朱志剛

（森松（江蘇）重工有限公司，江蘇 如皋 226532）

關(guān)鍵字：管子-管板焊接；坡口設(shè)計；模擬試驗；自動焊；焊前及過程控制；焊縫檢查

換熱器管子-管板接頭的焊接是最普遍的一種形式，其焊接質(zhì)量直接影響到系統(tǒng)運行的可靠和效能。結(jié)合目前一般制造企業(yè)管子-管板焊接工藝和質(zhì)量狀況，提出改進的方法。

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

圖1 典型的換熱器結(jié)構(gòu)型式Fig.1 Typical structure type of heat exchanger

換熱器管子-管板的接頭常有以下幾種結(jié)構(gòu)型式，管子外伸、管子平齊和管子內(nèi)縮、深孔焊接。

針對設(shè)計圖紙管子、管板的不同的材料、規(guī)格和坡口情況，在產(chǎn)品焊接之前需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)要求。例如根據(jù)NB/T 47014—2011 附錄D[1]、GB/T 151—2014[2]的規(guī)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管子-管板的焊接普遍還不夠重視，技術(shù)和管理水平還停留在以前的水平，焊接質(zhì)量參差不齊，導(dǎo)致產(chǎn)品運行過程中常常發(fā)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(shè)計人員對管子-管板接頭的設(shè)計缺乏認(rèn)識，為滿足管子-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(chǎn)生未焊透的可能。針對管子-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(shè)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(yīng)力和設(shè)備在運行工況下的開裂，是裂紋根源所在。

圖2、3 是常見的管子-管板坡口圖紙設(shè)計（設(shè)計壓力＜35 MPa），圖2為平齊結(jié)構(gòu)，管子為10，φ 25 mm×2.5 mm，管板16Mn，設(shè)計坡口為V型，坡口深度h為3.5 mm。圖3是一臺冷凝器管子-管板坡口設(shè)計，管子為SB-338 Gr.2，φ19.05 mm×1.245 mm，管板SA-266 4+SB-265 Gr.1，坡口深度h為2 mm。共同特點是采用V坡口，坡口深度h＞管子壁厚t。

實際工藝試驗表明，這樣的坡口設(shè)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(chǎn)品在工況條件下進一步開裂的可能，發(fā)生泄漏。

圖3 圖紙坡口設(shè)計（外伸）Fig.3 Drawing beveling design（Protruding）

圖4 試件斷面檢查(未焊透)Fig.4 Inspection of specimen section (lack of penetration)

管子-管板焊接工藝缺乏針對性的試驗和評價，僅僅按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進行工藝評定（PQR）是不夠的。目前一般制造廠的管子-管板焊接都是按照標(biāo)準(zhǔn)要求的工藝評定去覆蓋（例如NB/T 47014—2011 附錄D[1]），按照標(biāo)準(zhǔn)確定的電流、管子壁厚、管子直徑和孔橋距離等因素確定其符合性，而對于特定管子管板條件下焊接質(zhì)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(zhì)量要求值得懷疑。實際上，產(chǎn)品管子-管板的焊接質(zhì)量除了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要素外，還與材料、坡口、裝配和焊工技能等有密切關(guān)系。目前國內(nèi)許多工廠管子-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(zhì)量是無法保證的。

管子-管板焊接工藝裝備落后，不能滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。目前很多工廠的管子-管板焊接還是手工焊，焊接設(shè)備老舊，電源輸出不穩(wěn)定。還有一些焊接設(shè)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(jīng)驗焊接。另外，一臺換熱器產(chǎn)品管子-管板接頭往往有幾千個，管子-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(zhì)量很難保證。對于一些特材管子-管板，手工焊接更是難以勝任，常常會產(chǎn)生燒穿和產(chǎn)生焊縫氧化等問題。隨著自動焊技術(shù)的不斷發(fā)展，管子-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，難以滿足管子-管板焊接要求。管子-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，管子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(guī)的規(guī)定，焊工通過一般管板角焊縫考試即可，考規(guī)沒有考慮管子壁厚、坡口尺寸等，自動焊也不考慮材料類別和管子直徑，管子-管板與一般坡口角焊縫對比見表1。管子-管板焊工有必要經(jīng)過專項的考核。

另外，產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)要求（例如PT 檢測），對焊縫的要求比較低。總的來說，目前管子管板從接頭設(shè)計、評定試驗、焊接工藝及設(shè)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(zhì)量的接頭，下面就這些方面提出改進措施。

管子-管板接頭及坡口設(shè)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(jù)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。以一臺冷凝器鈦管子-管板焊接為例，管板16Mn+TA1，管子SB-338 Gr.2，φ19.05 mm×1.245 mm，設(shè)計圖紙坡口接頭如圖5所示。由于鈦管子直徑小，壁厚很薄，很難在不熔穿管壁的情況下把根部熔透，因為當(dāng)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。

表1 管子管板焊縫和一般坡口角焊縫對比Table 1 Comparison of tube and tube plate welds and general groove fillet welds

根據(jù)GB/T 151—2014 《熱交換器》 6.6.2.3 條[2]的規(guī)定（設(shè)計壓力≤35 MPa），管子-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(yīng)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(shè)計人員交流后，設(shè)計人員計算后把坡口深度改為1 mm（圖6 所示）。這樣管子-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(zhì)量。

坡口型式也是影響管子-管板焊接的一個重要因素。按照管子-管板常規(guī)設(shè)計，管板坡口常常設(shè)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h ≥2 mm 時），焊縫根部應(yīng)力較大。根據(jù)眾多產(chǎn)品的實際案例，采用J 型坡口，能有效提高焊縫的焊透性，從而大大提高管子-管板焊接質(zhì)量。圖7 是V 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?？梢钥闯觯捎脙?yōu)化的J 型坡口焊接質(zhì)量有了很大的提高（兩者采用相同焊接工藝條件）。

圖5 冷凝器鈦管子管板坡口設(shè)計Fig.5 Drawing groove design of condenser titanium tube and tube sheet

圖6 冷凝器鈦管子管板坡口優(yōu)化設(shè)計Fig.6 Optimization design of groove of condenser titanium tube and tube sheet

圖7 V 型坡口試件斷面Fig.7 V-slope section of test piece

圖8 J 型坡口試件斷面Fig.8 J-slope section of test piece

所以，在滿足拉脫力和強度的情況下，管子-管板焊縫高度l 應(yīng)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。

管子-管板有了良好的坡口設(shè)計，也必須要有針對性的技術(shù)評價手段，而不能僅依賴標(biāo)準(zhǔn)的工藝評定。根據(jù)前面的論述，影響管子-管板焊接的因素不只是標(biāo)準(zhǔn)范圍的要素，還與材料具體類別和規(guī)格、坡口、裝配和焊工技能密切有關(guān)，特別是鈦、鋯等特材管子-管板。外徑和壁厚較小的管子-管板焊接難度更大，一個專門的工藝試驗是必要的。所以針對不同的管子管板產(chǎn)品，有必要進行一個產(chǎn)品實物的焊接試驗評定（Mock-up test 試驗），試驗用管子-管板材料、坡口型式和尺寸、裝配尺寸與產(chǎn)品一致（管板材料一般同等級，t ≥50 mm 也可以），脹接工藝、焊接方法與工藝參數(shù)、焊材等與產(chǎn)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(zhì)量要求的接頭。這是目前一般制造企業(yè)管子-管板焊接比較欠缺的。根據(jù)不同材料和接頭型式，Mockup試驗應(yīng)對焊縫的焊透性和焊縫厚度（符合標(biāo)準(zhǔn)）、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，特別適合管子-管板前期工藝評價和焊工考核。只有都通過了模擬產(chǎn)品的工藝驗證，焊工才具備了某個管子管板的焊接資質(zhì)。

隨著自動焊技術(shù)和焊接電源性能的不斷提高，為管子-管板自動焊的發(fā)展帶來了機會。自動焊相比手工焊具有以下優(yōu)勢：①高性能焊接電源配合機頭等輔助系統(tǒng)能焊出高質(zhì)量的接頭。目前管子-管板高性能焊接電源很多，脈沖輸出更穩(wěn)定，適合管子-管板自動焊。另外目前國內(nèi)有很多專業(yè)管子管板自動焊配套公司，提供專業(yè)的機頭輔助系統(tǒng)。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。由于換熱器管子-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(wěn)定也會給焊接質(zhì)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(shù)已是現(xiàn)實的選擇。管子、管板采用自動GTAW 的產(chǎn)品焊縫，焊工作為機器操作工，焊接強度小，焊接效率高，產(chǎn)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(yīng)用，企業(yè)除了采購配置設(shè)備外，還必須對系統(tǒng)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(shè)備操作培訓(xùn)，做到焊工熟練使用設(shè)備。

管子-管板除了要有好的坡口設(shè)計、焊接工藝設(shè)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(zhì)量創(chuàng)造條件。影響管子-管板焊接的因素除了以上要素外，還和管孔、坡口加工質(zhì)量、管子裝配、操作平臺和焊接環(huán)境、氬氣保護、參數(shù)調(diào)整、鎢棒燒損等細(xì)節(jié)相關(guān)。因為管子-管板焊接的局限性以及焊后不易返修的特點，產(chǎn)品往往只允許一次焊好。所以為保證產(chǎn)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(nèi)容見表2。

表2 管子-管板過程檢驗和控制內(nèi)容Table 2 Tube and tube sheet process inspection and control content

表3 管子-管板目視檢查不合格缺陷Table 3 Visual inspection of pipe and tube sheet for nonconforming defects

產(chǎn)品管子-管板焊后應(yīng)加強對焊縫的檢測。焊后應(yīng)對焊縫逐一外觀檢查，發(fā)現(xiàn)不合格焊縫應(yīng)進行標(biāo)識和登記，由焊接工程師出具針對性的返修或換管工藝，嚴(yán)禁焊工私自補焊。另外，一般換熱器產(chǎn)品圖紙只要求焊后表面PT 檢測，對焊縫內(nèi)部缺陷（未焊透、未熔合等）沒有要求檢測，這往往成了日后產(chǎn)品發(fā)生事故的隱患。所以對管子-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。

管子-管板的焊接，需要設(shè)計改變思路，優(yōu)化坡口設(shè)計，在滿足強度的前提下選用最小焊縫尺寸l 和h。企業(yè)應(yīng)積極采用高性能設(shè)備的自動焊方法，以提高焊接質(zhì)量和效率。對焊接工藝和焊工進行模擬產(chǎn)品焊接試驗和評價，重視焊前準(zhǔn)備和檢查，加強焊接過程對質(zhì)量有影響的細(xì)節(jié)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茏?管板的焊接質(zhì)量對換熱器產(chǎn)品穩(wěn)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。