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哈雷釬焊板式換熱器
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管殼式換熱器換熱管與管板接頭的焊接工藝

點擊:1519 日期:[ 2014-04-26 21:53:32 ]
              Bfe30-1-1/16MnR管殼式換熱器換熱管與管板接頭的焊接工藝                                       曾愛國                         (湖南湘鋁有限責任公司,湖南湘鄉411400)     摘要:本文以氯仿塔再沸器為例,介紹了以白銅板Bfe30-1-1與16MnR金屬復合板為管板的管殼式換熱器的材料特性,管板加工,特別是換熱管與管板連接接頭的焊接工藝。     關鍵詞:管殼式換熱器;換熱管;管板接頭;焊接工藝     1·前言     在熱交換器的運行過程中,管子與管板的邊接接頭是最容易發生泄漏的部位,因此換熱管與管板連接工藝是整個換熱器制造的關鍵工序之一。我們于2000年五、六月間為江蘇某化工集團制造了八臺以Bfe30-1-1為換熱管的管殼式換熱器。這八臺換熱器換熱管與管板的連接要求采用強度脹加密封焊的形式。這里著重介紹換熱管與管板接頭的焊接工藝。下面僅以其中一臺“氯仿塔再沸器”為例說明之。     2·氯仿塔再沸器技術特性     氯仿塔再沸器技術特性見表1,結構見圖1。     氯仿是有機中度有毒無色透明液體,有特殊氣味,味甜,相對密度1.498(15/4℃),比小重,微溶于水,易揮發,不易燃。純凈干燥的氯仿對大多數金屬無腐蝕性,但在空氣、水分和光的作用下,酸度增加,因而對金屬有強烈的腐蝕性。     3·材料     氯仿塔再沸器殼體材質為16MnR(厚度10mm)。管板是Bfe30-1-1/6MnR爆炸金屬復合板(厚度6/66mm)。均軟狀態供貨,拉伸強度達σb=540MPa,剪切強度ζ=210MPa,經超聲波檢測結合面積達98%。     換熱管采用BFe30-1-1白銅管,規格是Φ25×2,總數469根,軟狀態供貨。代學成份見表2,機械性能見表3。     由于目前國內沒有標準的白銅用焊絲,所以換熱管焊接時只有采用非標準的自制焊絲。一般采用與基材成分相同的焊絲,具有相同的抗腐蝕效果。選擇白銅焊絲最重要的是控制其中雜質含量和提高其脫氧能力,以避免熱裂紋和氣孔的出現。為此,焊絲選用符合美國AWSA5.7標準的ERCuNi,這種焊絲含有一定量的脫氧無素Mn Si,可以大大減少焊縫中氧的含量。另外,焊絲中加入一定量的Fe可以提高焊縫強度和耐磨性。焊絲規格是Φ2mm,化學成分見表4。     銅鎳合金焊接時,控制基材和焊材中雜質的含量到關重要,因為銅和鎳可以和多種雜質元素(如Pb、S、P等)形成低熔點共晶體。如(Cu+Pb)326℃;(Cu+Cu2S)1067℃;(Ni+Ni3S2)664℃;(Ni+Ni3P)880℃等。這些低溫共晶體富集于晶界,焊縫結晶時在焊接應力作用下易在焊縫中產生熱裂紋(結晶裂紋)。ER-CuNi焊絲的雜質含量滿足焊接要求。     4·管板加工和裝配     管板是換熱器的主要受壓元件,管孔的制造精度對換熱器與管板連接接頭的脹接和焊接質量有很大影響,管孔的加工采用了數控機床。數控機床加工管孔節省了人工劃線時間,并且定位更加準確,為了保證管孔的加工精度達到圖紙要求,鉆孔采用了二次擴鉆。管板加工和裝配尺寸見圖2。     5·焊接性分析     白銅是銅鎳合金,顏色呈銀白色或淡白色。白銅具有耐熱和耐寒的性能,中等強度,塑性高,能進行冷熱壓力加工,優良的綜合力學性能,焊接性好。白銅在淡水、海水和蒸汽中有很好的耐蝕性,主要用于高速、高溫、高壓條件下工作的冷凝管、蒸發器、熱交換器和各種高強度的耐蝕件等。     銅合金在焊接時易出現的缺陷主要有裂紋和氣孔。首先是熱裂紋。白銅的主要成分是Cu和Ni。Cu和Ni可形成無限固溶體,焊縫組織是粗大的a單相組織。由于受雜質元素(如Pb、Bi、P、As等)影響,固一液相區間擴大,所以,即使雜質含量很少,當晶界析出低熔點共晶物時,在焊接應力的作用下,也十分容易形成熱裂紋。其次是氫侵蝕裂紋,若銅合金中含氧量較高,焊接過程中,氣分中的氫就會向銅合金中擴散,使氧化銅發生還原反應(CuO+2H=Cu+H2O),所形成的H2O,以氣體形態聚集于晶界,形成很大內應力,使銅合金形成顯微裂紋,甚至破裂,即形成氫侵蝕裂紋。     再者是氣孔,氣孔是由以下反應形成的:     2H(a)+O(A)=H2O(g)(1)     2H(a)=H2(g)(2)     式中(a)為原子態,(g)為氣態。     由反應(1)生成的H2O,不溶解于銅中,在銅的凝固過程中,來不及逸出而形成氣孔,同理由反應(2)生成的H2也會形成氫氣孔。     白銅的焊接性是銅合金中最好的,可進行全位置焊接,不用采用預熱措施。因白銅的導熱性比紫銅大大降低了[BFe30-1-1熱導率37W/(m·K);     碳鋼78 W/(m·K)],接近于碳鋼,這有利于熔池的形成,改善了銅合金的焊接性,不采用預熱措施也有利于改善焊接作業條件。     6·焊接工藝     銅及銅合金焊接廣泛采用直流正接法鎢極氬弧焊。鎢極氬弧焊焊接工藝的再現性強,能夠較好的控制線能量,焊接質量穩定,焊縫成形好,且無飛濺和熔渣。電流極性采用直流正接是焊接白銅的最佳選擇,這時鎢極是陰極,鎢極熔點高,在高溫時電子發射能力強,電弧燃燒穩定性更好,鎢極損耗也小,不易過熱,對于同一焊接電流可以采用直徑較小的鎢極,電流密度大,電弧挺度好,可以獲得深而窄的溶池,工作收縮和變形都小。鎢極氬弧焊對焊件和焊絲表面的污染非常敏感,白銅焊接時會因污染而容易產生氣孔,所以焊前清理至關重要。因此,裝配前必須清除管端和管孔表面的毛刺、氧化皮、油脂、水分等。點固焊裝配合后強度脹。脹管率要求達到2-3%。管頭全部脹接后,給殼程打水壓(1.33MPa)。無滲漏后,準備密封焊。脹管后管的伸出長度有所增長,可采用削管器削除多余的長度使之符合裝配要求,密封焊前再用丙酮擦洗一次管頭,焊接時必須填絲并且管頭不熔倒,避免根部未焊透和坡口邊緣未熔合的產生。白銅的流動性比較好,采用垂直俯位的焊接位置利于根部焊透。焊接時應盡可能的采用小的焊接線能量,較快的焊接速度,以使晶粒細小,提高焊接質量。由焊接工藝評定確定的焊接工藝參數見表5。     7·檢驗     7.1滲透檢測     管一板接著全部焊完24小時之后,進行100%滲透檢測,沒有發現裂紋和氣孔。     7.2宏觀金相     由于制造白銅管換熱器在我所尚屬首次,對白銅的焊接性不十分熟悉,為此,按GB151-1999《鋼制客殼式換熱器》附錄B標準做了焊接工藝評定。在焊接工藝評定試板中取三塊試樣。取樣采用線切割,這樣可以保證切面的粗糙度較好,便于加工剖面和試樣復位的完好性。試樣經研磨和腐蝕后,對其中4個剖面的8個觀察面進行檢查,沒有發現裂紋和內部氣孔。所有受檢查剖面的角焊縫H值均大于管壁厚的1.4倍即2.8mm,H的平均值為3.5mm。符合GB151-1999《鋼制管殼式換熱器》附錄B的指標要求。     8·結論     (1)根據焊接工藝評定及實際焊接結果證明,BFe30-1-1白銅管與BFe30-1-1/16MnR爆炸復合板連接接頭的焊接性良好,不用采用預熱措施。     (2)采用符合標準的焊接材料,正確的焊接程序和適宜的焊接工藝參數,能夠避免發生焊接裂紋和氣孔,從而得到滿足使用要求的焊接接頭。     (3)焊接時必須填絲以獲得優質的焊接接頭。     (4)該組設備已經安全運行近兩年,說明采用此焊接工藝施焊的這批產品質量良好,完全符合設計要求。     參考文獻     [1]付積和.焊接數據資料手冊.北京:機械工業出版社,1997,550---552     [2]俞尚知.焊接工藝人員手冊.上海:上海科學技術出版社,1991.164---1616
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