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            換熱器不銹鋼管-管板焊接現狀和改進方法

            概述了國內換熱器不銹鋼管管板焊接的一般現狀,由于其焊接的局限性和特殊性,焊接質量參差不齊。從前期坡口設計到焊接和檢驗過程提出了改進方法,主要是要選用易于焊透的坡口型式和尺寸,焊前進行模擬工藝試驗及焊工考核。采用高性能設備的自動焊對焊接工藝進行升級,重視焊前及焊接過程的細節控制,加強焊縫的檢驗等,共同保證不銹鋼管管板焊接工藝條件和焊接質量。

            換熱器不銹鋼管-管板接頭的焊接是最普遍的一種形式,其焊接質量直接影響到系統運行的可靠和效能。結合目前一般制造企業不銹鋼管-管板焊接工藝和質量狀況,提出改進的方法。

            典型的換熱器結構如圖1所示,換熱管束與管板進行焊接(強度焊)。

            換熱器不銹鋼管-管板的接頭常有以下幾種結構型式,不銹鋼管外伸、不銹鋼管平齊和不銹鋼管內縮、深孔焊接。針對設計圖紙不銹鋼管、管板的不同的材料、規格和坡口情況,在產品焊接之前需要根據標準進行焊接工藝評定,用于評價焊材,焊接工藝等要素是否能滿足標準要求。例如根據NB/T 470142011附錄D[1]、GB/T 1512014[2]的規定,需要對焊縫進行斷面金相檢驗,以確定焊縫根部的熔透情況以及焊縫尺寸是否滿足要求。

            目前制造廠的一般對不銹鋼管-管板的焊接普遍還不夠重視,技術和管理水平還停留在以前的水平,焊接質量參差不齊,導致產品運行過程中常常發生焊縫泄漏。究其原因,在制造方面存在以下幾個方面原因:設計人員對不銹鋼管-管板接頭的設計缺乏認識,為滿足不銹鋼管-管板的焊縫強度,盲目加大坡口的深度h。實際上加大坡口深度h,就增加了焊接的難度和產生未焊透的可能。針對不銹鋼管-管板微小坡口的焊接,既要把坡口根部完全焊透,又不能焊穿管壁,還要滿足設計圖紙焊縫尺寸。對于這樣的坡口(特別是V型坡口,α=45°),坡口深度h每增加1 mm都大大增加了根部焊透的難度,甚至無法焊透。另外采用V型坡口也是未焊透的一個原因。根部未焊透的存在不但沒有增加焊縫的強度,反而會增加焊縫應力和設備在運行工況下的開裂,是裂紋根源所在。

            2、3是常見的不銹鋼管-管板坡口圖紙設計(設計壓力<35 MPa),圖2為平齊結構,不銹鋼管1 0,φ25 mm×2.5 mm,管板1 6Mn,設計坡口為V型,坡口深度h3.5 mm。圖3是一臺冷凝器不銹鋼管-管板坡口設計,不銹鋼管SB-338 Gr.2,φ19.05 mm×1.245 mm,管板SA-266 4+SB-265Gr.1,坡口深度h2 mm。共同特點是采用V坡口,坡口深度h不銹鋼管壁厚t。

            實際工藝試驗表明,這樣的坡口設計根部很難焊透和熔合。圖4是試樣斷面檢查情況,根部存在明顯的未焊透缺口,這些缺陷增加了產品在工況條件下進一步開裂的可能,發生泄漏。

            不銹鋼管-管板焊接工藝缺乏針對性的試驗和評價,僅僅按照標準的規定進行工藝評定(PQR)是不夠的。目前一般制造廠的不銹鋼管-管板焊接都是按照標準要求的工藝評定去覆蓋(例如NB/T 470142011附錄D[1]),按照標準確定的電流、不銹鋼管壁厚、不銹鋼管直徑和孔橋距離等因素確定其符合性,而對于特定不銹鋼管管板條件下焊接質量,特別是根部熔透情況無從知曉,這樣的工藝是否能滿足質量要求值得懷疑。實際上,產品不銹鋼管-管板的焊接質量除了標準規定的要素外,還與材料、坡口、裝配和焊工技能等有密切關系。目前國內許多工廠不銹鋼管-管板的工藝評定和焊接工藝是比較粗糙的,焊工依靠這樣的工藝焊接,焊接質量是無法保證的。

            不銹鋼管-管板焊接工藝裝備落后,不能滿足產品質量要求。目前很多工廠的不銹鋼管-管板焊接還是手工焊,焊接設備老舊,電源輸出不穩定。還有一些焊接設備電流電壓表沒有校驗或損壞,焊工焊接時往往憑著自己的感覺和經驗焊接。另外,一臺換熱器產品不銹鋼管-管板接頭往往有幾千個,不銹鋼管-管板材料各不相同,由于換熱管直徑小、壁厚薄,焊接時要把根部焊透還不能焊穿管壁,如果采用手工焊,依靠人工的焊接(全位置焊接),對工人的操作技能和體力要求都很高,焊接質量很難保證。對于一些特材不銹鋼管-管板,手工焊接更是難以勝任,常常會產生燒穿和產生焊縫氧化等問題。隨著自動焊技術的不斷發展,不銹鋼管-管板焊接也迎來了升級換代的機會。

            焊工焊接技能水平較低,難以滿足不銹鋼管-管板焊接要求。不銹鋼管-管板坡口微小,焊接時要求根部焊透還不能焊穿管壁,焊后不易返修。一般坡口角焊縫類似填角焊,工件尺寸大,容易焊接,不銹鋼管管板焊接難度顯然要高于一般管板角焊縫,對焊工技能要求更高。按照考規的規定,焊工通過一般管板角焊縫考試即可,考規沒有考慮不銹鋼管壁厚、坡口尺寸等,自動焊也不考慮材料類別和不銹鋼管直徑,不銹鋼管-管板與一般坡口角焊縫對比見表1。不銹鋼管-管板焊工有必要經過專項的考核。

            另外,產品焊接過程缺乏控制手段,焊縫檢驗也僅僅是滿足圖紙和標準要求(例如PT檢測),對焊縫的要求比較低?偟膩碚f,目前不銹鋼管管板從接頭設計、評定試驗、焊接工藝及設備、焊工技能、焊接過程控制到焊縫檢驗都存在許多不足,難以焊出高質量的接頭,下面就這些方面提出改進措施。

            不銹鋼管-管板接頭及坡口設計,在滿足焊縫強度的情況下選用最小的坡口深度h,這樣會給焊接帶來必要性保證。根據前面坡口深度的論述,它的增大不會增加焊縫強度,反而會增大根部未焊透的可能,甚至無法焊透。以一臺冷凝器鈦不銹鋼管-管板焊接為例,管板16Mn+TA1,不銹鋼管SB-338 Gr.2,φ19.05 mm×1.245 mm,設計圖紙坡口接頭如圖5所示。由于鈦不銹鋼管直徑小,壁厚很薄,很難在不熔穿管壁的情況下把根部熔透,因為當電流增大到一定值時,熔池把管壁焊穿了而根部卻沒有焊透。特別是根部加絲焊時更是無法焊透。

            根據GB/T 1512014《熱交換器》6.6.2.3[2]的規定(設計壓力≤35 MPa),不銹鋼管-管板強度焊的焊縫高度l≥管壁厚度t,且滿足拉脫力試驗即可。焊縫高度l=坡口深度h+焊腳高度K,在滿足拉脫力和強度的情況下,焊縫高度l應取最小值。另外,因為坡口深度h對根部焊透具有很大影響,在一定拉脫力的前提下,坡口深度h和焊縫高度l取最小值。在與設計人員交流后,設計人員計算后把坡口深度改為1 mm(圖6所示)。這樣不銹鋼管-管板強度焊在滿足強度的情況下,減小了坡口深度從而保證了焊接質量。

            坡口型式也是影響不銹鋼管-管板焊接的一個重要因素。按照不銹鋼管-管板常規設計,管板坡口常常設計為V型,α=45°。V型坡口的缺點是根部不容易焊透(特別是坡口深度h2 mm時),焊縫根部應力較大。根據眾多產品的實際案例,采用J型坡口,能有效提高焊縫的焊透性,從而大大提高不銹鋼管-管板焊接質量。圖7V型坡口及試樣宏觀斷面照片,圖8是改進的J型坡口及試樣宏觀斷面?梢钥闯,采用優化的J型坡口焊接質量有了很大的提高(兩者采用相同焊接工藝條件)。

            所以,在滿足拉脫力和強度的情況下,不銹鋼管-管板焊縫高度l應取最小值。在一定焊縫高度l的前提下,坡口深度h盡量小。另外,采用U型坡口是保證根部焊透的有效方法。

            不銹鋼管-管板有了良好的坡口設計,也必須要有針對性的技術評價手段,而不能僅依賴標準的工藝評定。根據前面的論述,影響不銹鋼管-管板焊接的因素不只是標準范圍的要素,還與材料具體類別和規格、坡口、裝配和焊工技能密切有關,特別是鈦、鋯等特材不銹鋼管-管板。外徑和壁厚較小的不銹鋼管-管板焊接難度更大,一個專門的工藝試驗是必要的。所以針對不同的不銹鋼管管板產品,有必要進行一個產品實物的焊接試驗評定(Mock-uptest試驗),試驗用不銹鋼管-管板材料、坡口型式和尺寸、裝配尺寸與產品一致(管板材料一般同等級,t50 mm也可以),脹接工藝、焊接方法與工藝參數、焊材等與產品焊接工藝一致,以驗證焊工采用的焊接工藝在模擬試板上能否焊出符合質量要求的接頭。這是目前一般制造企業不銹鋼管-管板焊接比較欠缺的。根據不同材料和接頭型式,Mockup試驗應對焊縫的焊透性和焊縫厚度(符合標準)、焊縫缺陷(焊后PT+RT檢測)、拉脫力等進行檢測,同時也考核了焊工的操作技能。這是一個實物+工藝+焊工的工藝驗證和焊工考核,三者缺一不可,特別適合不銹鋼管-管板前期工藝評價和焊工考核。只有都通過了模擬產品的工藝驗證,焊工才具備了某個不銹鋼管管板的焊接資質。

            隨著自動焊技術和焊接電源性能的不斷提高,為不銹鋼管-管板自動焊的發展帶來了機會。自動焊相比手工焊具有以下優勢:①高性能焊接電源配合機頭等輔助系統能焊出高質量的接頭。目前不銹鋼管-管板高性能焊接電源很多,脈沖輸出更穩定,適合不銹鋼管-管板自動焊。另外目前國內有很多專業不銹鋼管管板自動焊配套公司,提供專業的機頭輔助系統。②代替手工焊,降低對人工的依賴,降低了制造成本,提高焊接效率。由于換熱器不銹鋼管-管板焊接頭眾多,靠工人手工焊不僅勞動強度大,人工操作在焊接過程的不穩定也會給焊接質量造成較大影響。目前人工成本不斷提高,采用自動化和人工智能技術已是現實的選擇。不銹鋼管、管板采用自動GTAW的產品焊縫,焊工作為機器操作工,焊接強度小,焊接效率高,產品焊縫更是無可挑剔。目前采用自動GTAW,完全可以代替手工GTAW,值得大力推廣。

            為使自動焊能順利應用,企業除了采購配置設備外,還必須對系統進行一些局部改進,比如氣路及保護罩等。另外,還要對焊工進行設備操作培訓,做到焊工熟練使用設備。

            不銹鋼管-管板除了要有好的坡口設計、焊接工藝設備和合格焊工,還必須重點做好焊前和焊接過程的控制工作,為保證管板焊接質量創造條件。影響不銹鋼管-管板焊接的因素除了以上要素外,還和管孔、坡口加工質量、不銹鋼管裝配、操作平臺和焊接環境、氬氣保護、參數調整、鎢棒燒損等細節相關。因為不銹鋼管-管板焊接的局限性以及焊后不易返修的特點,產品往往只允許一次焊好。所以為保證產品每個管頭焊好,必須對焊前和焊接過程加強檢驗和控制,其內容見表2。

            產品不銹鋼管-管板焊后應加強對焊縫的檢測。焊后應對焊縫逐一外觀檢查,發現不合格焊縫應進行標識和登記,由焊接工程師出具針對性的返修或換管工藝,嚴禁焊工私自補焊。另外,一般換熱器產品圖紙只要求焊后表面PT檢測,對焊縫內部缺陷(未焊透、未熔合等)沒有要求檢測,這往往成了日后產品發生事故的隱患。所以對不銹鋼管-管板焊縫增加一定比例的RT檢測是很有必要的。常見的表面缺陷見表3。

            不銹鋼管-管板的焊接,需要設計改變思路,優化坡口設計,在滿足強度的前提下選用最小焊縫尺寸lh。企業應積極采用高性能設備的自動焊方法,以提高焊接質量和效率。對焊接工藝和焊工進行模擬產品焊接試驗和評價,重視焊前準備和檢查,加強焊接過程對質量有影響的細節控制。加強對焊縫的檢測。對不合格焊縫由焊接工程師編制專用返修工藝,焊工按照返修工藝進行返修?傊,不銹鋼管-管板的焊接質量對換熱器產品穩定運行具有重要作用,把每個管頭焊好也極其不易,需要全過程的改進和控制。

            文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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