銅制換熱器是電力、化工行業(yè)中常用的熱傳導(dǎo)設(shè)備，其制造難度大，質(zhì)量較難保證，在使用中易發(fā)生泄漏。
1、背景由于銅和不銹鋼的物理性能差異性非常大，兩者間的可焊接性，傳統(tǒng)銅制換熱器管板與銅管連接方式主要為強(qiáng)度脹接，強(qiáng)度脹接的接頭密封性能主要取決于管板孔徑、溝槽寬度及深度，以及換熱管自身外徑，而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生偏差，換熱管、欠脹，導(dǎo)致設(shè)備在投入使用中發(fā)生泄漏。因此改進(jìn)的制造工藝十分必要。
通過(guò)對(duì)某公司銅換熱器的制造，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最終確定采用強(qiáng)度焊+貼脹的新型制造工藝。
該設(shè)備采用U形換熱管管束，按GB/T151—2014《熱交換器》進(jìn)行設(shè)計(jì)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示，管板與換熱管連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。換熱管與管板焊接接頭型式不按比例，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，設(shè)備殼程、管程等主體材料如表2所示。
2、制造過(guò)程2．1工藝方案的制定方案一
強(qiáng)度脹一般要求管板表面硬度大于換熱管30HB為最佳狀態(tài)，但管板材料為S30408，銅管材料為T(mén)P1，材料S30408硬度遠(yuǎn)高于TP1，為驗(yàn)證強(qiáng)度脹是否能達(dá)到預(yù)期效果，進(jìn)行了第一組試驗(yàn)。采用19mm×1.2mm銅管TP1，管板S30408，厚度45mm。采用機(jī)械脹，脹度控制在6%～8%，按管壁減薄率理論計(jì)算脹后內(nèi)徑為17.06～17.11mm進(jìn)行脹接，最終脹接各管口內(nèi)徑約17.15～17.24mm，均為過(guò)脹。試驗(yàn)管板結(jié)構(gòu)如圖3所示。
按TSG21—2016和GB/T150—2011進(jìn)行1.5MPa水壓試驗(yàn)，在加壓過(guò)程中已出現(xiàn)泄漏，如圖4所示。初步判斷可能在試驗(yàn)制造過(guò)程中存在其他的影響因素，本次試驗(yàn)失敗。考慮到此現(xiàn)象有可能在實(shí)際產(chǎn)品中出現(xiàn)，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，擬采用其他方法。
方案二
借鑒其他單位制造經(jīng)驗(yàn)，擬在脹管前在銅管與管板間隙填塞金屬膠水，然后進(jìn)行強(qiáng)度脹。但對(duì)于這類金屬，膠水穩(wěn)定性無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，且對(duì)膠水在長(zhǎng)期高溫下使用是否穩(wěn)定存在顧慮。
方案三S30408管板與TP1銅管焊接+貼脹。采用EＲNiCu－7氬弧焊焊絲進(jìn)行焊接，焊接中，在不填絲情況下，接頭無(wú)法熔合。，需把握較好的電弧角度和送絲角度才能實(shí)現(xiàn)管板接頭完全連接，操作難度非常大。在試驗(yàn)后仍有1/4的接頭存在泄漏，缺陷均為裂紋和未熔合。采用此方案，操作難度大，而且返修率較高。
方案四在S30408管板上堆焊一層鎳基焊材，銅與鎳合金的可焊接性比與不銹鋼的好。試驗(yàn)采用在S30408管板上堆焊一層厚度4～5mm的Ni307B，加工后有效厚度3mm。試驗(yàn)坡口參考圖2，管板厚度(45+3)mm。進(jìn)行手工GTAW焊接和貼脹，水壓試驗(yàn)4MPa，接頭密封性符合要求。性，按NB/T47014—2011進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定。S30408堆焊Ni307B，表面滲透檢測(cè)合格，側(cè)彎無(wú)裂紋，合格(見(jiàn)圖5)。
換熱管管板接頭按NB/T47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》附錄D進(jìn)行評(píng)定，焊接接頭表面滲透檢測(cè)合格，8個(gè)面宏觀金相檢驗(yàn)均合格，角焊縫厚度達(dá)到要求(見(jiàn)圖6)。
2．2制造工藝的選取
對(duì)上述方案進(jìn)行分析：
方案1:對(duì)強(qiáng)度脹要求極高，且須保證管板管孔、換熱管厚度、外徑在極嚴(yán)格的公差范圍內(nèi)，較難控制;
方案2:對(duì)金屬膠穩(wěn)定性無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐;
方案3:可行，但返修率較高;
方案4:通過(guò)堆鎳銅管與管板焊接接頭較好的連接性，且通過(guò)了耐壓試驗(yàn)。
因此選取方案4進(jìn)行制造，方案可行，且返修率較低。
2．3產(chǎn)品制造工藝實(shí)際制造過(guò)程中考慮整塊管板堆焊會(huì)發(fā)生變形，在管板毛坯表面預(yù)留高度3～4mm的圓弧形凸臺(tái)。堆焊完成后，管板整體向凸臺(tái)方向變形，管板堆焊表面水平，如圖7所示。
，每圈焊道均為同心圓，且堆焊方;堆焊完成后，表面進(jìn)行100%滲透，合格。對(duì)管板表面和背面進(jìn)行金加工、鉆孔、加工密封面，達(dá)到圖紙要求。不銹鋼與鎳焊接易形成熱裂紋，且在管板堆焊中，外徑方向變形加大，焊接應(yīng)力會(huì)加劇熱裂紋的產(chǎn)生。因此，手工堆焊Ni307B過(guò)程中，需嚴(yán)格控制道間溫度，堆焊1～2層;如發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生裂紋，需完全打磨去除缺陷后補(bǔ)焊。
管板焊接接頭采用手工鎢極氬弧焊，不宜采用管板自動(dòng)焊。手工鎢極氬弧焊可靈活調(diào)節(jié)電弧高度、方向、送絲角度等，熔合較好;而管板自動(dòng)焊，當(dāng)裝配間隙偏大或偏小、管口，見(jiàn)圖8，9。完成后對(duì)管板角焊縫進(jìn)行100%PT，按NB/T47013。5—2011評(píng)定合格，而后進(jìn)行貼脹。
換熱器殼程、管程按照常規(guī)壓力容器產(chǎn)品進(jìn)行制作。在S30408堆，焊工需要按照TSGZ6002—2010《特種設(shè)備焊接操作人員考核細(xì)則》取得FeⅣ堆焊鎳基焊條資格;管板焊接接頭焊工需要取得FeⅣ與銅及銅合金相焊的焊接資格(填充焊絲類別為鎳及鎳合金焊絲)。
3、小結(jié)本研究成功完成了銅制換熱器的制作，主要采用強(qiáng)度焊+貼脹的新型工藝，其可操作性及穩(wěn)定性均得到提高，更好地保證了產(chǎn)品質(zhì)量。
另外，銅制換熱器中采用強(qiáng)度焊+貼脹工藝，使銅管塑性變形較小，損壞較少，避免采用形較大而產(chǎn)生拉裂的現(xiàn)象。
不銹鋼堆焊鎳基合金后與銅的可焊接性明顯改善，但不銹鋼堆焊鎳，必須嚴(yán)格控制道間溫度(不宜超過(guò)150℃)。銅管與堆焊鎳基的管板宜采用手工鎢極氬弧焊，更易保證焊縫質(zhì)量。
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