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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