徐兆雷 姜从从 匡素丽 彭传欣
青岛德固特节能装备股份有限公司，山东 青岛 266000
摘要：余热锅炉设置于炭黑生产装置空气预热器之后，主要是利用高温炭黑烟气与水间接换热产生蒸汽，用于回收部分炭黑烟气显热，并减少二次急冷水量，提高炭黑尾气热值。炭黑的生产过程，也是能量回收的过程，是能量回收的主要设备之一。而管头是余热锅炉的重点结构形式，无论设计选型，还是加工制造顺序都直接影响到余热锅炉的使用寿命。本文通过对先胀后焊技术的分析研究，对管头进行宏观分析比对，以验证先胀后焊的效果。
关键词：先胀后焊；胀接工艺；焊接工艺；余热锅炉
1 概述
《GB151-2014热交换器》中对于换热管与管板的连接给出了三种方法，强度胀接，强度焊接，胀焊并用。对于余热锅炉的管头，因其工况存在间隙腐蚀的可能，目前公司常用换热管与管板的连接方法为第三种，胀焊并用，先焊后胀。使余热锅炉有更好的密封性和力学性能。而此种技术在应用过程中收到客户反馈，仍存在管头腐蚀的情况。经分析，采用先焊后胀技术，胀接过程会对换热管与管板的管头焊缝产生一定的外力，而由于换热管与管孔的不同心，胀接时换热管管头处被焊缝束缚，内壁受力不均，造成管头焊缝处的局部应力集中，从而导致在极端工况时此处最先失效。经过研究讨论，针对炭黑领域余热锅炉的特殊性和不确定性，相关人员制定了一个合理的胀焊工艺参数，在保证消除间隙的同时，通过逐步调试设备满足标准要求的贴胀胀度，通过对试样的宏观分析，先胀后焊工艺的应用达到了预期的效果。
2 方案制定
（1）试样准备：准备一组共12个管头的管板角接接头试件，管板材料为Q345R，厚度30mm，换热管材料20#，规格φ76x5。换热管与管板连接接头型式如下1：
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（3）工艺顺序：采用先胀后焊工艺顺序进行制造，目视检查无缝隙，用手触摸有棱台，避免漏胀，焊后切割管头试样，对焊缝进行宏观金相检测接头性能。
（4）胀接设备：
①电动胀管控制仪P3Z1系列，生产单位：吴江市长江特种设备工具厂，如图2
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3 工艺实施
（1）管端应用机械或手工方法进行打磨清理，打磨清理长度符合GB/T151-2014的规定。使其露出金属光泽，打磨后的管子表面不得有起皮、凹痕、裂纹和纵向沟槽、棱痕等缺陷。选用合适的胀接参数，定值器设置2档21，1遍。未避免影响管头焊接，润滑剂选用洗洁精，便于焊前清理。
（2）先对12件试件进行预胀，经目视及背面透光检测无间隙为合格，记录相关数值；
（3）焊接管头，焊接方法选用GTAW，手工氩弧焊，焊丝采用ER50-6φ1.6/2.5。电流选用160-180A，电压10-14V，焊接速度7-12cm/min，保护气体选用氩气Ar，纯度99.99%，气体流量10-15L/min。焊接遍数为3遍，分别为打底焊、填充和盖面。打底焊为自熔，根部可全焊透，第二遍和第三遍为填丝焊接。焊后复测胀接处的内径，记录相关数值，计算焊后胀度。
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（4）经计算，胀度满足《GB/T151-2014热交换器》第6.6.1.4条，2%-3%的要求。将焊接完成的试样，切割成4份，对接头处截面进行宏观分析研究，发现接头处截面成型良好，12件管头截面根部全焊透，换热管外壁与管板内壁紧密贴合，无间隙，如图4。
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4 结论
（1）经过对胀接数据分析发现，影响胀度的因素较多，而在这些因素中，管板管孔的因素可不考虑，因为管孔是经过精密机械加工而成，精度可控。而换热管的外径，壁厚则因为其成型工艺差别较大。此次试验在胀接前对换热管的外径和内径逐支测量，以追求试验结果的准确性。但在实际生产过程中，我们无法做到对每根换热管进行端部测量。因此，制作胀接试样尤为重要，通过对切割后的试样分析研究，我们发现，在换热管内径和外径不一致的情况下，选择合适的胀度可以消除换热管与管板间的间距，同样也可以获得满意的胀接后形态。
（2）对切割后的试样进行宏观金相分析研究，换热管与管板接头剖面轮廓清晰可见，接头打底及盖面焊缝未受胀接影响，根部全焊透，熔深满足图纸要求。完工的换热管与管板接头未收到外力影响，组织分布稳定。先胀后焊技术应用在试样上取得成功。但是余热锅炉的工况极为复杂，无论是运行时的受力状态，还是面临的存在间隙腐蚀或碱腐蚀等的复杂环境，同样包括水质都会对管接头造成危害，因此，应用先胀后焊技术的焊接接头在实际产品上的表现是最具说服力的，目前我公司采用先胀后焊技术制作的余热锅炉已经无故障运行3年。
参考文献:
[1]陈永宁.黄曰侯.换热器胀接接头质量控制的讨论[J].石油化工设备,1986,15(8):17-24.
[2]周毅.金相检验的地位、作用和检验技术[J].乌鲁木齐：应用技术，2010.