管式換熱器屬于壓力容器，壓力容器制造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是焊接，焊接質(zhì)量對設(shè)備質(zhì)量起著決定性的作用。焊接質(zhì)量管理各個環(huán)節(jié)是相互制約且相互聯(lián)系的，任何一個環(huán)節(jié)的疏漏都會造成設(shè)備的質(zhì)量缺陷，實際生產(chǎn)中必須重視換熱器的焊接質(zhì)量控制。在設(shè)備應(yīng)用中，焊接接頭承受著各種載荷、溫度的影響，同時還受到工作介質(zhì)的強烈腐蝕，所以焊接接頭除應(yīng)具有與殼體相同的靜載荷強度外，還應(yīng)具有較強的塑性、韌性和耐腐蝕性。

本章從焊接前檢查、焊接中控制、焊接后檢驗三個階段和人員資格能力、機器設(shè)備完好程度、材料、焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及焊接環(huán)境這五個焊接管理要素進行了分析，總結(jié)出了焊接質(zhì)量的管理控制方法。

1、鈦合金管式換熱器制造質(zhì)量控制要點

1.1 氣體保護

由于管式換熱器的主材鈦合金受熱極易受空氣氧化，所以在焊接過程或材料被加熱至350℃以上時鈦材必須處在高純氬氣氛圍的保護下。以往不銹鋼壓力容器制造過程中，雖然也進行氣體保護，但是鈦合金焊接過程中的保護措施要求更為嚴格，焊接時必須采用專用的氣體保護工裝進行全封閉的保護（圖3-1）。通常采用的保護措施主要是在熱加工表面涂高溫防氧化涂料，并設(shè)置專用的氣體保護工裝保證焊縫及熱影響區(qū)雙面均有很好的氬氣保護，此外，對保護氣體氬氣的純度要求也很高，一般氬氣純度應(yīng)≮99.99%。

圖3-1 氣體保護工裝

1.2 防污染要求

鈦材的焊接應(yīng)在潔凈無塵車間進行，自材料采購運輸進廠開始到設(shè)備竣工驗收完成的整個過程（包括制造過程中的運輸、儲存、切割、加工、焊接、檢驗和試驗、吊裝、搬運、標(biāo)記等），均應(yīng)采取嚴格的保護措施，防止材料或工件受損傷和污染。

在鈦部件周轉(zhuǎn)和運輸過程中，必須配備必要的防鐵離子污染措施，如用尼龍帶、專用牛皮紙、銅制工具等包裹或墊固。在施焊過程中，還要對空氣中鐵離子含量隨時進行監(jiān)測（菲繞啉試驗），確保空氣中的鐵離子含量在合理的范圍內(nèi)，以免鈦材表面受到污染。

焊接時除應(yīng)嚴格按照已經(jīng)批準(zhǔn)的焊接工藝規(guī)程施焊外，在每次施焊前都必須按規(guī)定對母材表面采用丙酮洗液用干凈擦布擦拭清洗，并在規(guī)定的時間內(nèi)焊接完成，以防鈦材被重新污染。

1.3 焊接裂紋

鈦的熔點很高（1668 ℃ ），熱容量較大，且導(dǎo)熱性差，所以在焊接時易形成較大的熔池，較高的熔池溫度使焊縫及熱影響區(qū)金屬處于高溫環(huán)境的時間比較長，導(dǎo)致晶粒長大傾向較大，降低了焊接接頭的塑性和斷裂韌性，從而易產(chǎn)生焊接裂紋（圖3-2）。

圖3-2 焊接裂紋

純鈦的焊縫及熱影響區(qū)粗大的晶粒難以用熱處理方法消除，并且焊縫金屬呈鑄鈦狀，使得鈦設(shè)備焊后強度下降較大，因此焊接時務(wù)必嚴格控制焊接熱輸入，采用較小的焊接電流和較快的焊接速度施焊，在熔融焊時宜采用能量集中的熱源，減小熱影響區(qū)，從而避免焊接裂紋的產(chǎn)生 [30] 。

1.4 焊接氣孔

在高溫焊接時會有少量氫元素溶入熔池，焊接結(jié)束冷卻時過飽和的氫來不及從熔池中逸出，在焊縫中積聚就會形成氣孔。隨著液體溫度的升高，氫在鈦中的溶解度會降低，且在凝固點溫度時鈦中氫的溶解度會急劇下降（如圖3-3）。焊接時熔池中部較熔池邊緣的溫度高，熔池中部的氫會向熔合線積聚，因此在熔池邊緣處較易形成過飽和氫，內(nèi)部會生成氫氣孔。

換熱器管板上焊縫多，一般換熱器有幾百至幾千個焊口，并且焊接位置較為苛刻，若焊接工藝掌握不好，焊縫中極易產(chǎn)生氣孔等缺陷 [16， 30] 。焊接接頭中的氣孔不僅會造成焊縫應(yīng)力集中，而且由于氣孔的存在，會使周圍金屬的塑性降低，從而使整個焊接接頭力學(xué)性能下降，更嚴重甚至直接導(dǎo)致焊接接頭的破壞斷裂。

焊接氣孔有時難以從檢測中發(fā)現(xiàn)，而且焊后檢測只能作為一種事后的控制，因此要提高換熱器管板的焊接質(zhì)量，必須通過改善和提高焊接和制造工藝來達到。

為了避免氣孔的產(chǎn)生，應(yīng)至少采取以下幾個措施：

1)焊前應(yīng)清除母材和焊絲表面的油污及氧化物膜等有機物質(zhì)，確保母材中氫、氧、氮等雜質(zhì)元素的含量不超標(biāo)，施焊前必須按規(guī)定對母材和焊絲表面采用丙酮洗液用干凈擦布擦拭清洗，進行真空去氫處理來改善焊絲的含氫量和表面清潔度。

2)焊接時采用機械方法加工坡口端面，并保證平整光滑，除應(yīng)嚴格按照已經(jīng)批準(zhǔn)的焊接工藝規(guī)程施焊外，還應(yīng)在焊件清理后及時進行焊接，焊接時間間隔一般不超過2h，否則要妥善保存已處理過的母材和焊絲，并在施焊時重新進行清洗。

3)焊接過程中按照焊接工藝要求，正確選擇焊接工藝參數(shù)，延長焊槍在熔池停留時間，以便于氣泡的逸出，減少氣孔的產(chǎn)生 [31] ，而且還要控制好氬氣的流量，防止紊流現(xiàn)象。

4)采用真空電子束焊或等離子弧焊等高積聚熱量的焊接方法，避免較大面積的使母材受熱氧化，焊接時采用低露點氬氣進行保護，保證其濃度≮99.99%。

圖3-3 氫在高溫鈦中的溶解度

1.5 換熱管加工

換熱管是管式換熱器的關(guān)鍵部位。資料表明，大多數(shù)換熱器泄漏往往是由于換熱管部位產(chǎn)生泄漏引起的。制造換熱器的管材按要求需進行擴口試驗、壓扁試驗、無損檢測、腐蝕試驗、低倍檢查、逐根水壓試驗等來檢查管材是否有變形或泄漏，以此來確保換熱管質(zhì)量合格。

在進行工藝設(shè)計時要留出換熱管厚度的腐蝕裕量，一般鈦容器的腐蝕余量定為1mm，當(dāng)應(yīng)用中換熱器工作介質(zhì)為高濃度強酸等強腐蝕性液體時，為保守起見，還應(yīng)在原來的基礎(chǔ)上進一步加大管材壁厚 [48] ，本次課題設(shè)計時換熱管規(guī)格選取的是φ30×4的無縫鈦管，腐蝕裕量定為2mm，由于管壁較厚，因此需要較大的脹接壓力 [9] 。我們經(jīng)過反復(fù)試驗，制定了脹接工藝評定報告，并經(jīng)過了業(yè)主方的前期審核。換熱管與管板之間的連接是通過先液壓脹再焊接的方法來固定的 [23] （見圖3-4）。通過制作工藝試板，不斷的試脹，檢驗脹接前后的管內(nèi)徑、測量脹后換熱管的拉脫力，計算出脹接率，進行拉伸等力學(xué)性能試驗，得出脹接壓力為400Mpa，如此高的脹接壓力，必然對脹管設(shè)備、現(xiàn)場安全防護等要求都很高 [29] 。

圖3-4 換熱管與管板接頭形式

由圖3-2看出，換熱管與管板連接處只有中間17mm需要貼脹 [23] ，兩端不脹，液壓貼脹后再對換熱管與管板進行焊接 [50] 。

2 、制造準(zhǔn)備階段的質(zhì)量控制

2.1 編制質(zhì)量計劃

GB/T19000-2008中對“質(zhì)量計劃”的定義是：“對特定的項目、產(chǎn)品或合同規(guī)定由誰及何時應(yīng)使用哪些程序和相關(guān)資源的文件”。質(zhì)量計劃提供了一種途徑將某一產(chǎn)品、項目或合同的特定要求與現(xiàn)行的通用質(zhì)量體系程序聯(lián)系起來。

在設(shè)備生產(chǎn)前首應(yīng)編制管式換熱器及各個零部件的制造加工工藝文件，將生產(chǎn)過程分解細化，形成以各個主要零部件的制造工藝過程和組裝、試驗、包裝和運輸?shù)葹橹饕獌?nèi)容的質(zhì)量計劃，并根據(jù)工序的重要性確定質(zhì)量控制點：停工待檢點（H點）、現(xiàn)場見證點（W點）、文件見證點（R點）。

一、停工待檢點(H 點)

產(chǎn)品質(zhì)量有重大影響的關(guān)鍵檢驗項目應(yīng)設(shè)為 H 點，該項目未經(jīng)檢驗合格，不得進入下一道工序。對于 H 點，監(jiān)理人員要到現(xiàn)場進行檢查見證，保證制造過程和結(jié)果符合設(shè)計文件要求。

二、現(xiàn)場見證點(W 點)

對產(chǎn)品質(zhì)量有影響的重點檢驗項目和隱蔽驗收項目可設(shè)為 W 點。對于 W 點，設(shè)備監(jiān)理人員一般應(yīng)到現(xiàn)場監(jiān)造見證。在不能到達現(xiàn)場時，則應(yīng)對制造廠提供的見證資料審查確認。

三、資料審查點(R 點)

影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要檢驗項目可設(shè)為 R 點，對于 R 點，設(shè)備監(jiān)理人員對制造廠提供的相關(guān)資料進行審查和確認。如：檢查各零件原材料質(zhì)量證明文件審查；檢查加工制造工藝方案及各工序檢驗資料審查；外包零件入廠驗收資料審查；各部件包裝方案及包裝資料審查等。

試驗中將原材料外購件檢驗、換熱管檢驗、換熱管脹接、換熱管與管板組焊、殼程水壓試驗、管程水壓試驗、殼程氦檢漏試驗、管程氦檢漏試驗設(shè)為停工待檢點（H 點），并在產(chǎn)品制造過程中重點控制 [52] 。

2.2 編制質(zhì)量保證大綱及有關(guān)的質(zhì)量管理程序

為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，制造廠需編制質(zhì)量保證大綱（以下簡稱質(zhì)保大綱）。質(zhì)保大綱的內(nèi)容包括：應(yīng)達到的質(zhì)量目標(biāo)、各階段責(zé)任和權(quán)限的分配、應(yīng)采用的特定程序、作業(yè)指導(dǎo)書、達到質(zhì)量目標(biāo)必須采取的其他措施等。

質(zhì)保大綱應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品項目的特定要求，做到針對性強，規(guī)格嚴謹、可操作性強，質(zhì)量保證大綱及有關(guān)的質(zhì)量管理程序一旦制定必須確保執(zhí)行，各個職能部門都應(yīng)嚴格按照質(zhì)保大綱的規(guī)定正常運轉(zhuǎn) [17] 。

2.3 編制焊接工藝評定報告

焊接前，應(yīng)由焊接工程師根據(jù)母材和焊材的特性及焊接的工況條件進行焊接工藝評定試驗，編制焊接工藝評定報告。焊接工藝評定試驗應(yīng)在質(zhì)檢部門和焊接工程師的監(jiān)督下進行，只有焊接工藝評定合格后，才能依據(jù)焊接評定報告制定焊接作業(yè)指導(dǎo)書，在車間生產(chǎn)時按照作業(yè)指導(dǎo)書的要求對工件施焊。對焊接工藝評定的監(jiān)督檢查,具體可從以下幾個方面進行控制：

1)檢查母材是否符合技術(shù)條件的要求，并要求材料廠家提供產(chǎn)品質(zhì)量保證書，進廠時嚴格按照質(zhì)保大綱的要求對原材料進行驗收，參照標(biāo)準(zhǔn)和訂貨技術(shù)協(xié)議進行審核并與實物進行核對，此外，還需對外觀質(zhì)量進行檢驗和測量，打上材料標(biāo)記、試樣號和檢驗員確認鋼印，并做好有關(guān)檢驗記錄，當(dāng)技術(shù)規(guī)格書有復(fù)驗要求時需還需進行復(fù)驗；

2)檢查焊接材料是否符合技術(shù)條件的要求，并要求焊材生產(chǎn)廠家提供焊條或焊絲的產(chǎn)品質(zhì)量保證書，進廠時嚴格按要求對原材料進行驗收，參照標(biāo)準(zhǔn)和訂貨技術(shù)協(xié)議進行審核并與實物進行核對，此外，還需對外觀質(zhì)量進行檢驗和測量，打上材料標(biāo)記、試樣號和檢驗員確認鋼印，并做好有關(guān)檢驗記錄，當(dāng)技術(shù)規(guī)格書有復(fù)驗要求時需還需進行復(fù)驗；

3)檢查母材、焊材的接頭形式、坡口坡度及開口形式、焊接位置、焊接試件形式及尺寸、焊接參數(shù)設(shè)置、焊后無損檢測、焊后破壞性試驗等其它技術(shù)因素對規(guī)范的符合性。

2.4 檢測儀器、儀表以及加工設(shè)備

換熱器制造過程中通常會用到的儀器、儀表包括：電流表、電壓表、千分尺、流量計、壓力表等（圖 3-5）。對設(shè)備加工制造過程所用的檢測儀器、儀表等進行檢查和監(jiān)督是事前監(jiān)督的重要內(nèi)容，通常檢查的內(nèi)容主要包括：儀器、儀表是否經(jīng)過標(biāo)定且在有效期內(nèi)；儀器、儀表配備的數(shù)量是否滿足加工的需要；用于檢驗的設(shè)備性能是否能滿足試驗的要求等。

用于容器加工的設(shè)備有車床、銑床、鏜床以及焊接設(shè)備，對加工設(shè)備的檢查主要包括檢查加工設(shè)備的類型、特點和規(guī)格尺寸，特別檢查其技術(shù)參數(shù)和精度是否滿足設(shè)備制造質(zhì)量的要求。

圖 3-5 焊接用電流表