310S全焊式板殼型換熱器的制造①

許矛良 包含斌 高 源 魏曉斌

(1.蘭州節(jié)能環(huán)保工程有限責(zé)任公司；2.甘肅省靖遠(yuǎn)師范學(xué)校)

310S全焊式板殼型換熱器的制造①

許矛良1包含斌1高 源2魏曉斌1

(1.蘭州節(jié)能環(huán)保工程有限責(zé)任公司；2.甘肅省靖遠(yuǎn)師范學(xué)校)

簡述了310S材料全焊式板殼型換熱器的制造工藝、換熱元件等主要零部件裝配焊接工藝和質(zhì)量控制方法。

換熱器 310S 焊接 質(zhì)量控制

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

固定管板結(jié)構(gòu)換熱器如圖1所示，為了提高換熱效率，每個板管采用激光焊接及液壓成形技術(shù)呈如圖2形狀，管板采用堆焊不銹鋼的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

圖1 固定管板結(jié)構(gòu)換熱器

圖2 板管結(jié)構(gòu)示意圖

換熱器主要工藝參數(shù)為(殼程/板程)：

設(shè)計溫度 80/100℃

設(shè)計壓力 0.10/0.35MPa

水壓試驗 0.24/0.50MPa

介質(zhì) 蒸汽/硫化鈉溶液

主要材料的化學(xué)成分見表1。

采用UIF代替線性信息濾波器,UIF在擴(kuò)展信息濾波體系結(jié)構(gòu)中，嵌入了一種源于Sigma點濾波器的無跡變換方法,其非線性離散時間狀態(tài)空間模型定義如下:

表1 換熱器主要材料的化學(xué)成分 %

由表1可知310S中Cr、Ni含量較高，有良好的蠕變強(qiáng)度、抗氧化性、耐腐蝕性、耐酸堿性和非常好的耐高溫性。但由于Ni含量高，其焊縫組織為純奧氏體，與18-8系列不銹鋼相比更易產(chǎn)生焊接熱裂紋，因此，如何克服焊接熱裂紋是焊接310S時的首要難題。

310S的比電阻是碳素鋼的5倍，熱導(dǎo)率為碳素鋼的1/3，平均線脹系數(shù)比碳素鋼大50%以上。由于奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率小、線脹系數(shù)大，在焊接局部加熱和冷卻的條件下，焊縫金屬結(jié)晶期間存在較大拉應(yīng)力。由于奧氏體鋼易形成方向性強(qiáng)的柱狀晶焊縫組織，有害雜質(zhì)易偏析而形成低熔點共晶夾雜，容易產(chǎn)生熱裂。Si在鎳含量較高的鋼中很容易偏析，鎳含量越高，Si越容易造成焊縫熱裂傾向[1]。

2 主要零部件的制造

2.1 管板

設(shè)計管板基材為16MnII鍛件，為保證抗腐蝕性能，采用堆焊不銹鋼的復(fù)合管板，堆焊成分為A402焊條，設(shè)計厚度為5mm。堆焊之前，先將待堆焊表面清理干凈，經(jīng)加工后露出金屬光澤，按NB/T 47013-2015進(jìn)行MT檢測，I級合格，然后將兩管板背向固定，防止堆焊時發(fā)生焊接變形。

用A402焊條進(jìn)行堆焊，堆焊時兩塊管板逐層調(diào)轉(zhuǎn)進(jìn)行焊接。表面采用直道堆焊，從中間向兩面排道，最后環(huán)向修理補(bǔ)齊。整個堆焊面應(yīng)均勻平整，堆焊總厚度不小于8mm(圖3)，最厚與最薄之處差不大于1mm。采用UT+PT檢查堆焊面的貼合和堆焊層的表面情況，以保證熔合質(zhì)量和堆焊管板的致密性。堆焊之后需進(jìn)行消除應(yīng)力的退火熱處理，熱處理工藝如圖4所示。

圖3 堆焊層結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 熱處理工藝過程示意圖

管板是換熱器的主要受壓元件，其制造精度對換熱元件與管板連接接頭的焊接質(zhì)量有很大的影響。將堆焊面加工見金屬光澤后，以它為基準(zhǔn)加工管板，可使得堆焊層切削加工量最少。管板面由數(shù)控線切割進(jìn)行加工，不僅保證了部件的幾何尺寸，而且能保證焊接部位的表面光潔度。

2.2 換熱板束的制造

換熱板束采用國外進(jìn)口的310S材料，尺寸按照設(shè)計要求定長、定寬、定厚采購，避免了裁剪。換熱板束是整個換熱器的核心元件，換熱元件是由兩張相同規(guī)格的薄板經(jīng)過封邊焊接和定距離的圓形焊點焊接，然后在壓力機(jī)上使用專用模具進(jìn)行水壓鼓脹，形成如圖2所示有一定容積的空腔及內(nèi)外凹凸?fàn)畹牧骶€形表面，從而適當(dāng)降低介質(zhì)流過元件表面的速度同時增加了換熱面積，使換熱更充分。

采用國內(nèi)先進(jìn)的激光焊進(jìn)行焊接，參照SAME IX進(jìn)行激光焊工藝評定，制定了相應(yīng)的焊接參數(shù)，焊接功率為3.5kW，焊接速度為2.0m/min，焦點位置(調(diào)整值)107mm，保護(hù)氣體流量：氬氣4L/min、氮氣8L/min(內(nèi)圈)、氬氣12L/min(外圈)、氬氣15L/min(背面)。由于奧氏體不銹鋼具有很高的能量吸收率，提高了激光焊接的效率，大幅減輕了不銹鋼焊接時的過熱現(xiàn)象和由于線脹系數(shù)大引起的較大焊接變形，達(dá)到了精密焊接成形的水平。激光焊接時固溶在金屬基體中的S、P等雜質(zhì)隨溫度的上升而從熔池中逸出，減少了焊縫中的有害元素和雜質(zhì)，提高了焊縫的韌性。

換熱元件成形后，四周封邊的焊縫和圓形焊點經(jīng)100%PT檢測，I級合格。換熱元件經(jīng)0.5MPa水壓試驗合格。

2.3 上、下平蓋

管箱采用平蓋結(jié)構(gòu)，上、下平蓋在采用Q345R的基礎(chǔ)上貼焊310S作為耐蝕層及密封面。密封面由局部加工而成，以達(dá)到節(jié)約材料的目的。為了檢查貼焊面的表面情況，采用滲透檢測和氣密性試驗，以保證焊縫質(zhì)量。

2.4 裝配焊接

制造過程要求換熱元件與管板孔壁之間不得有雜物，否則難以保證焊接的致密性和焊接強(qiáng)度。首先將試壓完畢的單片換熱元件的兩端按圖紙要求用數(shù)控線切割機(jī)切開，然后用布砂輪將其兩端進(jìn)行打磨拋光，直至露出金屬光澤。管板與換熱原件裝配的部位先用丙酮將管板擦拭干凈，再用白布進(jìn)行擦拭，直到無污物為止。用專用的工具撐開換熱元件的端部開口到設(shè)計尺寸，然后將換熱元件插入管板中，調(diào)整換熱元件，保證管板內(nèi)部槽與換熱元件嚴(yán)密貼合，并且每片換熱原件與管板的另一端平齊后，采用氬弧焊將換熱元件與管板點固、焊接。

換熱元件與管板采用鎢極氣體保護(hù)焊焊接，焊絲選用ER310(化學(xué)成分見表2)，規(guī)格φ2mm，焊接電流130～150A，焊接電壓12～14V，直流正接，焊接速度15～16cm/min。GTAW焊接質(zhì)量穩(wěn)定，焊縫成形美觀，無飛濺、無夾渣。焊接時采用分區(qū)施焊以減小管板的焊接變形，焊接收弧時填滿弧坑，避免弧坑裂紋的出現(xiàn)。

表2 ER310焊絲化學(xué)成分 %

2.5 管箱制造

管箱(圖5)由高頸法蘭(16MnII)、高頸襯里、筒節(jié)和襯環(huán)組成。高頸法蘭密封面是在16MnII的基礎(chǔ)上貼焊310S材料，高頸法蘭內(nèi)部采用310S襯里，降低成本的同時不影響耐腐蝕性。由于管箱的制造需要多次加工，為了保證各條焊縫的質(zhì)量，在加工之前進(jìn)行100%的滲透檢測，在加工之后進(jìn)行100%的滲透檢測和氣密性試驗，來檢測由于機(jī)械加工后各焊縫的整體質(zhì)量和焊后的貼合程度。

圖5 管箱結(jié)構(gòu)示意圖

2.6 殼體、管箱與管板的組焊

板束和管箱的組裝以管板作為基礎(chǔ)，利用管板的特有結(jié)構(gòu)直接與板束和管箱進(jìn)行組裝(結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小)。為了使各條焊縫充分焊透，采用氬弧焊打底單面焊雙面成形、手工焊蓋面的焊接方法，并用100%UT+PT的方法進(jìn)行檢測，I級合格。

3 結(jié)束語

管板與換熱元件焊接完畢后，管接頭進(jìn)行100%的PT檢查，符合NB/T 47013-2005，I級合格。最后將上下平蓋、板束、管箱組裝后進(jìn)行板程0.35MPa和殼程0.24MPa的水壓試驗，檢查無滲漏，試壓一次合格。

310S材料換熱器的制造不僅滿足硫化堿的工藝和介質(zhì)對腐蝕的要求，大大提高設(shè)備使用壽命，并為硫化堿工藝使用310S材料制造耐腐蝕設(shè)備提供了經(jīng)驗。

[1] 劉政軍，徐德昆. 不銹鋼焊接及質(zhì)量控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

許矛良(1973-)，工程師，從事壓力容器制造及質(zhì)量檢測工作，13893285378@163.com。

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