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摘要: 内孔焊结构应用在换热器气体入口侧,可以防止由端面焊结构所产生的腐蚀现象。但由于内孔焊对焊接工艺及设备要求较高,为此根据我厂在Ⅰ段反应换热器,Ⅱ段反应换热器中的内孔焊应用,简单介绍了内孔焊设备,焊接工艺试验,产品焊接过程及要求,为我厂在内孔焊技术上积累了一定的经验。
关键词:内孔焊结构 内孔焊 工艺焊接 工艺试验应用
0.前言
我厂承接了某公司的醇基多联产项目工程10万吨/年丁二烯裝置三台换热器: Ⅰ段反应换热器,Ⅱ段反应换热器,中压蒸汽发生器。三台设备的主要制作难点是内孔焊端管板管孔的加工和管子-管板内孔焊的焊接技术, 其进口端设计图样要求采用管子-管板内孔焊, 出口端采用常规的伸出式管子-管板角焊缝。其中Ⅱ段反应换热器(见图1),该设备的外观尺寸为小φ2100x16x9521(mm);设备总质量为37.8t;管板材料/規格为F347H Ⅳ/190mm;换热管材料/规格为TP347H/ φ25x2.0,L=5000mm,共计2743支;管程筒体材料为347H,壳程筒体材料为347H。Ⅱ段反应换热器的技术特性,见表1。
在锅炉、石油、化工、核能等工业部门的热交换器生产中,热交换器是重要的热力设备。在热交换器中常用的管子-管板焊接接头的形式,有强度胀接强度焊接;胀焊并用;内孔焊。管子外伸角接、管子与管孔平齐端接、管子内缩角接和无间隙式接头(分为内孔对接和内孔角接两种)。管子-管板接头形式在焊缝根部都不可避免的存在间隙,如热交换器的工作介质带有腐蚀性,则会产生缝隙腐蚀,大大缩短管子的寿命[1]。
为了消除这种缺陷,结合本设备的使用工况,防止这种腐蚀管板及换热管采用耐腐蚀性能更好的347H材料,。从焊接角度考虑,如何降低换热管与管板的焊接残余应力,如何减少换热管与管板间的间隙,避免在间隙处存在腐蚀介质。本设备采用了在管板背面的管孔边缘加工成凸台的形状,使之以对接接头的形式与管端相焊,无间隙式管子-管板接头消除了上述这种缺陷,
1.内孔焊结构及特点
在管壳式换热器中,有四种管子与管板焊接接头形式:外伸角接、缩角接、平齐端接、无间隙式接头。其中内孔焊结构属于无间隙式接头,是在管板背面的管孔边缘加工成特定的形状,使之与管端对接,并采用内孔焊枪进行焊接的一种结构,其结构形式如图2所示摘录于(GB/T 151-2014,图6-22)[2];
1.1优点:
1.焊接接头可靠性好,连接强度高;
2.焊缝的温度接近壳体介质的温度;
3.换热管与管孔之间不存在间隙,无间隙腐蚀;
4.焊接接头是对接形式,可承受大的载荷;
5.不产生胀管的残余应力;
6.不存在端部焊接接头出现的焊缝根部切口的应力集中,运行中不易产生裂纹;
1.2缺点:
1.管板加工和装配精度要求高;
2.对焊接设备和焊接工艺要求高;
3.返修困难,焊缝质量检查复杂;
4.生产周期较长。
由(图2)可见,内孔焊结构形式很多,根据Ⅱ段反应换热器产品特点,管板材料为 F347H Ⅳ,厚度为109mm,换热管材料为TP347H,规格为φ25 x 2mm,数量为2743根。管板和换热管均为不锈钢材质,管板较厚,换热管数量较多,焊接工作量较大。不锈钢材质热膨胀系数大,焊后容易产生变形,厚板焊接接头存在较大残余应力,而且热导率低,热量不易散失,扩大了敏化温度区间,降低接头耐蚀性。为了减少加工量,提高组装效率,降低焊接接头残余应力,力口快热量散失,根据本厂现场模拟试验,设计探讨后优化采用(图3)
的结构形式,该结构是采用机加工围绕每一个接口加工出一个突起的圆台,可以起到释放焊接应力,加快热量散失的作用,圆台中间加工一个内平台,换热管与管板组对容易,可以提高组装的效率和精度。
2.内孔焊工艺与设备
内孔焊是采用全位置数控脉冲自动氩弧焊设备,使用内孔焊机头,伸入到管孔内部,,进行全位置自动焊接成形 的一种方法。该焊接方法自动化程度高,焊接过程稳定可靠。我们采用的是某厂生产的TPN19型全位置内孔焊枪,该设备主要由内孔焊机头,焊接电源,可编程控制箱,遥控盒, 冷却系统等组成。
2.1内孔焊机头(见图4)
主要由回转枪体部分、定位调节装置、水电气路系统、等结构组成。 其工作原理是通过调节盘调节好焊接深度,采用焊嘴后部定位,微电机带动电极旋转,氩气通过进气管送进,进行保护,按预先输入的焊接工艺参数进行全位置自熔焊接,背面成形;
2.2焊接电源(见图5)
选用焊接电源为HUAHENG电源;
2.3可编程控制箱(如图6所示)
2.4遥控盒(如图7所示)
用于焊接启停,氩气送进,机头旋转,微调机头位置,确保焊接准确定位;
2.5冷却系统(如图8所示)
用于焊接设备的冷却,可直接冷却焊嘴,可提高喷嘴使用寿命。
2.6气动定位操作架(如图9所示)
另外由于我们产品换热管与管板为不锈钢材质,为了焊接时背面不被氧化,我们制作了氩气保护罩,如(图10)所示。管板与壳程筒体先不焊接,预留一定空间,以便换热管与管板焊接时进行背面气体保护,并进行检查。
3.焊接工艺试验
产品焊接前通过焊接模拟试件进行验证性试验,不仅可以得到满足产品生产要求所需要的合格的焊接参数,降低在产品焊接时的不合格率, 更可以让我们通过一系列试验检验焊接参数对接 头力学性能方面的影响,获得标准规范对于产品的质量要求。
3.1模拟试件结构及尺寸 模拟试件结构及尺寸如图10所示,材质、换热管尺寸、管板管孔尺寸均与产品相同。
3.2焊接工艺参数[3]
内孔焊焊接接头的焊接程序包括:按下启动按钮,提前送氩气,然后高频起弧,起弧后在起弧点停留一段时间,用电弧预热焊接区域以建立熔池,然后送出脉冲电流,同时机头开始旋转,焊接一周后电流在指定位置开始衰减,一段 时间后,电弧熄灭,机头停止转动,延时送气。
根据焊接设备厂家提供的焊接工艺参数进行试焊,再根据实际施焊情况调整个别工艺参数。 其中影响内孔焊接头焊接质量最主要的工艺参数有:峰值电流、峰值时间、基值电流、基值时间、旋转角度和焊接速度。见图11
3.3工艺评定试验
依据GB151和NB/T47014标准规定,为保证焊缝焊接质量,我们对模拟件进行了渗透检测、 拉伸试验、金相试验(宏觀)、焊缝厚度测定。试验结果满足标准要求。
4工艺过程
4.1焊接过程[4]
4.1.1焊接前应清理管板、管子内外表面的油、锈、水分等杂质;
4.1.2检查水路、气体等是否畅通到位;
4.1.3支座工装对管板进行防变形加固定位,采用水平尺测量管板垂直度,焊接机头根据管板的水平度进行调整;
4.1.4首先要采用标尺测量焊接接头距离管板外表面尺寸,用固定装置固定,防止焊接时移动,确定好钨极对准的位置,然后将焊枪抽出,将管子插入,观察换热管与管板的组对情况;
4.1.5确认组对完好后,将焊枪插入,同时在换热管与管板对接外侧将氩气保护罩罩好,预先通氩气,然后进行焊接;
4.1.6焊接后,用内窥镜观察焊接接头内部是否存在内凹,外表面是否存在未焊透现象,如果存在未焊透缺陷可以稍微加大电流再焊一遍
4.2焊后检验
采用本人设计的内孔焊焊接接头的检测装置(专利号:ZL 2016 2 0458277.3)见图12,进行氦检漏试验来检测内孔焊管口的焊接质量,每焊接完成一排内孔焊的换热管时,逐根换热管与管板焊缝进行氦检漏试验,试验压力:0.35MPa, 试验气体为100%氦气。不满足该要求的焊缝返修合格后重新检验。
5.结语
Ⅱ段反应换热器的换热管共有2743支,其内孔焊端管板管孔的加工难度较大,加工时间较长;同样为了保证每一个内孔自动焊管口的焊接质量,工作量也较大,耗时较长。该台设备通过精心准备,从内孔焊背气保护工装的制作、焊接工艺试验、焊工培训取证、焊接工艺评定到产品施工时的焊接,分别提出了合理可行的制作方案。焊接完毕后,没有一根内孔焊管子-管板焊接接头发生泄露情况,达到了预期的目标。Ⅱ段反应换热器的成功制作,使我们基本上掌握了管子-管板内孔自动焊的焊接技术。
參考文献
[1]刘斌. 内孔焊接在进出料换热器中的应用[J]. 新技术新工艺, 2009(1):65-67
[2]国家质量技术监督局.热换热器GB151-2014[S].中国标准出版社,28-29
[3]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册第一卷(焊接方 法及设备)[M].北京:机械工业出版社,2008:130-131, 612-613
[4]黄旭升。内孔焊技术在换热器制造中的应用[J]. 焊接, 2006(12):46-49
作者简介
颜珺(1985-),男,工程师,主要从事压力容器形成件的工具与模具设计
关键词:内孔焊结构 内孔焊 工艺焊接 工艺试验应用
0.前言
我厂承接了某公司的醇基多联产项目工程10万吨/年丁二烯裝置三台换热器: Ⅰ段反应换热器,Ⅱ段反应换热器,中压蒸汽发生器。三台设备的主要制作难点是内孔焊端管板管孔的加工和管子-管板内孔焊的焊接技术, 其进口端设计图样要求采用管子-管板内孔焊, 出口端采用常规的伸出式管子-管板角焊缝。其中Ⅱ段反应换热器(见图1),该设备的外观尺寸为小φ2100x16x9521(mm);设备总质量为37.8t;管板材料/規格为F347H Ⅳ/190mm;换热管材料/规格为TP347H/ φ25x2.0,L=5000mm,共计2743支;管程筒体材料为347H,壳程筒体材料为347H。Ⅱ段反应换热器的技术特性,见表1。
在锅炉、石油、化工、核能等工业部门的热交换器生产中,热交换器是重要的热力设备。在热交换器中常用的管子-管板焊接接头的形式,有强度胀接强度焊接;胀焊并用;内孔焊。管子外伸角接、管子与管孔平齐端接、管子内缩角接和无间隙式接头(分为内孔对接和内孔角接两种)。管子-管板接头形式在焊缝根部都不可避免的存在间隙,如热交换器的工作介质带有腐蚀性,则会产生缝隙腐蚀,大大缩短管子的寿命[1]。
为了消除这种缺陷,结合本设备的使用工况,防止这种腐蚀管板及换热管采用耐腐蚀性能更好的347H材料,。从焊接角度考虑,如何降低换热管与管板的焊接残余应力,如何减少换热管与管板间的间隙,避免在间隙处存在腐蚀介质。本设备采用了在管板背面的管孔边缘加工成凸台的形状,使之以对接接头的形式与管端相焊,无间隙式管子-管板接头消除了上述这种缺陷,
1.内孔焊结构及特点
在管壳式换热器中,有四种管子与管板焊接接头形式:外伸角接、缩角接、平齐端接、无间隙式接头。其中内孔焊结构属于无间隙式接头,是在管板背面的管孔边缘加工成特定的形状,使之与管端对接,并采用内孔焊枪进行焊接的一种结构,其结构形式如图2所示摘录于(GB/T 151-2014,图6-22)[2];
1.1优点:
1.焊接接头可靠性好,连接强度高;
2.焊缝的温度接近壳体介质的温度;
3.换热管与管孔之间不存在间隙,无间隙腐蚀;
4.焊接接头是对接形式,可承受大的载荷;
5.不产生胀管的残余应力;
6.不存在端部焊接接头出现的焊缝根部切口的应力集中,运行中不易产生裂纹;
1.2缺点:
1.管板加工和装配精度要求高;
2.对焊接设备和焊接工艺要求高;
3.返修困难,焊缝质量检查复杂;
4.生产周期较长。
由(图2)可见,内孔焊结构形式很多,根据Ⅱ段反应换热器产品特点,管板材料为 F347H Ⅳ,厚度为109mm,换热管材料为TP347H,规格为φ25 x 2mm,数量为2743根。管板和换热管均为不锈钢材质,管板较厚,换热管数量较多,焊接工作量较大。不锈钢材质热膨胀系数大,焊后容易产生变形,厚板焊接接头存在较大残余应力,而且热导率低,热量不易散失,扩大了敏化温度区间,降低接头耐蚀性。为了减少加工量,提高组装效率,降低焊接接头残余应力,力口快热量散失,根据本厂现场模拟试验,设计探讨后优化采用(图3)
的结构形式,该结构是采用机加工围绕每一个接口加工出一个突起的圆台,可以起到释放焊接应力,加快热量散失的作用,圆台中间加工一个内平台,换热管与管板组对容易,可以提高组装的效率和精度。
2.内孔焊工艺与设备
内孔焊是采用全位置数控脉冲自动氩弧焊设备,使用内孔焊机头,伸入到管孔内部,,进行全位置自动焊接成形 的一种方法。该焊接方法自动化程度高,焊接过程稳定可靠。我们采用的是某厂生产的TPN19型全位置内孔焊枪,该设备主要由内孔焊机头,焊接电源,可编程控制箱,遥控盒, 冷却系统等组成。
2.1内孔焊机头(见图4)
主要由回转枪体部分、定位调节装置、水电气路系统、等结构组成。 其工作原理是通过调节盘调节好焊接深度,采用焊嘴后部定位,微电机带动电极旋转,氩气通过进气管送进,进行保护,按预先输入的焊接工艺参数进行全位置自熔焊接,背面成形;
2.2焊接电源(见图5)
选用焊接电源为HUAHENG电源;
2.3可编程控制箱(如图6所示)
2.4遥控盒(如图7所示)
用于焊接启停,氩气送进,机头旋转,微调机头位置,确保焊接准确定位;
2.5冷却系统(如图8所示)
用于焊接设备的冷却,可直接冷却焊嘴,可提高喷嘴使用寿命。
2.6气动定位操作架(如图9所示)
另外由于我们产品换热管与管板为不锈钢材质,为了焊接时背面不被氧化,我们制作了氩气保护罩,如(图10)所示。管板与壳程筒体先不焊接,预留一定空间,以便换热管与管板焊接时进行背面气体保护,并进行检查。
3.焊接工艺试验
产品焊接前通过焊接模拟试件进行验证性试验,不仅可以得到满足产品生产要求所需要的合格的焊接参数,降低在产品焊接时的不合格率, 更可以让我们通过一系列试验检验焊接参数对接 头力学性能方面的影响,获得标准规范对于产品的质量要求。
3.1模拟试件结构及尺寸 模拟试件结构及尺寸如图10所示,材质、换热管尺寸、管板管孔尺寸均与产品相同。
3.2焊接工艺参数[3]
内孔焊焊接接头的焊接程序包括:按下启动按钮,提前送氩气,然后高频起弧,起弧后在起弧点停留一段时间,用电弧预热焊接区域以建立熔池,然后送出脉冲电流,同时机头开始旋转,焊接一周后电流在指定位置开始衰减,一段 时间后,电弧熄灭,机头停止转动,延时送气。
根据焊接设备厂家提供的焊接工艺参数进行试焊,再根据实际施焊情况调整个别工艺参数。 其中影响内孔焊接头焊接质量最主要的工艺参数有:峰值电流、峰值时间、基值电流、基值时间、旋转角度和焊接速度。见图11
3.3工艺评定试验
依据GB151和NB/T47014标准规定,为保证焊缝焊接质量,我们对模拟件进行了渗透检测、 拉伸试验、金相试验(宏觀)、焊缝厚度测定。试验结果满足标准要求。
4工艺过程
4.1焊接过程[4]
4.1.1焊接前应清理管板、管子内外表面的油、锈、水分等杂质;
4.1.2检查水路、气体等是否畅通到位;
4.1.3支座工装对管板进行防变形加固定位,采用水平尺测量管板垂直度,焊接机头根据管板的水平度进行调整;
4.1.4首先要采用标尺测量焊接接头距离管板外表面尺寸,用固定装置固定,防止焊接时移动,确定好钨极对准的位置,然后将焊枪抽出,将管子插入,观察换热管与管板的组对情况;
4.1.5确认组对完好后,将焊枪插入,同时在换热管与管板对接外侧将氩气保护罩罩好,预先通氩气,然后进行焊接;
4.1.6焊接后,用内窥镜观察焊接接头内部是否存在内凹,外表面是否存在未焊透现象,如果存在未焊透缺陷可以稍微加大电流再焊一遍
4.2焊后检验
采用本人设计的内孔焊焊接接头的检测装置(专利号:ZL 2016 2 0458277.3)见图12,进行氦检漏试验来检测内孔焊管口的焊接质量,每焊接完成一排内孔焊的换热管时,逐根换热管与管板焊缝进行氦检漏试验,试验压力:0.35MPa, 试验气体为100%氦气。不满足该要求的焊缝返修合格后重新检验。
5.结语
Ⅱ段反应换热器的换热管共有2743支,其内孔焊端管板管孔的加工难度较大,加工时间较长;同样为了保证每一个内孔自动焊管口的焊接质量,工作量也较大,耗时较长。该台设备通过精心准备,从内孔焊背气保护工装的制作、焊接工艺试验、焊工培训取证、焊接工艺评定到产品施工时的焊接,分别提出了合理可行的制作方案。焊接完毕后,没有一根内孔焊管子-管板焊接接头发生泄露情况,达到了预期的目标。Ⅱ段反应换热器的成功制作,使我们基本上掌握了管子-管板内孔自动焊的焊接技术。
參考文献
[1]刘斌. 内孔焊接在进出料换热器中的应用[J]. 新技术新工艺, 2009(1):65-67
[2]国家质量技术监督局.热换热器GB151-2014[S].中国标准出版社,28-29
[3]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册第一卷(焊接方 法及设备)[M].北京:机械工业出版社,2008:130-131, 612-613
[4]黄旭升。内孔焊技术在换热器制造中的应用[J]. 焊接, 2006(12):46-49
作者简介
颜珺(1985-),男,工程师,主要从事压力容器形成件的工具与模具设计