空冷器换热管与管板焊接工艺
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摘要：管子管板焊缝作为换热器最为薄弱的区域，其焊接质量对设备的可靠性和寿命有极其重要的影响。蒸发式空冷器由循环水泵、风机、换热盘管等部分构成，属于内部相互关联的复杂系统，及时进行蒸发式空冷器换热性能的优化具有较高重要价值。空冷器管-管板的连接一般采用焊接的方式，可以有效保证两者之间的连接牢固性。提升焊接质量，可以防止裂缝、断裂等情况的发生，保证空冷器管运行的安全性。以空冷器管为研究对象，对空冷器管-管板焊接工艺进行详尽的探讨。
关键词：空冷器;换热管;管板;焊接;工艺
1导言
空冷器广泛应用于炼油、化工行业中，并且经常用于高温、高压、高腐蚀环境中，因此對整体质量提出更加严苛的考验，而在整个空冷器制造中，换热管与管板焊接为其中最为重要环节之一，因此如何提高管端连接可靠性成为目前行业中首要的研究课题。
2蒸发式空冷器概述
蒸发式空冷器将空气冷却器和管式喷淋水冷却器融为一体，借助盘管外端水膜和其表面的对流空气实现换热，对流空气可快速带走水膜中热量，属于汽化放热过程，保证管外传热满足预期要求，提高了其传热效率。空冷器从结构方面出发，具有操作稳定、节水节能的优势，当下国家大力推广绿色节能项目的开发，因此蒸发空冷器的发展前景十分广阔，为此，及时加强高性能空冷器的研发具有重要的价值，具有良好的节能降耗效果，同时可为新设备的研发提供一定参考价值。
图1为复合型高效蒸发空冷器的结构图，其工作原理为：借助循环水泵将冷却水运送至喷水装置，喷洒后液体在惯性作用下会从最高点下落，液体和喷淋设备内部填料充分接触后便可在填料表面形成水膜。重力作用下水膜会流向蒸发盘管外表面，在管子外表面形成的水膜吸收热量并最终流向回收水槽，完成整个循环。该过程中，风机作用下会增加管子表面迎面风速。冷却水在管壁位置发生蒸发，将管内高温冷凝冷却介质的热量带走，同时与管外向上流动的空气发生对流换热。考虑到水汽化潜热较高，蒸发盘管外表面的蒸发换热会具有较高的换热效率。波纹填料作用下，空气和冷却水的接触面积增加，盘管外表面液膜稳定得到明显下降，从而实现换热过程。蒸发结构中捕雾器可降低冷却水的损失，水雾也会降低干冷管翅片和相邻设备的腐蚀程度。换热过程中，室外空气先和蒸发管下排翅片管接触，受表面水膜传热作用后，湿度增加、温度下降，换热环节中对应温差较高，具有显著的换热效果，吸收换热盘管和冷却水的热量一般会从出风口排出。
3管与管板焊接方法
3.1焊条电弧焊
焊条电弧焊是一种无机械辅助、纯手工操作的焊接方式，通过焊条与焊件之间建立起来的稳定燃烧的电弧，高温熔化焊条和焊件，焊条药皮不断熔化分解，焊条在电弧热作用下不断熔化，进入熔池，成为焊缝的填充金属。
3.2钨极氩弧焊
钨极氩弧焊又称为TIG焊，利用钨极与焊件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝（也可不填充焊丝），在电弧周围使用惰性气体保护隔绝空气以及临近热影响区，以形成纯净的焊接接头。其优点为：熔池深而窄、焊件的收缩应力和变形较小、钨极寿命长、电弧燃烧稳定。但是在换热管与管板钨极氩弧焊焊接时，要求电极应满足3个条件：
①耐高温，焊接过程中不易损耗。②电子发射能力强，利于引弧及稳弧，电极材料的逸出功直接影响电子发射能力，若要使发射电子的能力增强，需使用逸出功低的材料，引弧及稳弧性能均好。③电流容量大。电极的许用电流要大一些，电极的许用电流与电极材料、电流的种类和极性以及电极伸出长度有关。
4优化换热性能的措施
4.1结构优化方案
为了提高蒸发空冷器的换热性能，需要从管内冷凝介质和关外冷却水、空气的温差方面进行分析，一般被冷却介质的入口温度不会发生变化，因此从优化角度出发来降低冷却水和空气的温度。具体结构优化方法分析如下。首先，喷淋装置优化。传统蒸发空冷器中一般采用单排喷嘴进行处理，且逆喷效果高于顺喷;如果采用两排喷嘴进行处理，对喷效果更优，原因在于两排对喷时，喷淋冷却水可更均匀地将水膜覆盖在盘管段。该文针对喷嘴方向进行了优化处理，所有喷嘴采用上喷处理。冷却水从喷嘴喷出后，在重力作用下会更加均匀地覆盖在填料处，部分水受风量运动影响，可能会向上运动，与捕雾器接触后会汇聚成液滴，随后在重力作用下还会落回填料处。
4.2填料增膜改进
填料可借助低阻力、耐腐蚀的GLASdek材料，主要成分是树脂浸泡后的玻璃纤维。改造后在喷淋段和蒸发段增设填料处理，冷却介质喷出后依次经过填料、盘管，在填料表面的水介质和流通空气发生换热传递，设置填料后可显著增加气液接触面积，对冷却水进行降温处理的效率更高，为后续与蒸发管的换热操作提供了差距更大的温差，换热效果大幅提升。
5管板焊接工艺
5.1合理选择焊接方法
空冷器管-管板开展焊接工作应该采用焊接工艺评定的相关参数，按照实际情况进行焊接区域的划分，然后再确定各个管的位置，一般情况下划分为4个焊接区域，每个区域中焊接单元设置3个管孔，以管板中心为原点，距离管板中心最近的地方首先开始焊接，然后错相邻单元完成另外单元的焊接工作，向外不断推进直到焊接到区域的最外侧单元，最后以对称的方式进行其他区域的焊接作业，这样就完成了全部区域的第一遍焊接，接下来按照同样的方式完成第二遍焊接。在焊接过程中，应该合理的控制热量应力，使其能够最大限度的降低，并且需要减轻应力对焊接结构的作用力，避免焊缝出现形变，提升空冷器管-管板的焊接质量，空冷器管-管板一般采用钨极氩弧焊或焊条电弧焊方法焊接。
5.2对焊接过程的有效控制
空冷器管-管板的焊接作业中，首先需要对焊接的工艺和时间进行有效控制，提前制定工作方案，并严格按照工作方案进行施工，对焊接长度的合理性进行检查，不能出现随意更换焊接位置的状况。同时在焊接过程中，还要注意对焊接速度的控制，焊条需要在四孔三角区域内进行熄弧，引弧也需要在三角区域内完成，对焊接质量进行详尽的检查，发现问题及时采取补焊等补救措施，然后进行二次焊接，这样可以有效的提升焊接处的稳定性和可靠性。
5.3焊接试验
在开展空冷器管-管板焊接时，如情况允许则应该开展试验试件，通过试验的方式选择合适的焊接方法。根据《压力容器》相关规定的要求，科学选择空冷器管及管板的尺寸，并进行合理的布局。接头可以采用端面环形焊接的方式，管段伸出管控的长度不得高于2mm，通过对伸出管孔长度的有效控制，可以降低管壁过烧发生的概率。在进行空冷器管-管板的焊接过程中，钨极氩弧焊可采用脉冲焊接方式，可以有效的降低熔池时间和试件的冷却时间，并且能够产生优质的电弧挺度，便于集中能量作用于焊接接头处。在焊接试验过程中，需要对钨级进行有效的控制，对于宽度较小的焊缝以及较大的熔深应该采用尺寸为2.5mm的钨极，这样才能够保证焊接作业的需求。此外，在焊接作业时，应以起焊点为中心沿顺时针的方向开展工作，钨级与管轴线的夹角应小于20°，因为若是夹角过大，会造成空冷器管壁过热，出现烧毁的状况。
结束语
综上所述，空冷器管-管板焊接工艺主要分为两个部分，分别为焊接顺序和管端焊接，应采取有效的措施对焊接过程进行控制，提升焊接质量，保证空冷器管-管板之间连接的稳定性。通过对换热管与管板焊接工艺的不断研究、发展，管端焊接可靠性有着质的飞跃，但仍然面临严峻的考验，因此只有通过不断的探索创新、课题攻关，才能使国产空冷器立足于国际市场。
参考文献
曹志明，虞菊生，陈春燕，等.BFe10-1-1、BFe30-1-1与异种金属焊接工艺及裂纹研究[J].焊管，1999，22（5）：35-37.
[2]郑大宇，于海峰，李想.蒸发式空冷器结构优化方案设计[J].冷藏技术，2015，6（2）：25-28.
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