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？I19x0.5mmTA2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？I19×0.5mmTA2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×？I1356mm）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。？I19×0.5mmTA2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。