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管壳式换热器换热管与管板接头的焊接工艺点击：2026 日期：[ 2014-04-26 21:53:32 ] |
| Bfe30-1-1/16MnR管壳式换热器换热管与管板接头的焊接工艺 曾爱国 (湖南湘铝有限责任公司，湖南湘乡411400) 摘要：本文以氯仿塔再沸器为例，介绍了以白铜板Bfe30-1-1与16MnR金属复合板为管板的管壳式换热器的材料特性，管板加工，特别是换热管与管板连接接头的焊接工艺。 关键词：管壳式换热器；换热管；管板接头；焊接工艺 1·前言 在热交换器的运行过程中，管子与管板的边接接头是最容易发生泄漏的部位，因此换热管与管板连接工艺是整个换热器制造的关键工序之一。我们于2000年五、六月间为江苏某化工集团制造了八台以Bfe30-1-1为换热管的管壳式换热器。这八台换热器换热管与管板的连接要求采用强度胀加密封焊的形式。这里着重介绍换热管与管板接头的焊接工艺。下面仅以其中一台“氯仿塔再沸器”为例说明之。 2·氯仿塔再沸器技术特性 氯仿塔再沸器技术特性见表1，结构见图1。 氯仿是有机中度有毒无色透明液体，有特殊气味，味甜，相对密度1.498(15/4℃)，比小重，微溶于水，易挥发，不易燃。纯净干燥的氯仿对大多数金属无腐蚀性，但在空气、水分和光的作用下，酸度增加，因而对金属有强烈的腐蚀性。 3·材料 氯仿塔再沸器壳体材质为16MnR（厚度10mm）。管板是Bfe30-1-1/6MnR爆炸金属复合板（厚度6/66mm）。均软状态供货，拉伸强度达σb=540MPa，剪切强度ζ=210MPa，经超声波检测结合面积达98%。 换热管采用BFe30-1-1白铜管，规格是Φ25×2，总数469根，软状态供货。代学成份见表2，机械性能见表3。 由于目前国内没有标准的白铜用焊丝，所以换热管焊接时只有采用非标准的自制焊丝。一般采用与基材成分相同的焊丝，具有相同的抗腐蚀效果。选择白铜焊丝最重要的是控制其中杂质含量和提高其脱氧能力，以避免热裂纹和气孔的出现。为此，焊丝选用符合美国AWSA5.7标准的ERCuNi，这种焊丝含有一定量的脱氧无素Mn Si，可以大大减少焊缝中氧的含量。另外，焊丝中加入一定量的Fe可以提高焊缝强度和耐磨性。焊丝规格是Φ2mm，化学成分见表4。 铜镍合金焊接时，控制基材和焊材中杂质的含量到关重要，因为铜和镍可以和多种杂质元素（如Pb、S、P等）形成低熔点共晶体。如（Cu+Pb）326℃；(Cu+Cu2S)1067℃；(Ni+Ni3S2)664℃；(Ni+Ni3P)880℃等。这些低温共晶体富集于晶界，焊缝结晶时在焊接应力作用下易在焊缝中产生热裂纹（结晶裂纹）。ER-CuNi焊丝的杂质含量满足焊接要求。 4·管板加工和装配 管板是换热器的主要受压元件，管孔的制造精度对换热器与管板连接接头的胀接和焊接质量有很大影响，管孔的加工采用了数控机床。数控机床加工管孔节省了人工划线时间，并且定位更加准确，为了保证管孔的加工精度达到图纸要求，钻孔采用了二次扩钻。管板加工和装配尺寸见图2。 5·焊接性分析 白铜是铜镍合金，颜色呈银白色或淡白色。白铜具有耐热和耐寒的性能，中等强度，塑性高，能进行冷热压力加工，优良的综合力学性能，焊接性好。白铜在淡水、海水和蒸汽中有很好的耐蚀性，主要用于高速、高温、高压条件下工作的冷凝管、蒸发器、热交换器和各种高强度的耐蚀件等。 铜合金在焊接时易出现的缺陷主要有裂纹和气孔。首先是热裂纹。白铜的主要成分是Cu和Ni。Cu和Ni可形成无限固溶体，焊缝组织是粗大的a单相组织。由于受杂质元素（如Pb、Bi、P、As等）影响，固一液相区间扩大，所以，即使杂质含量很少，当晶界析出低熔点共晶物时，在焊接应力的作用下，也十分容易形成热裂纹。其次是氢侵蚀裂纹，若铜合金中含氧量较高，焊接过程中，气分中的氢就会向铜合金中扩散，使氧化铜发生还原反应（CuO+2H=Cu+H2O）,所形成的H2O，以气体形态聚集于晶界，形成很大内应力，使铜合金形成显微裂纹，甚至破裂，即形成氢侵蚀裂纹。 再者是气孔，气孔是由以下反应形成的： 2H(a)+O(A)=H2O(g)(1) 2H(a)=H2(g)(2) 式中(a)为原子态，(g)为气态。 由反应（1）生成的H2O，不溶解于铜中，在铜的凝固过程中，来不及逸出而形成气孔，同理由反应（2）生成的H2也会形成氢气孔。 白铜的焊接性是铜合金中最好的，可进行全位置焊接，不用采用预热措施。因白铜的导热性比紫铜大大降低了[BFe30-1-1热导率37W/（m·K）； 碳钢78 W/（m·K）]，接近于碳钢，这有利于熔池的形成，改善了铜合金的焊接性，不采用预热措施也有利于改善焊接作业条件。 6·焊接工艺 铜及铜合金焊接广泛采用直流正接法钨极氩弧焊。钨极氩弧焊焊接工艺的再现性强，能够较好的控制线能量，焊接质量稳定，焊缝成形好，且无飞溅和熔渣。电流极性采用直流正接是焊接白铜的最佳选择，这时钨极是阴极，钨极熔点高，在高温时电子发射能力强，电弧燃烧稳定性更好，钨极损耗也小，不易过热，对于同一焊接电流可以采用直径较小的钨极，电流密度大，电弧挺度好，可以获得深而窄的溶池，工作收缩和变形都小。钨极氩弧焊对焊件和焊丝表面的污染非常敏感，白铜焊接时会因污染而容易产生气孔，所以焊前清理至关重要。因此，装配前必须清除管端和管孔表面的毛刺、氧化皮、油脂、水分等。点固焊装配合后强度胀。胀管率要求达到2-3%。管头全部胀接后，给壳程打水压（1.33MPa）。无渗漏后，准备密封焊。胀管后管的伸出长度有所增长，可采用削管器削除多余的长度使之符合装配要求，密封焊前再用丙酮擦洗一次管头，焊接时必须填丝并且管头不熔倒，避免根部未焊透和坡口边缘未熔合的产生。白铜的流动性比较好，采用垂直俯位的焊接位置利于根部焊透。焊接时应尽可能的采用小的焊接线能量，较快的焊接速度，以使晶粒细小，提高焊接质量。由焊接工艺评定确定的焊接工艺参数见表5。 7·检验 7.1渗透检测 管一板接着全部焊完24小时之后，进行100%渗透检测，没有发现裂纹和气孔。 7.2宏观金相 由于制造白铜管换热器在我所尚属首次，对白铜的焊接性不十分熟悉，为此，按GB151-1999《钢制客壳式换热器》附录B标准做了焊接工艺评定。在焊接工艺评定试板中取三块试样。取样采用线切割，这样可以保证切面的粗糙度较好，便于加工剖面和试样复位的完好性。试样经研磨和腐蚀后，对其中4个剖面的8个观察面进行检查，没有发现裂纹和内部气孔。所有受检查剖面的角焊缝H值均大于管壁厚的1.4倍即2.8mm，H的平均值为3.5mm。符合GB151-1999《钢制管壳式换热器》附录B的指标要求。 8·结论 （1）根据焊接工艺评定及实际焊接结果证明，BFe30-1-1白铜管与BFe30-1-1/16MnR爆炸复合板连接接头的焊接性良好，不用采用预热措施。 （2）采用符合标准的焊接材料，正确的焊接程序和适宜的焊接工艺参数，能够避免发生焊接裂纹和气孔，从而得到满足使用要求的焊接接头。 （3）焊接时必须填丝以获得优质的焊接接头。 （4）该组设备已经安全运行近两年，说明采用此焊接工艺施焊的这批产品质量良好，完全符合设计要求。 参考文献 [1]付积和.焊接数据资料手册.北京：机械工业出版社，1997,550---552 [2]俞尚知.焊接工艺人员手册.上海：上海科学技术出版社，1991.164---1616 |
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