高壓換熱器鈦管－管板爆炸焊接模擬與試驗

史長根，郭宏新，劉 豐，徐 宏，史和生，汪 育，練綿炎

(1.江蘇中圣高科技產業有限公司，江蘇 南京 211112;2.華東理工大學，上海 200237;3.解放軍理工大學，江蘇南京 210007;4.南京潤邦金屬復合材料有限公司，江蘇南京 211803)

0 引言

化工行業用換熱器換熱管和管板之間的緊密貼合，既影響到換熱器的使用壽命，同時又涉及到高壓換熱器的安全性。高壓換熱器管子管板的連接一般采用脹接+焊接的方式。脹接是使管子在載荷作用下，其伸入管板孔內的換熱管端部直徑擴張，產生塑性變形，而管板仍處于彈性變形范圍，載荷去除后，管子與管板實現過盈配合起到連接的作用。目前，國內外一般采用的脹管技術主要有:機械脹管、液壓脹管、橡膠脹管等。無論哪一種脹管方法，雖然其工作介質和工藝方法不盡相同，但其管子與管板界面的結合究其本質均是一種過盈配合，而不是原子之間的鍵合，且這些方法工藝設備復雜。因此這幾種方法均存在以下兩個問題:一是生產率低、制造成本高;二是界面貼合不好、易造成漏水漏氣，存在安全隱患［1－2］。

采用爆炸焊接技術實現金屬薄壁鈦管和管板的焊接成型，不僅提高了生產效率、降低了加工成本，而且提高了換熱器的使用壽命和安全生產，因此具有重要的工業應用價值。同時，通過試驗裝藥參數的優化和精確控制，可望在工廠內部建成爆炸焊接成型車間，將會大大降低生產成本。

1 換熱器管－管板爆炸焊接成型方法的優點

采用爆炸焊接成型工藝，同上述各種脹管技術比較，具有以下幾個突出優點:

(1)由于爆炸焊接屬一種特殊的壓力焊接，因此可實現用常規焊接和脹管方法無法實現的鋯、鈦管材與鋼等異形金屬之間的焊接;

(2)由于爆炸焊接界面屬于原子之間的固相結合，因此換熱器換熱管與管板之間的焊接強度高，既保證了換熱器的安全性，又大大提高了換熱器的使用壽命;

(3)由于爆炸焊接可實現多點同時起爆，因此生產率高，可一次實現一臺換熱器所有管子與管板的焊接成型。

鈦管－管板爆炸焊接成型涉及稀有金屬薄壁長形管件和管板的多點同時爆炸焊接成型和界面微觀分析問題。

2 單管爆炸焊接過程數值計算模擬

圖1示出模擬結果的 z—x面方向視圖［1－4］。由計算結果可以看出，當炸藥一端被引爆后，爆轟產物形成高速高壓的脈沖載荷直接作用在套管上，套管沿徑向發生膨脹變形。隨后套管在微秒量級時間內沿裝藥爆轟波傳播方向依次向換熱管高速碰撞。高速碰撞時會產生高壓力及強烈的熱效應，會使套管產生高應變速率的大塑性變形且呈現類似流體的行為。這樣金屬管接觸的界面附近存儲了大量的塑性應變能，從而為界面原子形成金屬鍵提供能量，利于兩金屬管之間形成冶金結合。爆炸模擬結果表明:(1)單個鈦管－管板爆炸焊接成型過程中，不會產生破片而對周圍環境造成危險;(2)單個鈦管－管板爆炸焊接成型在理論上能形成良好的焊接接頭。

3 單個鈦管－管板爆炸焊接實爆試驗

圖2示出單個鈦管－管板爆炸焊接成型的裝藥示意圖。圖3示出單個鈦管和管板爆炸焊接成型試樣。一般為了安全，在試驗時需做好防護。

3.1 鈦管－管板爆炸焊接關鍵技術

鈦管－管板爆炸焊接有以下幾個關鍵技術需要解決:

(1)鈦/鋼進行爆炸焊接時，如果裝藥參數控制不好，易導致界面高溫而使界面產生金屬間化合物，這將大大降低復合管的傳熱效果。因此內部換熱鈦管或鋯管的爆炸焊接裝藥工藝是成功爆炸焊接的關鍵之一。

(2)一般來說，復合管的外管和內管的壁厚僅1～2 mm。而超薄金屬復合材料尤其是超薄管材在爆炸焊接過程中易產生裂紋甚至斷裂，因此對于炸藥爆速和裝藥厚度都要進行精確控制。

(3)耐海水腐蝕高效復合管不僅要節約稀有金屬材料，而且要實現高效換熱，而高效換熱的關鍵是復合管的結合界面必須是優異的微小波狀界面，而微小波狀界面的形成就要求裝藥參數的精確優化和設計。

圖3 爆炸焊接后的單個鈦管－管板

3.2 爆炸焊接成型炸藥配方

為實現壁厚僅1～2 mm鈦管的爆炸焊接，所使用的炸藥爆速等性能必須要進行精確控制，通過多次試驗測試優化炸藥配方，可獲得良好無裂紋的接頭的炸藥為60% ～70%，而加的鹽、珍珠巖、鋸末等配方在40% ～30%左右，如表1所示。

表1 爆炸焊接炸藥爆速測試

3.3 單管爆炸焊接間隙

炸藥爆速確定之后，其關鍵的參數就是裝藥厚度。鈦管－管板爆炸焊接時，其裝藥厚度一般為鈦管的直徑，根據裝藥厚度即可確定鈦管和管板之間的爆炸間隙。根據文獻［5］，基復管最小間距值可由下式求得:S=0.2(δ+h)。其中h為復板厚度，一般來說h?δ，所以間距S為炸藥厚度的0.2倍。通過多次試驗，其焊接效果與爆炸間隙之間的關系如表2所示。其最佳間隙應控制在0.6 ～2 mm。如圖4，5 所示，當間隙為0.4 mm時，爆炸成型的鈦管有明顯的裂紋;而間隙為0.8 mm時，不僅復合率為100%，而且接頭無裂紋。

3.4 不穩定爆轟端控制技術

由于薄壁鈦管和普通鋼管板的爆炸焊接成型部分僅為1～3 cm，而炸藥的不穩定爆轟的距離長達26 cm［6－7］，其中前 2 ～10 cm 不利于界面的焊接成型，因此，在裝藥時不穩定爆轟端應引出2～10 cm，最后通過爆炸切割和焊接于一體的技術實現薄壁鈦管和普通鋼管板的爆炸焊接成型。

表2 爆炸效果與間隙之間關系

圖4 間隙為0.4 mm鈦管產生裂紋

圖5 間隙為0.8 mm爆炸復合鈦管

另外，通過多孔管板的試驗，可實現全部爆炸復合，如何保證所有管孔的爆炸焊接質量，也是試驗參數控制的關鍵問題。如果發現個別管頭泄漏，說明接頭焊接質量不符合要求，嚴重的可予以補爆。補爆具體參數和單管參數一致。

4 結論

(1)通過多次試驗測試優化炸藥配方，可獲得良好無裂紋的接頭的炸藥為60% ～70%，而加的鹽、珍珠巖、鋸末等配方在40% ～30%左右;

(2)間距S為炸藥厚度0.2倍。通過多次試驗，爆炸間隙控制在0.4～4 mm，其焊接效果較好，最佳間隙在2 mm左右;

(3)裝藥時不穩定爆轟端應引出2～10 cm，最后通過爆炸切割和焊接于一體的技術實現薄壁鈦管和普通鋼管板的爆炸焊接成型。

［1］康遇慶，王建平，程怡.多種脹管技術在高壓加熱器制造中應用介紹［J］.電站輔機，2004，25(3):54 －56.

［2］榮軍，王亞軍，韓學成.石化裝置高強度換熱管的橡膠脹管技術［J］.石油工程建設，2000，26(6):27－28.

［3］馬貝，李宏偉，常輝，等.間隙對次層圓管爆炸焊接影響的數值模擬［J］.焊接學報，2009，30(9):33－40.

［4］時黨勇，李裕春，張勝民.基于ANSYS/LS－DYNA 8.1進行顯式動力分析［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［5］Explosive Welding of Metals and Its Applications［M］.Oxford，Clarendon，1982.

［6］史長根，尤峻，馮建.壓力容器用鈦鋼復合板缺陷的爆炸堆焊修復技術［J］.壓力容器，2008，25(7):29－31.

［7］史長根，李子全，王耀華，等.爆炸焊接2#巖石銨梯炸藥不穩定爆轟斷界面結合質量研究［J］.爆破器材，2005，34(6):5－7.