钛管换热器的换热管与管板焊接工艺介绍

摘 要：文章介绍了以海水作为冷却介质的换热器中一种以爆炸复合钛钢板作管板、以钛管作换热管的换热管与管板焊接的工艺评定及生产制作中的焊接工艺。文章为钛制换热器的生产制造提供可借鉴经验。

关键词：钛管换热管；复合钛钢板管板；换热管与管板工艺评定；生产制作

滨海电站的换热器设备若采用常规不锈钢管做换热管、低合金钢作管板，管板和换热管会在一两年内发生严重的点腐蚀、溃蚀等现象，使用周期短，不但成本高而且有碍生产。我公司设计制造的以钛管作为换热管、复合钛钢板作为管板的换热器经厂家使用取得了良好的抗腐蚀效果。文章将介绍此设备换热管与管板的工艺评定及生产制作工艺。

1 设备简介

我公司为南方沿海某电厂390MW热电联产燃气蒸汽联合循环机组配套设计制造的水（除盐水）-水（海水）热交换器，其结构图如图1所示，公称通径DN1400mm，换热面积1200m2，总长11000mm，热换管为西安宝钛美特法力诺？覫19x0.5mmTA2钛焊管，卧式平盖管箱折流杆换热器，换热器型号SSL-1200-1，单回程，开式循环冷却水（海水）进入水-水热交换器管程，将壳侧闭式循环冷却水（除盐水）冷却后排入循环水排水管，闭式循环冷却水回水经闭式循环冷却水泵升压，经过水-水热交换器冷却后，向客户提供冷却水。

1-前管箱 2-管板 3-前导流筒 4-壳体 5-折流圈

6-换热管 7-后导流筒 8-后管箱

图1 钛管换热器结构图

换热器壳体圆筒、壳体进出水管、进出水管法兰均为普通碳素结构钢Q235-B；管箱筒节用爆炸复合钛钢板（TA2+Q235-B），管箱进出水管用优质碳素结构钢20管（内衬丁基橡胶HY2D），管箱法兰亦为普通碳素结构钢Q235-B（内衬丁基橡胶HY2D）；管板采用爆炸复合钛钢板（TA2+Q345R）；换热管采用TA2钛管。

该设备要求按GB151-1999《管壳式换热器》，对主要焊缝的无损检测A、B类焊缝进行20%的射线探伤，按照JB/T4730.2-2005标准的Ⅲ级合格。

表1 设计参数

2 材料化学成分及性能指标

采用西安宝钛美特法力诺焊管有限公司生产的？覫19×0.5mmTA2钛焊管作为换热管，选择西安天力金属复合材料有限公司的爆炸复合钛钢板TA2/Q345R，规格（4/56×？覫1356mm）作为管板。

2.1 钛管

（1）化学成分。TA2钛焊管的化学成分见表2。（2）性能指标。所用TA2钛管性能指标符合GB/T 3625-2007《换热器及冷凝器用钛及钛合金管》要求。？覫19×0.5mmTA2焊管性能见表3。

表2 TA2钛焊管的化学成分

表3 TA2钛管室温力学性能

2.2 爆炸复合钛钢板

钛复合管板（TA2+Q345R）-（4+56）×D1356mm-B1符合NB/T 47002.3-2009《钛-钢复合板》标准要求。其中，管板覆层（TA2）符合GB/T3621-2007《钛及钛合金板材》要求，基层（Q345R）符合GB713-2008《锅炉和压力容器用钢板标准》要求。TA2覆层化学成分见表4。

表4 TA2钛板的化学成分

3 钛材焊接性能分析

3.1 气体及杂质污染对焊接性能的影响

在常温下，钛及钛合金是比较稳定的。但试验表明，在焊接过程中，液态熔滴和熔池金属具有强烈吸收氢、氧、氮的作用，而且在固态下，这些气体已与其发生作用。随着温度的升高，钛及钛合金吸收氢、氧、氮的能力也随之明显上升，大约在250℃开始吸收氢，从400℃开始吸收氧，从600℃开始吸收氮，这些气体被吸收后，将会直接引起焊接接头脆化，是影响焊接质量的极为重要的因素。焊接零件上的油污灰尘等杂质对焊接质量也有很大影响。

（1）氢的影响是气体杂质中对钛的机械性能影响最严重的因素。焊缝含氢量变化对焊缝冲击性能影响最为显著，其主要原因是随缝含氢弹量增加，焊缝中析出的片状或针状TiH2增多。TiH2强度很低，使得焊缝冲击性能显著降低。焊接时注意采用低氢焊条或焊丝。（2）氧的影响。氧在钛的α相和β相中都有较高的溶解度，并能形成间隙固溶相，造成晶格相严重扭曲畸变，造成钛及钛合金硬度和强度提高，塑性却显著降低。为了保证焊接接应的性能，除了在焊接过程中严防焊缝及焊接热影响区发生氧化外，同时还应限制基本金属及焊丝中的含氧量。（3）氮的影响。在700℃

以上的高温下，氮和钛发生剧烈作用，形成脆硬的氮化钛（TiN），而且氮与钛形成间隙固溶体时所引起的晶格歪挪程度，比吸氧引起的后果更为严重，因此，氮对提高钛及钛合金焊缝的抗拉强度、硬度，降低焊缝的塑性性能比氧更为显著。（4）碳的影响。碳也是钛及钛合金中常见的杂质，实验表明，当碳含量为0.13%时，碳因深在α钛中，焊缝强度有所提高，塑性有所下降，但不及氧、氮的作用强烈。但是当进一步提高焊缝含碳量时，焊缝却出现网状TiC，其数量随碳含量增高而增多，使焊缝塑性急剧下降，在焊接应力作用下易出现裂纹。因此，钛及钛合金母材的含碳量不得大于0.1%，焊缝含碳量不超过母材含碳量。

3.2 焊接接头裂纹问题

钛及钛合金焊接时，焊接接头产生热裂纹的可能性很小，这是因为钛及钛合金中S、P、C等杂质含量很少，由S、P形成的低熔点共晶不易出现在晶界上，加之有效结晶温度区间窄小，钛及钛合金凝固时收缩量小，焊缝金属不会产生热裂纹。

钛及钛合金焊接时，热影响区可能出现冷裂纹，其特征是裂纹产生在焊后数小时甚至更长时间，也称作延迟裂纹。经研究表明这种裂纹与焊接过程中氢的扩散有关。焊接过程中氢由高温熔池向较低温的热影响区扩散，氢含量的提高使该区析出TiH2量增加，增大热影响区脆性，另外由于氢化物析出时体积膨胀引起较大的组织应力，再加上氢原子向该区的高应力部位扩散及聚集，以致形成裂纹。防止这种延迟裂纹产生的办法，主要是减少焊接接头氢的来源，必要时进行真空退火处理。

4 焊接方法的选择

TA2钛管与管板设计采用强度胀加密封焊。钛及钛合金焊接时，当温度在500℃～700℃时，很容易吸收空气中的氧、氢和氮，严重影响焊接质量。氩弧焊的电弧在氩气流的保护与冷却作用下，电弧热量较为集中，电流密度高，热影响区小，焊接质量较高。由于钛材的特殊物理化学特性，结合我公司的设备状况、环境状况，此次钛换热管与管板焊接我们采用自动钨极氩弧焊。

焊接设备：管板自动氩弧焊机，型号：WZM1-315，生产厂家：扬中市神通焊接设备有限公司。

5 换热管与管板的焊接工艺评定

NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》附录D适用于换热管与管板连接的强度胀且胀焊并用的焊缝。依据以上规定，本台换热器换热管与管板焊接可不进行焊接工艺评定，但由于我公司第一次使用此类材料，为了确保产品的焊接质量，仍决定参照NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》附录D进行了评定试验。

5.1 评定用焊接方法、材料

焊接方法选用自动钨极氩弧焊。评定用试件焊前结构形式如图2所示，试件坡口形式如图3所示。材料牌号及规格如表5所示，焊接参数如表6所示。

5.2 试板检验

（1）外观检查。焊缝和热影响区表面用10倍放大镜进行100%检查，外观检查和无损检测结果不应有裂纹、未熔合、气孔、咬边、弧坑和夹杂，飞溅物等缺陷，焊缝外不应有打弧点。表面不应有氧化色（只允许有银白色和淡黄色）。经检查，焊缝表面未发现裂纹、气孔、未熔合等缺陷，表面颜色呈银白色，外观检查合格。（2）渗透检验。对10个焊接接头全都按JB/T 4730.5规定进行渗透检验，未发现裂纹，检验合格。（3）金相检验（宏观）。按图4所示，任取呈对角线位置的两个管接头切开，两切口是互相垂直的。切口一侧面通过换热管中心线，对8个金相检验面检验（其中包括一个取自弧处的金相检验面）进行检验，焊缝根部未发现裂纹、未熔合，且根部都焊透。评定结果：以上检验均符合标准要求，评定为合格。

6 生产过程中钛管与管板的焊接工艺

焊接工艺评定合格后据此编制焊接工艺，同时必须严格执行相关的工艺规程以确保焊接质量。产品生产中应挑选具备相应焊接资质的焊工进行焊接。

6.1 焊接用密封室

因为钛材具有特殊性，风速、温度、湿度、粉尘等环境因素对焊接质量的影响都不可小觑，为保证焊接作业的环境，我们搭建了与外界相对隔绝的30m2（5mx6m）密封焊接室，保持温度在25°C左右，相对湿度小于60%。试件的焊接评定和产品的焊接都在这间防风、防尘的密封室内进行。（1）密封室内要安装空调、除湿机、吸尘器及排气扇，要求室内光线充足，并确保地面平整、干净清洁；（2）密封室应考虑防火措施和安全通道；（3）焊接时焊工应穿洁净的工作服和戴脱脂纯涤纶手套。

6.2 焊接中人、机、材的基本要求

6.2.1 人员要求。（1）焊接技术人员、焊接质量检查人员与焊接检验、检测人员应具有相应的资格；（2）凡参加施焊的焊工应经过钛及钛合金某类别任一牌号的机动焊理论与实际操作技能培训，并考核合格，才可进行钛换热管与管板的焊接工作。焊工具体持证项目为：GTAW-5FG-05/07/08/19。且需掌握以下基本知识： a.钛金属材料的基础知识； b.焊接材料（氩气）及其使用方面的基础知识；c.焊接工艺基础知识和钛材焊接的专业知识；d.常见的焊接缺陷产生的原因、危害性、预防及处理措施；e.管板焊接设备、测量仪表的种类、使用、维护的基础知识。

6.2.2 管板自动钨极氩弧焊机要求。（1）电弧特性稳定；（2）电流调节灵活、方便，有良好的工艺重复性；（3）机械执行机构运转灵活，装卡方便；（4）具有提前送气、延时停气、脉冲、非接触引弧和电流衰减功能。

6.2.3 材料。（1）管板覆层钛、基层Q345R及钛管应具有质量证明文件；（2）氩气使用前应检查有无出厂合格证，氩气纯度应不小于99.99%；（3）自动钨极焊所用的钨极选用的直径为？覫2.0铈钨极。

6.3 施焊前管板准备工作

（1）试板、管板及管孔应采用冷加工方法成形；（2）对已经胀管检验合格的进水侧管板进行焊接，保持与出水侧管板处工作人员的联系；（3）应先清除管板和胀管部分的杂物并应进行表面清理，去除油污、氮化物、氧化物、水渍、锈迹等，呈现金属光泽，然后用HS-50清洗液擦洗；（4）擦洗洁净度以白绸布蘸95%酒精擦拭管孔及管板，无任何污渍、不染色为合格；（5）加工及清洗完毕的管板及管孔严禁用手触摸，暂时不焊的管板必须用洁净的塑料薄膜覆盖，以防污染。

6.4 换热管与管板焊接

（1）管板焊接人员应严格执行焊接工艺规程；（2）焊机中心定位杆尺寸与胀后管孔内径间隙为0.1～0.15mm，并保证焊接过程不晃动；（3）钨极加工形状、焊接接头形式、钨极的设置尺寸如图5。（4）安装钨极时，钨极应处于焊枪喷嘴的中心位置，不得偏斜；（5）焊接时要经常注意钨棒尖端的形状，如果钨极尖端变圆，电弧的方向就会改变，焊缝就不圆滑、出毛边，这时应更换钨极；（6）一侧施焊另一侧严禁胀管、切管，以保证焊接质量。双侧施焊时，不得同时焊接一根钛管；（7）焊接参数见表6；（8）起弧和收弧位置：见图6。从时钟11点位置起弧，顺时针旋转焊接一周后在12点位置开始衰减，在3点钟位置收弧，焊嘴自动返回11点钟起弧位置，准备下一个管孔的焊接；（9）焊接时宜采用跳焊法，由下而上逐排焊接，见图7；（10）管孔焊接效果见图8；（11）焊缝表面应均匀、美观，呈鱼鳞状。焊缝余高应不大于0.5mm，焊缝宽度应为2～2.5mm；（12）焊缝表面不允许有裂纹、气孔、未熔合、焊偏等缺陷；（13）焊缝表面应呈银白色或淡黄色，不允许出现紫色、蓝色、灰色等。

其中：焊嘴钨极位置图中，a-钨极伸出喷嘴长度7～8mm；b-钨极至管板距离0.7～1.5mm；β-钨极与管孔轴线夹角8～10°。

图5

图6 起弧和收弧位置 图7 跳焊法焊接

6.5 管板焊缝表面无损检测

焊缝表面外观检查合格后进行着色检验，着色检验按JB/T4730.5-2005《承压设备无损检测渗透检测》I级合格，见图9。

6.6 水压试验

无损检测符合质量要求后进行装配，装配完成进行水压试验，壳程试验压力1.25MPa，管程0.5MPa。换热管与管板焊接的焊缝在水压试验中未发现泄漏。

7 结束语

文章总结了我公司制造钛管换热器过程中钛管与管板的焊接工艺评定和生产过程中的焊接工艺。通过客户三年的使用证明，该产品在以海水作为冷却介质的使用中性能良好，焊接质量可靠，为钛管换热器的生产制造提供可借鉴案例。

参考文献

[1]GB 151-1999.管壳式换热器[S].

[2]JB/T4745-2002.钛制焊接容器[S].

[3]NB/T 47002.3-2009.钛-钢复合板[S].

[4]NB/T 47014-2011.承压设备焊接工艺评定[S].

[5]GB/T 3625-2007.换热器及冷凝器用钛及钛管[S].

[6]焊接手册-材料的焊接2[M].机械工业出版社，1995.

[7]GB/T3620.1-2007.钛及钛合金牌号和化学成分[S].

作者简介：郭永萍（1979，10-），女，汉，籍贯：陕西省渭南市，职称：机械设计制造中级工程师，学位：大学本科，现供职单位：黄石市华天自动化设备有限公司，研究方向：机械制造中焊接工艺。