新型换热器管子管板焊接工艺的研究

发布于:2021-10-20 21:57:13









新型换热器管子管板焊接工艺的研究
邱振生 (哈尔滨锅炉厂有限责任公司, 黑龙江 哈尔滨


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管板堆焊镍基合金, 换热管为铁素体钢管, 管子管板接头为*齐式的换热器是一种新型结构 要:

的换热器。管子管板角焊缝的焊接采用 &—’(&) 焊接方法。通过实验发现, 为了得到质量稳定、 焊缝尺寸和形状能够满足设计和相关技术条件要求的焊接接头, 在严格限制镍基合金和换热管杂 质元素含量、 合理选择焊接工艺参数、 控制焊枪钨极与管壁相对位置的同时, 应采取以下两方面工 艺措施: 一是焊前对待焊区进行严格的清理, 去除油、 锈等杂质污物; 二是在焊接过程中对管板进行 低温预热。 换热器; 镍基合金堆焊; 管子管板焊接 关键词:
中图分类号: (*#"!+"; (’$$ 文献标识码: & 文章编号: (0##.) !##! , $-./ #1 , ###1 , #$

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前言 换热器根据工作介质的不同, 管子管板会采用

有不同的特点。常见的换热器结构一般为管板堆焊 奥氏体不锈钢或低碳钢, 换热管为奥氏体不锈钢管 或碳钢管, 管子管板接头型式为伸出式或缩进式。 某厂最*生产的某型号换热器, 换热管为铁素体不 ?1?

不同的材料和接头形式。因此, 管子管板的焊接具

万方数据

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新型换热器管子管板焊接工艺的研究

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锈钢管, 采用在碳钢管板上堆焊镍基合金层的*齐 式型式的管子管板接头。此结构的换热器管子管板 焊接存在以下技术难点: ( !) 在收弧部位的弧坑, 镍 与杂质元素易形成低熔共晶物而产生热裂纹; (") 由 于镍基合金材料合金元素含量高, 铁水流动性差, 在 焊接快速冷却凝固结晶条件下易产生气孔; (#) 由于 管端焊后需进行胀管, 所以焊缝形状的尺寸精度要 求比较高; ($) 单道自熔焊后, 要求焊喉厚度不小于 根据产品的技术要求, 进 %&’( 倍管壁厚度。为此, 行了必要的管子管板焊接工艺试验, 以确定最佳焊 接工艺参数。 " "&!
7 %&"%

试验采用的是按英国标准制造的材料, 牌号为 )*!+%# ""# , $-%。其化学成分见表 !。 "&" 管板堆焊层材料 管板 表 面 堆 焊 三 层 镍 基 合 金, 采用比利时 *./0.123 公 司 焊 接 材 料。 焊 带 的 牌 号 为 456 规格 ’% 9 %&+ ::。堆焊方法为带极电渣 7.528’"+, 堆焊。管板堆焊层的化学成分见表 "。第三层为面 层。 "&# 换热管材料 换热管是按法国标准制造的铁素体不锈钢管, 牌号为 ;;7<!=, 规格为 ! !-&%+ :: 9 !&(+ ::。其 化学成分见表 #。 "&$ 试验设备 试验采用德国梅萨公司制造的管子管板焊机,
(" ) 7D %&!# EF %&%"’ 5G %&%$" H %&%%" <@ %&%%$ (" ) <@ %&%= %&%%&%5G "&=’ "&=’ "&=( KL ’&-! "&(! !&(! EF %&!= %&"% %&"% (" ) 5@ %&!(# 7D %&%"’ <@ %&+#! EF %&%"-

试验条件 管板材料
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管板材料的化学成分 >C %&%$

注: 5 的成分为 +( II:; J" 的成分为 !&( II:。

管板表面镍基堆焊层的化学成分 7B !-&!$ "%&%+ "%&+( 5@ +!&%’ +’&#% ’"&(>C $&($ ’&"" =&$-

换热管化学成分 7B !(&+-

注: 5 的成分为 !!( II:。

A.83*./02<*(# >LMMLB EDNC <4O "+%A 直流脉冲电 源, A.83*./02 (# 型机头。该机可实现 #’%# 全位 置焊接分段编程。 "&+ 试板规格 试板规格为: (!%% P !%)::, +%% :: 9 +%% :: 9 接头型式如图 ! 所示。

不填丝自熔焊; 钨极材料及规格: 铈钨极 ! "&+ 保护气体种类及流量: 氩气, ::; = Q !% 8 R :@?。焊接 参数曲线见图 "。

预通气时间; 预热时间; 脉冲电流峰值时间; $" 、 $# : $$ : $+ : $! : 电流衰减时间; 延时断气时间; 预热电 脉冲电流基值时间; $( : %#: $’ : 流; 峰值电流; 基值电流。 %$: %+:

图" 图! 接头形式简图

焊接参数曲线

"&’ 焊接条件 万方数据 ? !% ?

通过试验确定的参数如下: $" S ! M, $# $! S ! M, S # M, $$ S %&" M, $+ S %&" M, $’ S !% M, $( S $ M, %# S

第 ’" 卷第 2 期









总第 &," 期

电弧电压 " % &’ *, 焊接 !" #, ! $ % &’( #, ! ( % )" #, 速度为: $" + # 转。 , 试验程序

于这种换热器, 其材料和结构形式又有自身的特点, 概括起来管子管板焊缝特别容易出现两方面问题: (&) 管板堆焊了镍基合金层, 换热管又为铁素体不锈 钢管, 所以焊缝产生气孔、 收弧产生弧坑裂纹的倾向 性很大; (’) 管子与管板接头为*齐式结构, 控制焊 接过程中的焊缝形状比较困难, 焊缝形状控制不好 容易使焊喉尺寸达不到规定的厚度或者焊缝铁水内 溢造成管孔内缩量过大影响随后的胀管工作。 焊缝形状的控制与焊接参数和焊枪钨极的位置 有关。在焊接参数已经确定的情况下, 钨极的位置 对焊缝形状的影响特别大, 见图 $。钨极位置离管 壁过远, 焊喉尺寸达不到设计要求; 钨极位置离管壁 过*, 焊缝内溢, 管孔内缩量增大。经试验确认, %& 焊接位置最 % ’9" ; ’9( --、 % ’ % &9( ; ’9" -- 时, 佳, 如图 ( 所示。钨极端部在长时间工作后会有不 同程度的烧损, 烧损严重时, 会影响电弧的稳定性, 从而影响焊缝的质量。特别是在收弧处, <= 检查经 常会出现缺陷显示。因此, 在焊接一定数量的接头 后要及时更换钨极。

(&) 在 规 格 为 ("" -- . ("" -- . &"" -- 的 /0&(", ’’, 1 $2" 试板上堆焊三层 3456478)’( 镍基 合金, 探伤合格后, 进行消除应力热处理; (’) 管板按图 , 所示位置钻出 $ &29’: 试验用 孔; (,) 清理管孔内外表面, 使之无油、 无锈; ($) 调整好试验设备及规范参数, 完成管子管板 接头的焊接; (() 测量焊后管孔内缩量; ()) 将管接头在 ) 点和 &’ 点位置剖开, 放大 ( 倍, 检查断面质量, 测量焊喉厚度。

图,

试板管孔布置

$

试验结果

(&) 目视及渗透探伤检查结果: 焊缝外观规则整 齐, 圆滑美观, 无焊瘤、 气孔、 凹坑等焊接缺陷。 (’) 射线探伤检查结果: 将试板从非堆焊面加工 减薄到 &( --, 然后进行射线探伤。管子管板自熔 焊缝未发现任何焊接缺陷。 (,)管孔内缩量检查结果: 七个管孔的内缩量 检查结果见表 $。 ($) 观金相及焊喉厚度检查结果: 观察 ) 点、 &’ 点位置断面的宏观金相未发现焊接缺陷; 七个孔的 ) 点、 &’ 点位置焊喉尺寸测量结果见表 $。
表$ 管孔内缩量及焊喉尺寸检查结果 & ’ , $ ( ) (--) : 管孔编号 尺寸 管孔内缩量

图$

焊枪与管的相对位置

焊接参数的影响主要体现在焊接电流和焊接电 压上, 焊接电流和电压的变化会改变焊缝的熔深和 熔宽。为了得到产品设计要求的焊缝尺寸, 必须通 过试验确定合理的焊接参数。 焊接区域的表面清理也是影响焊缝质量的一个 重要问题。镍基合金本身合金元素含量较高, 熔池 金属流动性差, 在环境温度较低、 熔池冷却凝固速度 较快的情况下, 如果焊接处存在氧化膜、 油漆等污物 时就非常容易产生气孔。所以, 对焊接区必须进行 严格的焊前清理。 ) 管子管板产品焊接所采取的工艺措施 (&) 堆焊完的试板在钻孔以后, 换热管装配之 前, 进行严格的酸洗、 钝化和软化水漂洗等表面处 理; (’) 管板用电加热器整体预热到 ," ; (" > , 避 ? && ?

"9,) "9,( "9,$ "9,( "9,: "9,( "9,:

) 点位置焊喉尺寸 &9): &9:" &9)$ &9)( &9:( &9:& &9)2 &’ 点位置焊喉尺寸 &9:" &9:, &9)! &9): &9:$ &9:, &9)(

焊接参数以及表面清理对焊缝质量 ( 钨极位置、 的影响 影响管子管板焊缝质量的因素是多方面的。对

万方数据

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新型换热器管子管板焊接工艺的研究

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免熔池冷却速度过快产生气孔; (!) 合理选择焊接参数, 控制焊接热输入。经过 脉冲峰值电流 %&’ $, 试验确定, 基值电流为 "# $, 焊接速度 (# 秒 ! 转时, 对控制气孔的产生比较有利;

(() 焊接时尽可能采取较小的线能量, 收弧时注 意填满弧坑; 通过试验, 确定合理的钨极位置。 (’)

图’

钨极位置对焊缝成形的影响

)

结论 (%) 对堆焊镍基合金的管板, 管子管板焊缝焊接

焊接参数只有通过试验才能确定; (() 钨极位置对焊喉尺寸和管孔内缩量影响很 大, 必须通过试验确定钨极与管壁的相对位置, 在焊 接过程中, 不要使钨极偏离正确的位置。
收稿日期: &##& * #( * && 修稿日期: &##! * #! * &+

前对管孔和堆焊层表面采取正确的清理措施是十分 必要的; (&) 根据产品的材料特点和结构特点, 管板焊前 低温预热对保证管子管板焊缝的质量非常有利; (!) 焊接参数是影响焊缝质量的重要因素, 最佳

作者简介: 邱振生 (%,"( * ) , 男, 学士, 高级工程师。通讯地 址: 哈尔滨锅炉厂有限责任公司工艺处。

(上接第 ! 页) 进行比较 (见图 ’) 。由图 ’ 可以看出, 英国 -.%’%’ 标准在疲劳寿命 "# !%### /0/12 的范围 内都很安全, 对于高寿命区, 其安全性更显著。但小 于 %### /0/12 后下降幅度很大, 因此对于小于 %### 时最好选用许用应力来替代疲劳极限。 /0/12

本文 !%"4 钢的低周疲劳设计具有明显的不安全性, 结果表明修 对 -: 9: 4;<=2> 公式进行了一定的修正, 正后的 -: 9: 4;<=2> 公式可以在较大范围的寿命区 间内处于实验曲线下方, 具有一定的安全性; (!) 英国 -.%’%’ 标准考虑了温度的影响, 而且 结果表明, 其对较大范围的寿命区间内的寿命评估 都是安全的。
参考文献: [%] 郑修麟 & 金属疲劳的定量理论 [ 7] & 西北工业大学出 版社, %,,( & [&] 赵学静 & 国产钢材弯曲疲劳极限式的探讨 [ ?] & 机械强 度, (%) : %,+", %+ &’ * &+ & [!] 赵 少 汴 & 抗 疲 劳 设 计 [ 7] 机 械 工 业 出 版 社, & 北 京: %,,( & [(] -: 9: 4;<=2>: @2AB=< CD E>2AAF>2 G2AA21A DC> 4CH * /0/12 [ ?] (!) 9;IB=F2 : ?CF><;1 CD -;AB/ 8<=B<22>B<=, %,"&, +( : 收稿日期: &##! * #" * #’ 修稿日期: &##! * #+ * &’

图’

英国 -.%’%’ 标准与实验数据的比较



结论

(%) 实验测得 (&# 3 下 !%"4 钢的 $ — " 曲线可 表示为 $%"# #5#!)#( 6 ’&)5(, 该曲线可为 !%"4 设备中 温疲劳寿命的评估提供一定的参考; (&) 美 国 $.78 规 范 中 的 -5 9: 4;<=2> 公 式 对

作者简介: 陈凌 (%,), * ) , 男, 浙大化机专业博士生。通讯地 址: 杭州市浙江大学玉泉化机研究所。

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