水水換熱器管箱制造工藝介紹

摘 要：文章對填料函式鈦-鋼復合板換熱器管箱的制作工藝進行了介紹，重點在復合板焊接工藝和接管工藝改進工藝，為鈦-鋼復合板制作換熱器設備提供了具備一定參考價值的意見。

關鍵詞：鈦-鋼復合板；換熱器；管箱；制造工藝

前言

隨著我國電力行業的發展及清潔能源和節約能源的要求，沿海和內陸高鹽地區，電力冷卻器越來越多采用鈦-鋼復合板材進行制造，這樣不但可以節約大量昂貴的鈦材，也大大降低了設備成本。我公司就為廣東某單位制作了一批鈦-鋼復合板型水水換熱器，主要用于汽輪機冷卻水的熱交換作用，即直接將海水用做冷卻介質，其中管箱就是關鍵件之一，文章就管箱的選材及焊接工藝進行分析介紹。

1 管箱結構及材料選擇

2 難點分析

2.1 結構特點造成的難點

由于采用了填料函式結構，必須保證水室制造的圓度才能加工，以保證填料函部分能均勻壓緊調料圈，防止海水滲漏，同時由于小管板在水室和殼體間處于自由伸縮狀態，水室中的海水與殼體中的純水完全靠填料圈分隔，必須處理好小管板與水室對接焊縫的結合公差，也就是必須保證水室對接焊縫處的圓度和焊縫平整度。

2.2 鈦-鋼復合板板材焊接難點

Ti-Fe （鈦-鐵）狀態圖可以知道，鐵在α-Ti（α-鈦）中的溶解度極低，當Fe含量達到0.1%就要形成金屬間化合物Ti Fe，高溫或含鐵量更高時，還可能形成TiFe2，這種組織塑性極低，焊縫嚴重脆化，極易產生裂紋，目前鈦和鋼直接熔化焊接的方法暫時還未研發出來。

鈦本身亦有“第三金屬”之稱，化學性質活潑，常溫下與氧生成致密氧化物而保持極高的穩定性和耐腐蝕性，高溫下與氧（O）、氮（N）、氫（H）均快速反應，300℃以上快速吸氫，600℃以上快速吸氧，800℃以上快速吸氮，高溫下（650℃-1000℃）彎曲性能急速降低。同時環境中Fe離子含量也必須控制好；

2.3 難點綜述

（1）水室筒體必須卷制嚴格，這點可以通過冷做工的仔細工作來解決；

（2）填料函部分不能采用常規的鈦復合板焊接工藝坡口；

（3）接管處必須處理好耐腐蝕問題。

3 工藝措施制定

根據上述分析，我們采用了以下措施：

（1）水室筒體卷圓前，將填料函部分復合板做一定工藝處理，即將鈦-鋼復合層非常仔細的做局分離，且留有一定余量，防止焊接復層鈦時將母材鋼板熔化產生裂紋，導致耐腐蝕性能失效；

（2）除填料函部分外仍采用常規復合板焊接中使用的鈦條蓋板，但不使用填板，即不將對縫處復層鈦板剝離；

（3）接管孔采用金加工開出， 接管采用復合式接管，即內襯鈦合金的接管，通過金加工將鋼材部分剝離，然后內襯鈦直接與管箱復層鈦焊接；

（4）出水孔及端蓋部分采用襯膠，防止海水腐蝕。

4 工藝試驗

4.1 鈦條對接焊接試驗

確定保護罩形式及尺寸，經過查閱各方面資料和反復對比試驗，最終還是選擇了長方體型拖罩，背面保護氬氣用銅管鉆孔通過鋼板模具溝槽反射進行；氬弧焊噴嘴直徑最小不得小于12mm；并確定焊絲和規范參數，并經過無損檢驗和力學實驗進行驗證；

4.2 復合板的焊接試驗

確定復層與基層碳鋼分離的尺寸及焊接參數，并經無損檢驗和斷面金相檢驗進行驗證。

5 工藝實施

5.1 焊接準備

焊前為防止環境中Fe離子含量超標，在車間隔離出一定空間并做好防護，我們采用了特質小木屋進行焊接作業，同時參與作業人員及檢驗人員的進出、工作服、鞋帽均作了特別規定；對復合母材及鈦管、管板鉆孔清理也做了具體檢驗要求。

5.2 焊接順序及方法

因為鈦材高溫下易吸收有害氣體造成耐蝕性能下降，故采用先焊接基層碳鋼焊縫，再焊接復層鈦材的順序。焊接碳鋼時，經過設計計算，母材留有2mm鈍邊，卷制后保證對口間隙盡可能小，可以不用焊透，為防止鈦材受熱損傷，需減少熱輸入量，又最大程度保證基材焊縫厚度，決定采用氬弧焊打底，CO2填充；而復層鈦的焊接采用脈沖氬弧焊焊接，一方面減少熱輸入，另外有利于減少有害氣體溶入，保證焊縫質量。

5.3 焊接材料及規范參數

5.3.1 焊接材料選擇

基層材料采用氬弧焊時，選用φ2.5mmmTIG-50焊絲，CO2填充采用φ1.2mmmER50-6焊絲；

復合層（TA2）材料采用φ1.6mmmTA2焊絲。

5.3.2 焊接工藝參數選擇

詳見表1。

5.3.3理體制基層材料焊接要點

基層材料為Q235，焊接性良好，焊接時注意小規范快速焊接，同時要求有人監視背面焊縫，不得因焊接速度過慢或電流過大造成復合層鈦板變色；更不能出現焊穿現象。

5.3.4 復層材料焊接

復層材料必須在基層焊接完畢后進行，焊前注意按規定清理，當復層材料對口間隙較大時，應先用φ1.2mmmTA2焊絲采用不銹鋼手錘壓進填滿間隙。

第一層不要填絲，直接熔焊，填料函處第二層再用φ1.6mmmTA2焊絲填充，焊接的關鍵處就是不能將基層碳鋼熔化，焊完用尼龍砂輪仔細打磨余高至與復層平齊 ，非填料函處加鈦條（鈦蓋板）按表中參數對搭接焊縫焊接2層。整條焊縫焊完后進行滲透檢測不得出現缺陷顯示。示意圖如圖4。

5.3.5 管箱接管的焊接

管箱接管采用爆炸復合接管，即內襯鈦管或鈦棒然后加工成復合管，復合接管先在車床將碳鋼剝離并車好角度，與管箱連接，法蘭用復合板加工而成。管箱接管孔必須采用金加工工藝保證接管與管箱連接緊密；

接管與法蘭、接管與管箱基層按常規焊接方法焊接，復層焊接前嚴格執行工藝規定仔細清理，采用碰角焊縫直接焊接。焊接的要點一是必須檢查結合面間隙，如較大，可以先用帶錐形的紫銅或不銹鋼沖嚴，接管中應采用紫銅或木頭塞緊，防止空氣對流影響焊接質量。焊接時拖罩應作適當調整，同時提前送氣時間要加長以保證接管內充滿氬氣，仍然采用脈沖直流電弧焊接，規范參數按上表選擇。焊完后進行透檢測不得出現缺陷顯示，接管的示意圖如圖5。

6 檢驗與試驗

管箱焊接完畢，進行滲透檢驗，按JB4730標準進行，但考慮到設備使用條件的特殊性，工藝規定不允許出現包括氣孔在內的任何缺陷顯示以充分保證產品焊縫的致密性和耐腐蝕性能，即要求必須嚴格于標準。

7 出水孔出的焊接處理

因為出水孔比較大，本產品常用的襯膠工藝，故對焊接無特定要求，但復層板焊接前應適當留出余量，碳鋼件焊接時必須保證內外焊縫致密且打磨到圓滑，經表面檢驗合格后進行襯膠防腐。

8 結束語

我單位為客戶制作的這種水水換熱器具有換熱效率高，結構新穎特點，最大區別常規產品的焊接過程是復合板必須直接進行焊接，這給焊接工藝和焊工操作都帶來一定的挑戰，但經過全體人員的努力，現在產品已投入使用一年多，反映質量狀況良好，工作效率很讓用戶滿意。經過此批次產品制作，我們總結出以下經驗：

（1）鈦鋼復合板焊接具有特殊性，必須嚴格控制焊接環境和工藝參數，即使復合板，仍然可以直接對焊焊接；

（2）接管采用復合管是比較省時省力的一種思路，是小徑管的防腐問題變得簡單；

（3）鈦鋼復合板的焊接拖罩在焊接時具備十分重要的作用，必須通過反復試驗選取合適形狀和尺寸；

（4）鈦鋼復合板的焊接采用脈沖直流電源具有很好的非脈沖電源無法替代作用。

參考文獻

[1]中國機械工程學會.焊接手冊（第2卷）[M].機械工業出版社，1992.

[2]沈慧唐.焊接技術與高招[M].機械工業出版社，2003.

[3]胡強年.“鈦鋼復合板換熱器管箱的焊接工藝”[J].焊接技術，2010，5.

作者簡介：張運孟（1965-），男，1985年畢業，焊接工程師，近30年一直從事焊接工藝及檢驗工作。