

1)3為堆焊層厚度，mm

2 制造過程

2.1 工藝方案的制定

(1)方案1。強度脹一般要求管板表面硬度大于換熱管30HB為最佳狀態(tài)，但管板材料為S30408,銅管材料為TP1，材料S30408硬度遠高于TP1，為驗證強度脹是否能達到預期效果，進行了第一組試驗。采用?19 mm×1.2 mm銅管TP1，管板S30408，厚度45 mm。采用機械脹，脹度控制在6%～8%，按管壁減薄率理論計算脹后內(nèi)徑為17.06～17.11 mm進行脹接，最終脹接各管口內(nèi)徑約17.15～17.24 mm，均為過脹。試驗管板結(jié)構(gòu)如圖3所示。按TSG 21—2016[2]和GB/T 150—2011[3]進行1.5 MPa水壓試驗，在加壓過程中已出現(xiàn)泄漏，如圖4所示。初步判斷可能在試驗制造過程中存在其他的影響因素，本次試驗失敗。考慮到此現(xiàn)象有可能在實際產(chǎn)品中出現(xiàn)，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，擬采用其他方法。

(2)方案2。借鑒其他單位制造經(jīng)驗，擬在脹管前在銅管與管板間隙填塞金屬膠水，然后進行強度脹。但對于這類金屬,膠水穩(wěn)定性無試驗數(shù)據(jù)支撐，且對膠水在長期高溫下使用是否穩(wěn)定存在顧慮。

(3)方案3。S30408管板與TP1銅管焊接+貼脹。采用ERNiCu-7氬弧焊焊絲進行焊接，焊接中，在不填絲情況下，接頭無法熔合。填絲時，需把握較好的電弧角度和送絲角度才能實現(xiàn)管板接頭完全連接，操作難度非常大。在試驗后仍有1/4的接頭存在泄漏，缺陷均為裂紋和未熔合。采用此方案，操作難度大，而且返修率較高。

圖3 試驗用管板結(jié)構(gòu)示意

(a)裝配圖

(b)試驗現(xiàn)場

(4)方案4。在S30408管板上堆焊一層鎳基焊材，銅與鎳合金的可焊接性比與不銹鋼的好。試驗采用在S30408管板上堆焊一層厚度4～5 mm的Ni307B，加工后有效厚度3 mm。試驗坡口參考圖2，管板厚度(45+3) mm。進行手工GTAW焊接和貼脹，水壓試驗4 MPa時未發(fā)現(xiàn)接頭有泄漏，接頭密封性符合要求。同時為驗證工藝性能和焊透性，按NB/T 47014—2011[4]進行了焊接工藝評定。S30408堆焊Ni307B,表面滲透檢測合格，側(cè)彎無裂紋，合格(見圖5)。換熱管管板接頭按NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》附錄D進行評定，焊接接頭表面滲透檢測合格，8個面宏觀金相檢驗均合格，角焊縫厚度達到要求(見圖6)。

圖5 側(cè)彎試件

圖6 換熱管接頭照片

2.2 制造工藝的選取

對上述方案進行分析，方案1：對強度脹要求極高，且須保證管板管孔、換熱管厚度、外徑在極嚴格的公差范圍內(nèi)，較難控制；方案2：對金屬膠穩(wěn)定性無試驗數(shù)據(jù)支撐；方案3：可行，但返修率較高；方案4：通過堆鎳銅管與管板焊接接頭較好的連接性，且通過了耐壓試驗。因此選取方案4進行制造，方案可行，且返修率較低。

2.3 產(chǎn)品制造工藝

實際制造過程中考慮整塊管板堆焊會發(fā)生變形，在管板毛坯表面預留高度3～4 mm的圓弧形凸臺。堆焊完成后，管板整體向凸臺方向變形，管板堆焊表面水平，如圖7所示。

圖7 管板堆焊方向及變形方向示意

堆焊時嚴格控制焊接方向，每圈焊道均為同心圓，且堆焊方向統(tǒng)一為順時針方向；堆焊完成后，表面進行100%滲透，合格。對管板表面和背面進行金加工、鉆孔、加工密封面，達到圖紙要求。不銹鋼與鎳焊接易形成熱裂紋，且在管板堆焊中，外徑方向變形加大，焊接應力會加劇熱裂紋的產(chǎn)生。因此，手工堆焊Ni307B過程中，需嚴格控制道間溫度，堆焊1～2層；如發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生裂紋，需完全打磨去除缺陷后補焊[5-11]。

管板焊接接頭采用手工鎢極氬弧焊，不宜采用管板自動焊。手工鎢極氬弧焊可靈活調(diào)節(jié)電弧高度、方向、送絲角度等，熔合較好；而管板自動焊，當裝配間隙偏大或偏小、管口端面不平整時極易造成未熔合，見圖8，9。完成后對管板角焊縫進行100%PT，按NB/T 47013.5—2011評定合格，而后進行貼脹。

圖8 手工鎢極氬弧焊試件

圖9 管板自動焊試件

換熱器殼程、管程按照常規(guī)壓力容器產(chǎn)品進行制作。

在S30408堆焊鎳基材料時，焊工需要按照TSG Z6002—2010《特種設備焊接操作人員考核細則》取得FeⅣ堆焊鎳基焊條資格；管板焊接接頭焊工需要取得FeⅣ與銅及銅合金相焊的焊接資格(填充焊絲類別為鎳及鎳合金焊絲)。

3 檢測及耐壓試驗

按照圖紙要求裝配設備殼程、管程，對換熱器殼程、管程分別進行1.32，1.25 MPa耐壓試驗，均合格，產(chǎn)品制造符合要求。

4 結(jié)語

本研究成功完成了銅制換熱器的制作，主要采用強度焊+貼脹的新型工藝，其可操作性及穩(wěn)定性均得到提高，更好地保證了產(chǎn)品質(zhì)量。另外，銅制換熱器中采用強度焊+貼脹工藝，使銅管塑性變形較小，損壞較少，避免采用強度脹工藝時銅管在溝槽部位塑性變形較大而產(chǎn)生拉裂的現(xiàn)象。不銹鋼堆焊鎳基合金后與銅的可焊接性明顯改善，但不銹鋼堆焊鎳基合金焊材時，必須嚴格控制道間溫度(不宜超過150 ℃)。銅管與堆焊鎳基的管板宜采用手工鎢極氬弧焊，更易保證焊縫質(zhì)量。