一种管壳式热交换器换热管与管板对接接头制备工艺的制作方法

本发明属于管壳式热交换器技术领域，具体涉及一种管壳式热交换器换热管与管板对接接头制备工艺。

背景技术：

热交换器作为化工生产过程中换热的重要装置，广泛应用于化工过程中反应及热循环系统中。管壳式热交换器是由具有多个孔的管板与相应数量的换热管，通过每一个换热管与管板之间胀接、焊接连接而成，换热管与管板接头结构有两种形式，一种是换热管穿过比换热管外径大的管板孔，通过胀接或换热管伸出的一端管与管板焊接实现连接，另外一种结构是换热管与管板的一个平面相应孔进行对接连接，具体结构如图1和图2所示，换热管穿过管板与管板通过胀接或焊接方式实现连接，换热管与管板焊接接头是一种部分焊透焊接接头，焊缝尺寸小，换热管与管板孔内壁存在间隙，加工成本低、制造周期短，根部保护效果差，结构应力集中大，容易造成间隙腐蚀、根部开裂、接头抗震和疲劳性能差的问题；但由于化工反应过程的很多情况下因为腐蚀原因要求避免在管子与管板之间设计出间隙，即管子与管板焊接接头被要求作为一种无间隙的全焊透接头，以消除换热管与管板的端部缝隙，提高抗间隙腐蚀和抗应力腐蚀能力；提高接头抗震动和疲劳强度，并能承受高温、高压；减小了管板孔径增加了管板刚度，形成一种换热管与管板之间采用全焊透的对接焊缝和对接接头。这种对接焊缝和对接接头，通用做法是在管板一面每一个管板孔处加工环形凸台，环形凸台与母材圆角过渡，环形凸台直径和厚度与换热管的壁厚和直径一致，通过环形凸台与换热管实现全焊透的对接焊缝和对接接头，这种换热管与管板对接焊缝对接接头结构，避免接头应力集中小，承载能力强，受力条件好，逐步成为苛刻环境应用的换热管与管板连接的主要结构形式之一。

近年来，随着内孔焊接装置(焊枪从管板孔内伸入，从接头的内侧实施焊接的方法)的开发成功，换热管与管板对接接头的管壳式热交换器已经在化工行业有所应用。但由于管壳式换热器管板上的多个孔与相应数量的换热管通过对接焊接，换热管直径小，壁厚薄，长期以来，在制造过程中，由于换热管、管板的尺寸及公差控制不到位，组对质量误差及焊接施工过程中不能保证换热管与相应的管板孔不能同心，造成错边或换热管与相应管板孔处凸台组对间隙不均匀，焊枪长时间工作出现误差或操作不熟练、焊接参数不稳定，对中误差等，致使换热管-管板对接接头焊接过程中出现焊穿、焊缝减薄、未焊透或贯穿性缺陷等缺陷；且换热管在管板上密排分布，管桥小，从换热管-管板对接接头外侧返修焊接，由于周围换热管的阻挡无法从对接接头外表面实施全周的可视焊接，返修困难，且返修焊缝的焊接质量难于保证，如此现行管壳式热交换器换热管与管板对接接头的制备方案生产效率低，组对质量保证困难，焊接容易出现偏离焊接区域，焊缝质量问题比较多，换热管与管板对接接头质量存在较大隐患，甚至造成大量返修。

为了保证管壳式热交换器的换热管与管板全焊透的对接焊缝对接接头高效、优质制作，需要针对换热管与管板全焊透对接焊缝对接接头的性能要求及结构特点，结合所用焊接工艺方法及母材特点，制造过程，研究合理的制备工艺，完成管壳式热交换器换热管与管板全焊透对接接头的制备。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种管壳式热交换器换热管与管板对接接头制备工艺，是在分析管壳式热交换器换热管与管板连接结构和加工能力的基础上，针对换热管与管板材料、对接焊缝对接接头结构、焊接工艺特点及质量要求，发明了简单易行，操作简单，制备效率高、焊接质量可靠的管壳式热交换器换热管与管板对接焊缝对接接头制备工艺，解决了管壳式热交换器换热管与管板对接接头组对质量差，焊缝缺陷多，焊接接头质量不稳定问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种管壳式热交换器换热管与管板对接接头制备工艺，包括如下步骤：

s1.设定合理换热管和管板尺寸公差：

设定换热管直径、壁厚及待焊端面平面度、换热管待焊端面与管子轴线垂直度的尺寸公差，设定管板厚度、管板孔直径、管板孔轴线与管板面垂直度、每个管板孔处与换热管相焊处直径和厚度偏差、管板孔处待焊表面平面度及此平面与管孔中心线的垂直度的尺寸公差；

s2.选用适于换热管与管板对接接头全位置全焊透的焊接方法和焊枪结构尺寸：

采用自动钨极氩弧焊配合特殊结构焊枪，焊枪一端设置有定位平面，定位平面中心设置有垂直于平面的芯杆，芯杆直径小于管板孔，且另一端固定钨极，芯杆具有至少管板厚度长度，且具有一个长度公差，采用自动钨极氩弧焊配套这种特殊结构焊枪，从实现换热管与管板对接接头内侧实现对换热管与管板对接接头全位置全焊透焊缝焊接；

s3.设计有利于组对和全焊透的坡口结构和尺寸：

根据换热管与管板对接接头结构尺寸，结合自动钨极氩弧焊特点，在管板焊接面每个孔处设计一个环形凸台与换热管对接，且控制环形凸台平面的平面度，使得在环形凸台与换热管焊接端组对时能精密贴合，环形凸台的外周设置一个内径比换热管外径大的环形突起，环形突起起定位、衬垫及增加焊缝金属的作用，换热管与相应管孔组对同心，使得与环形凸台组对时不造成错边，弥补换热管与环形凸台平面可能存在的微小间隙造成焊穿及焊缝金属厚度不足，保证组对质量和焊接过程及焊接质量稳定性；

s4.管束组装：

采用工装，将管板垂直竖立固定，保证垂直度，然后依次组装折流板、拉杆，组装后调整折流板孔与相应管板孔同心，穿入换热管，保持换热管能自然地与管板上相应的管板孔中心同心，分区选用换热管与管板上的环形凸台进行试组对，换热管能自然嵌入环形突起，并与环形凸台平面紧密贴合，然后依次逐排串入换热管，完成穿管后，将折流板、管板之间的连接板装上并焊接完成，使管束形成相对固定的整体，确保管束的折流板、管板的相对位置固定，保证换热管与相应管板孔同心，以实现每个换热管与管板良好的组对；

s5.换热管与管板对中、组对及焊接：

换热管与管板对中、组对后，将焊枪芯杆沿待焊的换热管与管板对接接头的管板孔从管板平面侧插入，穿过管板孔，使焊枪芯杆端头钨电极从管板焊接面的环形凸台平面露出，焊枪定位平面紧密贴住管板平面，调整焊枪伸缩，使钨电极尖部与环形凸台平面内沿对中，然后打开电源，使焊枪芯杆旋转一周，确定钨电极尖端在旋转过程中始终与环形凸台平面内沿在同一平面且间隙均匀，然后将相应换热管推进，并将换热管嵌入环形突起，使得待焊端面与环形凸台平面紧密贴合，再将背保护罩绕换热管与管板对接接头外周安放好，并送入保护气体，依次按照高频起弧-预熔-旋转焊接-410～420°衰减熄弧完成焊接；

s6.换热管与管板对接接头质量检测：

焊接完成后，先对内侧焊缝和外侧焊缝进行检测，接头焊缝应与母材圆滑过渡，然后采用专用工装，在换热管与管板对接接头内侧分别充入氦气和水，对焊缝进行氦检漏试验和水检漏试验，焊接接头无泄漏为合格。

优选的，所述步骤s3中的环形突起的厚度和高度尺寸及偏差为0.8±0.2mm。

优选的，所述步骤s4中穿入换热管时，实现换热管与相应的管板孔同心，且换热管待焊端面能自由嵌入相应管板孔处的环形凸台，并与平面紧密贴合，换热管与相应的管板焊接面环形凸台表面距离为200～500mm。

优选的，所述步骤s5中使焊枪芯杆与管板孔同心，电弧始终对中换热管余相应管板孔对接坡口中心，钨电极的起始位置置于管板孔9～12点位置之间。

优选的，所述步骤s5之前还包括模拟焊接，模拟焊接的具体方法为：实施产品作业前，进行模拟件焊接，将与换热管以及管板对接连接的规格及坡口结构一致的具有少量管孔的模拟件点焊在管板侧面，保证模拟件平面与管板面处于同一个平面，进行模拟件换热管与管板对接接头对中、焊接调试，确认焊接设备系统正常，操作者熟悉换热管与管板对接焊接过程。

优选的，所述步骤s5中启动焊枪时提前10～20秒送入保护气体。

优选的，所述步骤s5中焊接过程采用的保护气体为氩气或氩气及氦气的混合气，气体流量为10～14l/min。

优选的，所述步骤s6中内侧焊缝采用内窥镜进行检测，外侧焊缝表面采用10倍放大镜进行检测，然后采用专用工装进行氦检漏和水检漏检测。

本发明提出的一种管壳式热交换器换热管与管板对接接头制备工艺，与现有技术相比，具有以下优点：利用本发明逐根完成每一根换热管与管板对接接头组对、焊接、检测，良好的待焊件的尺寸及公差控制为后续组对质量和焊接质量提供了保证，通过在管板每个孔处的环形凸台外周增加一定高度和厚度的环形突起，改进了组对和焊接质量，保证了后续焊接过程稳定，提高了组对和生产效率，模拟焊接、对中和焊接过程设置，保证焊接过程中焊接过程设备完好，操作熟练，参数稳定，保证焊接电弧能始终处在换热管与管板对接接头中心位置，实现换热管与管板对接接头高效优质焊接制造，所有焊接结束后，通过后续的焊缝检测、气压试验和水压试验，检测出换热管与管板对接接头的焊接质量。

附图说明

图1为现有的一种换热管与管板接头结构示意图；

图2为现有的另一种换热管与管板接头结构示意图；

图3为本发明的管板的结构示意图；

图4为本发明的焊接原理示意图。

图中：1、管板；2、管板孔；3、环形凸台；4、环形突起；5、环形凸台平面；6、焊枪；7、焊枪定位平面；8、焊枪芯杆；9、钨电极；10、换热管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例的管壳式换热器换热管与管板对接接头制备用换热管和管板材质为s30409，换热管规格为φ25×2×21000mm，共2150根，管板规格为φ2080×140mm。

不锈钢管板和换热管成分性能特点如下表1和表2：

表1管板及换热管成分

表2管板拼焊低合金钢q345r的力学性能

本发明提供了一种管壳式热交换器换热管与管板对接接头制备工艺，包括如下步骤：

s1.设定合理换热管和管板尺寸公差：

换热管10加工及尺寸公差要求：

换热管10公称直径和厚度应符合图纸要求，换热管10端头应去毛刺不倒角，尺寸允差符合：换热管10外径应达到φd±0.2mm；管壁厚度允差0～0.2mm；且应保证待焊端面平面度不大于±0.15mm，端面与内外表面垂直度控制在±0.15°。

管板1加工及尺寸公差要求：

管板1公称厚度符合图纸，并达到公差要求：管板1厚度应达到t±1.5mm，管板孔2与管板面的垂直度允差为0.15mm，管板面的平行度允差为±0.2mm，管板孔2直径允差为±0.15mm。

s2.选用适于换热管与管板对接接头全位置全焊透的焊接方法和焊枪结构尺寸：

采用自动钨极氩弧焊，焊枪6有焊枪定位平面7，且焊枪芯杆8与焊枪定位平面7保持垂直，特制焊枪芯杆8直径φ20mm，焊枪芯杆8一端固定钨电极9，焊枪6有效工作长度为140±4mm。

s3.设计有利于组对和全焊透的坡口结构和尺寸：

在管板1一面加工环形凸台3，环形凸台3外径大于换热管10外径，在环形凸台3外周加工组对焊接用的环形突起4，环形突起4的高度和厚度控制在0.8±0.2mm。

s4.管束组装：

采用组装工装，将管板1垂直竖立，保证垂直度，然后依次组装折流板、拉杆，组装后调整折流板整体与管板1同心，穿入换热管10，保持换热管10能自然的与管板1上相应的管板孔2中心同心，分区选用换热管10与管板1上的环形凸台3进行试组对，换热管10能自然嵌入环形凸台3上环形突起4内侧，并与环形凸台平面5紧密贴合，依次逐排穿入换热管10，换热管10与相应的管板孔2上环形凸台3距离200～500mm，完成穿管后将折流板、管板1之间的连接板装上并焊接完成，确保管束的折流板、管板1的相对位置固定。

s5.模拟焊接、换热管与管板对中、组对及焊接：

实施产品作业前，进行模拟件焊接，将与换热管10以及管板1对接连接的规格及坡口结构一致的具有少量管板孔2的模拟件点焊在管板1侧面，保证模拟件平面与管板1面处于同一个平面，进行模拟件换热管10与管板1对接接头对中、焊接调试，确认焊接设备系统正常，操作者熟悉换热管10与管板1对接焊接过程。

确定自动钨极氩弧焊的焊枪6及焊接电源完好，输气良好，将焊枪6沿待焊管板孔2平面侧插入，并使焊枪6的焊枪定位平面7与管板1平面贴合，伸出管板1另一端焊枪芯杆8的钨电极9端部与环形凸台3平面内沿对中，旋转一圈，电极端部与环形凸台3平面内沿在同一平面上且间隙均匀，将钨电极9对中在管板孔2的9～12点范围，将待焊的换热管10轻轻推进，使换热管10的端头插入环形凸台3的环形突起4内侧，换热管10端面与环形凸台3内侧环形凸台平面5紧密贴合，将背保护罩绕换热管10与管板1的环形凸台3外周安放好，并通入保护气，启动焊枪6，提前10～20秒送入气体流量为10～14l/min的氩气或氩气及氦气的混合气，从9～12点起弧预熔和焊接，焊接参数为电流105±15a，焊接电压8-10v，焊接速度1.5-2.0mm/s，旋转410～420°熄弧完成焊接。

s6.换热管与管板对接接头质量检测：

对换热管10与管板1对接接头进行表面质量检测，内侧采用内窥镜进行检测，外侧采用10倍放大镜进行检测，接头焊缝应与母材圆滑过渡，无焊穿、咬边、气孔、凹陷、裂纹和夹钨等缺陷，然后采用专用工装，对换热管10与管板1接头进行氦检漏试验和水检漏试验检测，焊接接头无泄漏为合格。

根据以上方案制备了试件进行模拟试验，共十个换热管与管板对接管头，三个管头进行拉伸试验，测试焊接接头强度，接头强度符合相关规范要求；其余管头沿管子轴线一剖为4，分别对每个管头的四个剖面进行宏观金相检测，焊缝厚度与管壁厚度一致，未发现缺陷；然后按以上方案对换热管与管板对接接头进行焊接并试验合格后，与其他部件一起组装进行管程以及壳程气压实验和水压试验，管程试验水压力0.98mpa，壳程试验水压力1.32mpa，管程气压试验为0.4mpa，壳程气压0.7mpa，试验均一次完成，未发现泄露，合格率达到100％。

综上所述：利用本发明逐根完成每一根换热管与管板对接接头组对、焊接、检测，良好的待焊件的尺寸及公差控制为后续组对质量和焊接质量提供了保证，通过在管板每个孔处的环形凸台外周增加一定高度和厚度的环形突起，改进了组对和焊接质量，保证了后续焊接过程稳定，提高了组对和生产效率，模拟焊接、对中和焊接过程设置，保证焊接过程中焊接过程设备完好，操作熟练，参数稳定，保证焊接电弧能始终处在换热管与管板对接接头中心位置，实现换热管与管板对接接头高效优质焊接制造，所有焊接结束后，通过后续的焊缝检测、气压试验和水压试验，确认换热管与管板对接接头的焊接质量符合要求。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。