國內外換熱管與管板焊接工藝評定標準淺析

唐 麗，李 東，康文捷，姚宗湘

1.重慶川儀十七廠有限公司，重慶 400707

2.山特維克國際貿易（上海）有限公司，上海 201108

3.重慶科技學院 冶金與材料工程學院，重慶 401331

0 前言

換熱器是石油、化工、冶金、電力、能源等工業領域廣泛應用的設備，換熱管與管板焊接作為換熱器制造過程中至關重要的工序，管子-管板的強度焊既要保證密封性能又要保證抗拉強度，其焊接質量直接關系到設備的安全和穩定運行［1］。換熱管與管板結構焊縫數量多、分布密集，且產品大多服役于高溫高壓腐蝕介質中，導致換熱器在長期使用過程中常因焊接接頭設計不合理或存在缺陷而失效［2-3］。為了保證產品服役可靠性，提高焊縫的密封性和接頭強度［4］，在制造過程中往往通過焊接工藝評定來評估工藝設計的合理性和焊接質量的可靠性［5］。但目前，業內相關的評定標準較多且各標準差異較大，在評定過程中往往難以把握分寸，從而加大了現場的操作難度。

目前，國內的管子-管板焊接接頭設計和工藝評定主要參考 GB151-2014《熱交換器》［6］和 NB/T 47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》［7］。國際上應用較多的則是ISO 15614-8：2016《金屬材料焊接工藝規程及評定—管與管板接頭焊接》［8］、ASME BPVC-IX：2019鍋爐及壓力容器規范《焊接、釬接和粘接工藝評定》［9］和核電領域的 RCC-M S3000：2007《壓水堆核島機械設備設計與建造規則》［10］。上述標準都對管子-管板焊接接頭的工藝評定進行了規范，但關于其評定規則、評定變素及驗收準則的控制等存在差異。在實際應用過程中，還需結合客戶的需求及具體情況進行選擇。

文中針對上述4個標準（NB/T 47014-2011、ISO 15614-8：2016、ASME BPVC-IX：2019和 RCC-M S 3000：2007），比較了不同標準在適用范圍、試件形式、評定變素以及驗收準則等方面的異同，分析總結了每個標準的應用特點和適用性，為業內工程技術人員更準確地評定換熱管與管板的焊接工藝提供了技術支撐。

1 適用范圍

NB/T 47014-2011標準主要針對國內的承壓設備焊接工藝評定；ISO 15614-8：2016源自歐洲焊接標準，幾乎覆蓋了各個領域產品的焊接工藝評定；ASME BPVC-IX：2019標準主要用于鍋爐及壓力容器的焊接工藝評定；RCC-M S3000：2007標準適用于核島設備的焊接。相比ASME BPVC-Ⅸ：2019和NB/T 47014-2011，ISO 15614-8：2016不區分行業領域，必須滿足產品最嚴苛的限制條件，要求更為嚴格。而RCC-M S3000：2007標準直接引用了ISO 15614-1：2017《金屬材料焊接工藝規程及評定—焊接工藝評定試驗》，并在此基礎上做了一些補充和嚴控。

1.1 配合間隙

在選擇焊接工藝評定標準時，須明確該標準的適用性。ISO 15614-8：2016標準明確規定，其僅適用于帶間隙的管子-管板結構的熔化焊評定。RCCM S3000：2007標準則將管子與管板之間有無間隙作為兩種結構評定，有間隙結構的直接引用ISO 15614-1：2017標準，無間隙結構的評定則自行規定，其內容將在后文詳述。ASME BPVC-IX：2019和NB/T 47014-2011標準中均未對管子-管板的配合間隙做出規定，因此在這兩個標準中將其視為非評定變素，不作考慮。

1.2 脹接過程

由于機械脹管會使管子產生機械變形，使焊接位置的母材結構發生變化，還可能因為機械作用產生的較大應力，影響焊接質量和使用壽命。在ISO 15614-8：2016標準中明確規定：有機械脹管過程參與的承壓焊縫，需明確具體的焊接工藝試驗要求。

NB/T 47014-2011標準規定了換熱管與管板焊接的一般評定和附加評定。對于無脹接的強度焊焊縫（限對接焊縫、角焊縫及其組合焊縫），可當作角焊縫進行焊接工藝評定；若增加管子的脹接過程，其焊縫作為換熱管與管板連接的強度焊、脹焊并用的焊縫，需在一般評定的基礎上進行附加評定，也可將一般評定和附加評定合并評定。

RCC-M S3000：2007標準將是否脹管作為重要變素，增加、取消或改變脹管工藝均需要重新評定。ASME BPVC-IX：2019標準則規定焊前增加管子的脹接過程需重新評定，取消脹接工藝則未提及，因此將其視為非重要變素。

2 試件形式

由于換熱器的管孔數量眾多且分布密集，在焊接時極易造成管板不同區域熱量不均勻，使得接頭質量不佳甚至導致管板存在較為嚴重的變形，影響換熱器的密封性。管孔的分布直接影響施焊的難易程度以及相鄰焊縫間的相互作用。換熱管的標準布管方式如圖1所示，包含正三角形排列（30°）、轉角正三角形排列（60°）、正方形排列（90°）和轉角正方形排列（45°），不同排列方式將對焊接質量和應力集中等產生不同的影響。因此，試件形式應盡可能與焊件形式相同，對于尺寸較大的焊件，工藝評定試件的尺寸和形式需具有代表性。

圖1 換熱管的排布方式Fig.1 Arrangement of heat transfer tubes

ISO 15614-8：2016是4個標準中唯一一個將管子排布方式區分評定的標準。試件的管子排布方式如圖2所示。對于三角形（包括正三角和轉角正三角）分布的試件（見圖2a）：d＜40 mm的管子至少要焊接10個接頭；d≥40 mm的管子至少要焊接7個接頭（A區域）。對于正方形（包括轉角正方形和正方形）分布的試件（見圖2b）：d＜40 mm的管子至少要焊接12個接頭；d≥40 mm的管子至少要焊接9個接頭（A區域）。由于在滿足外接圓尺寸和管子數量相同的情況下，矩形分布結構的布局更為密集，受熱作用和受力影響更為嚴重，因此需要增加接頭數量進行區域評定。

圖2 試件的管子排布方式Fig.2 Arrangement of tubes of specimen

NB/T 47014-2011標準評定試件與ISO 15614-8：2016三角形分布形式一致。ASME BPVC-IX：2019標準只規定了試件需要10個基本相同的管孔結構，并未規定具體布局方式，一般可采用ISO 15614-8：2016三角形排布方式或與產品一致。RCC-M S3000：2007標準要求試件至少焊接10根管子，且試件的管孔應能代表焊件管孔的配置（間隔）。

3 評定變素

3.1 管板厚度

管板厚度和換熱管壁厚通常相差數十倍，且管板厚度直接影響焊接過程的焊接變形、散熱速度和應力分布等。由于換熱器的使用工況較為復雜，常用于強腐蝕性介質中，考慮到生產成本、力學性能和耐腐蝕性等，在管板設計階段有時會采用復合板或在碳鋼/低合金鋼板上堆焊耐腐蝕層。因此，在評定管板厚度時需要考慮基層和覆層兩部分。4個評定標準下管板厚度的覆蓋范圍如表1所示。

表1 4個評定標準下管板厚度的覆蓋范圍Table 1 Coverage of tube sheet thickness in four standards

4個評定標準對管板試件尺寸的要求差異較大，僅ISO 15614-8：2016標準將管板的基層和覆層作為重要變素。在實際評定過程中，應根據具體情況選擇合適的標準。比如，管板厚度為40 mm時，焊接時需要對焊接接頭進行預熱評定才能合格，而厚度為20 mm時不進行預熱評定就可以合格：按照NB470 14-2011標準選用20 mm厚的管板進行評定就無法發現預熱溫度的選擇是否正確；按照ASME BPVC-IX：2019標準選用40 mm厚的管板進行評定就更為合理。又如，產品特別強調和注重覆層厚度時，采用ISO 15614-8：2016標準進行評定，比使用其他3個標準進行評定更合理。對于管板厚度較小的焊件，采用焊件厚度作為試件厚度；對于管板厚度較大的焊件，盡量選擇具有代表性的試件厚度進行評定。

3.2 換熱管尺寸

換熱管的壁厚和外徑作為管子/管板結構焊接中的重要變素，尤其是小直徑、薄壁管。由于管子與管板的厚度差異較大，焊接電流較小時，坡口根部容易造成未焊透，電流過大則易燒穿管壁。4個標準對小直徑、薄壁管的工藝評定有效范圍要求都較高，而對壁厚或直徑超過一定尺寸的管子則不作要求，如表2所示。

表2 4個標準中管子尺寸的覆蓋范圍Table 2 Coverage of tube dimensions in four standards

此外，換熱管之間的間距dl（見圖2）主要影響焊接操作以及相鄰焊縫之間的相互作用，ISO 15614-8：2016標準規定間距dl不小于工藝評定試件尺寸即可，其他三個標準都規定孔橋寬度B（B=dl-2倍管孔配合間隙）小于10 mm或3倍壁厚中較大值時，間距應大于或等于0.9B。同樣，對于較大尺寸的孔橋寬度也未作限制。

4 驗收準則

焊接工藝評定的驗收試驗通常包括無損檢測和破壞性檢測兩個部分。由于管子管板結構特殊，通常情況下難以進行焊接接頭體積型缺陷的無損檢驗和力學性能試驗，只能以外觀、表面或近表面以及焊縫截面作為評判依據。在上述4個標準中，均對外觀檢驗、滲透檢驗以及宏觀金相作了要求，且區別不大，在此不進行詳細討論。此外，ISO 156 14-8：2016標準還要求接頭進行100%射線檢驗，并對某些組別母材作了硬度測試要求。由于管板板厚一般較大，射線難以照穿，因此要求將管板厚度減薄至5～12 mm。其他標準均通過試件上多個焊縫截面宏觀金相來評價焊縫內部質量。

管子管板焊接接頭主要強調其密封性和抗拉強度，焊縫尺寸作為影響兩者的關鍵因素，4個標準均將其作為評定焊縫合格與否的重要指標。

NB/T 47014-2011標準強調角焊縫厚度均應不小于2/3b，如圖3a所示。ISO 15614-8：2016標準要求焊縫厚度a（以焊縫根部為圓心的最大內切圓半徑）≥0.9b，如圖3b所示。實際上，焊縫尺寸太大并沒有太多意義，換熱器的壽命取決于管子尺寸，焊縫厚度只要不小于管子壁厚即可。

ASME BPVC-IX：2019標準要求焊縫尺寸滿足設計的最小有效尺寸L，且氣孔不得使角焊縫厚度降低至規定的最小有效厚度值以下，此處規定的最小有效尺寸應與ISO 15614-8：2016標準的規定一致，實際上是焊縫根部到熔池表面的最短距離，即焊縫厚度a，如圖3c所示。如果焊縫內部存在氣孔，則有效尺寸以實際尺寸減去氣孔尺寸為準。RCCM S3000：2007標準規定焊縫的平均尺寸應不小于0.9b，單個a≥0.66b，且不允許有裂紋，如圖3d所示。如果焊縫中存在氣孔和夾渣，則要求最小有效尺寸大于0.66b。

圖3 焊縫厚度示意Fig.3 Schematic diagram of weld thickness

5 結論

（1）ISO 15614-8：2016標準和RCC-M S3000：2007標準明確規定管子管板的間隙結構和脹接過程是評定的重要變素，而ASME BPVC-Ⅸ：2019標準和NB/T 47014-2011標準均未對管子管板的配合間隙做出要求，ASME BPVC-Ⅸ：2019標準規定焊前增加管子脹接需重新評定。因此，在強調間隙結構和脹接過程時，應選擇ISO 15614-8：2016標準或RCC-M S3000：20 07標準進行焊接工藝評定。

（2）ISO 15614-8：2016是唯一將管子排布方式區分評定的標準，其他3個標準只強調了焊接接頭數量。因此，在強調管子排布方式時，應選擇ISO 15614-8：2016標準進行焊接工藝評定。

（3）4個標準均對小直徑、薄壁管的工藝評定有效范圍要求較高，且均對管板厚度和管子尺寸進行了規范，各標準對試件尺寸有效范圍的要求差異較大，僅ISO 15614-8：2016標準將管板的基層和覆層作為重要變素。因此，需區分管板的基層和覆層時，應選擇ISO 15614-8：2016標準進行焊接工藝評定。

（4）4個標準均將焊縫尺寸作為評定焊縫合格與否的重要指標，且對外觀檢測、滲透檢測及宏觀金相的要求相似，僅ISO 15614-8：2016標準特別要求焊接接頭進行100%射線檢驗，以及某些組別母材進行硬度測試。因此，在要求接頭進行射線檢驗時，應選擇ISO 15614-8：2016標準進行焊接工藝評定。