王立冰
身份证号码：37152219860402****
摘要：随着经济和科技水平的快速发展，换热器（亦称热交换器）是一种使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定工艺要求的装置，是对流传热及热传导的一种工业应用。印染设备主要由换热器和染缸（亦称染色机）通过中间管道连接组成，其主要功能是通过配置专用纱架，对各种类型纱线、纯棉、尼龙、羊毛、毛涤等进行漂染处理，在印染设备中通常采用换热器加热漂染用染液。本文就笔者在压力容器制造监督检验过程中的工作实践，通过综合各类文献及技术规范、标准基础知识，对设备用换热器筒体、封头与管板连接接头参数规范性及焊接工艺进行探讨，为业内同仁对该类换热设备制造监督检验时提供借鉴和参考。
关键词：换热器；监督检验；接头参数；焊接工艺
引言
机械化程度制约焊接技术的进步，从手工焊到半自动机械焊，再到自动焊，是一个漫长的发展过程，随着科技的进步，我国研发的焊接机器人也在越来越多的企业中得到应用。焊接机器人结合不同的产品结构特点和焊接工艺要求，以适用于不同的焊接领域。
1换热管失效原因
1.1换热管与管板连接处的损坏
换热管与管板的连接方式有焊接、胀接和胀焊并用。当管子与管板焊接连接时，会产生裂纹、烧穿、未焊透、未融合、夹渣、弧坑和气孔等焊接缺陷。焊接接头处的残余应力会导致应力腐蚀，不锈钢材料在焊接热影响区因金相组织的改变也会导致耐腐蚀性下降。焊接前未先预胀接或者未在焊接后贴胀，消除管子与管孔的间隙，也会产生缝隙腐蚀。管子振动产生横向挠曲，最容易在连接处产生疲劳破坏而使换热管失效。胀接时，管板端管子的固有频率因管板对管子夹紧的影响而增高，管子横向变形所引起的应力在管端根部处最大，从而使管子有断裂的可能。振动产生的交变拉应力，还会成为促进应力腐蚀疲劳的应力源，加快应力腐蚀。因此，应按照以下范围选择胀接连接，且胀接工艺应经试验并评定合格:①设计压力≤4.0MPa;②设计温度≤300℃;③操作中无振动，无较大的温度波动及无明显的应力腐蚀倾向;④采用复合管板时，应胀焊并用。
1.2再热裂纹
再热裂纹指的是焊后，不锈钢板材在一定温度范围内再次进行加热(消除应力热处理或其他加热过程)而产生的裂纹叫做再热裂纹。在这些钢中，合金元素钼和杂质元素硫、磷、砷、锡、硼和铜等一直被认为和再热裂纹有关。减少钢中的杂质含量，增加焊接热输入，减少应力集中可以避免再热裂纹。一般讲，对于很多含Cr、Mo和V的低合金高强钢(HSLA钢)，出现再热裂纹是很普遍的。产生裂纹还有可能是因为钢中氢的致脆。氢是焊接冶金过程残留在钢中的气体杂质。由于钢中残留的氢使钢的塑性恶化而形成氢脆。也有可能是因为在焊接接头在富士环境下受拉伸应力作用时产生的延迟开裂现象；并且根据理论来讲，焊缝和热影响区在加热到450～850℃时，会在晶界上析出碳化铬，造成贫铬的晶界，不足以抵抗腐蚀的程度然后使得不锈钢不足以抵挡腐蚀，进而出现裂缝。
1.3接头分类及焊接系数取值错误
筒体、封头与管板间的环向焊接无疑属于锁底接头的对接环缝，根据《热交换器》（GB/T151-2014）4.6.4规定，对于无法进行无损检测的固定管板式热交换器壳程圆筒的环向焊接接头，应采用氩弧焊打底或沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板，其焊接接头系数＝0.6。综合接头形式及换热器结构特点，该处连接属于对接连接，应归为B类焊接接头，其焊接接头系数应取0.6。
2换热器焊接
2.1焊接工艺
该换热器筒体、封头与管板连接处的锁底接头由于其自身结构及工艺环境特点，焊接工艺要求较高。原工艺采用的焊条电弧焊，焊缝根部清渣困难，焊接速度不稳定，热输入量不均匀，在焊缝根部容易产生气孔、夹渣、未焊透等焊接缺陷。又由于该锁底接头位于结构及温度突变区，应力集中明显，属于最薄弱环节。且染液中的氯离子极易从拼装间隙进入焊缝根部，如果该焊接接头存在焊接缺陷，会显著加剧应力腐蚀的发展。据了解，该压力容器制造厂出厂的换热器已出现多起该连接处染液泄漏事件。发现该接头位置出现变形或泄漏的比率相对较大，充分说明了该接头的焊接工艺存在安全隐患，需选用焊接质量相对较好的氩弧焊。氩弧焊相较于焊条电弧焊，由于其采用氩气做为保护气体，可隔绝空气中氧气、氮气、氢气等对电弧和熔池产生的不良影响，减少合金元素的烧损，能得到致密、无飞溅、质量高的焊接接头。并且其电弧燃烧稳定，热量集中，弧柱温度高，焊接生产效率高，热影响区窄，所焊的焊件应力、变形、裂纹倾向小。能有效减少该换热器管箱筒体与管板连接处的锁底接头泄漏风险。
2.2焊接机器人的实际应用
(1)焊接机器人由机器人主体、焊接电源、电气控制柜、清枪剪丝机、双位柱变位机等组成，适用于碳钢、合金钢、不锈钢等铁基金属的焊接，特别是不锈钢的焊接质量远远优于手工焊的。(2)焊接电流、电弧电压是短路过渡形式中的重要参数，两者良好匹配具有有效减小飞溅、使焊缝成形良好和稳定电弧的作用。经过调试，笔者确定焊接电流为220～245A，电弧电压为22～25V，焊接速度为550～750mmmin，机器人空走时间平均2s。焊接引弧时间为0.3s，熄弧时间0.7s，熄弧长度为10mm。保护气体采用φ(Ar)80%+φ(CO2)20%混合气体，流量为16～25Lmin。焊丝伸出长为14～16mm。(3)将废热锅炉轴向垂直吊运至焊接机器人作业区，管板面保持水平，设置焊接机器人的焊接起点，预先让焊接机器人空走5个管接头，查看设定程序能否满足现有产品的焊接位置，开始焊接，全程记录焊接速度及工件温度等参数。148个管接头角焊缝仅用时49min，生产效率是手工CO2气保焊的2倍之多。被焊工件表面最高温度为135℃，温度也比手工焊的降低了很多，焊接完成后管板最大变形量仅为0.2mm。
2.3控制冷却速度
严格控制冷却速度能有效降低焊缝产生裂纹的可能性。由于在站内补焊时管线内还有水，冷却的速度较快，在热影响区产生很大的焊接应力，造成了焊接接头产生裂纹。在进行焊接时，要先把管线内的水排掉，再对钢管一侧进行预热，预热之后再进行焊接再进行焊接。在进行焊接时尽量小规模进行作业，焊接后可以使用毛毡等物品覆盖在焊缝上面，减缓冷却速度，有效消除焊接应力的产生。综上所述，首先保证将要焊接的铝合金及焊缝位置允许焊接，且要处于可焊接的时效状态。其次保证焊前去氧化层，除氢措施没问题，特别是容易遗漏的送丝回路的清理别忘了。再次，对于板厚较厚或者冷裂纹倾向较为严重的材料，采取预热缓冷的方法。然后，在符合焊接工艺要求的前提下，可以考虑采用抗裂性能更好的铝硅焊丝。最后，焊接时采用合适的焊接参数，填满弧坑，避免出现热裂纹等现象。
结语
根据换热管直径与壁厚不一致，预先设置好焊接参数，保证产品焊接质量。换热管孔倒坡口时，一定要控制好坡口角度与破口深度，破口角度过大、深度太深都会导致根部容易出现未焊透现象。通过本此对换热管与管板焊接试验研究，焊接方法成功应用到项目焊接当中，上百台设备抽检合格率达98%以上，产品质量有了进一步提升。
参考文献
[1]染色机定期检验中有关问题的分析与讨论[J].蔡杰.中国特种设备安全.2018，34（05）：39.
[2]高温高压染色机裂纹分析[J].李向前.科技创新与应用.2018（03）：44-45.
[3]焊接名词术语[M].孙景荣.化学工业出版社.2018.