CN111069775A - 一种换热管与管板的连接系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换热管与管板的连接系统及方法，该方法包括以下步骤：(1)对管板进行清洁；(2)对换热管和管板进行胀接；(3)对焊接设备进行安装调试，设定焊接参数，实施焊接。采用该换热管与管板的连接系统及方法进行换热管与管板的连接时，焊接过程稳定，自动化程度和工作效率高，焊缝成形均匀，换热管根部熔合良好，最小泄露通道技术指标能够满足产品及相关技术文件的要求。

Description

一种换热管与管板的连接系统及方法

技术领域

本发明涉及核电领域，具体涉及一种换热管与管板的连接方法，特别地，涉及一种AP1000蒸汽发生器换热管与管板的连接方法。

背景技术

换热管与管板连接焊缝起到对不同压力、不同温度的介质流体间的隔离作用，在有些情况下该连接焊缝还对管板起到了“支撑作用”，核岛主设备蒸汽发生器、余热排出热交换器等产品均设计有换热管与管板焊接，此类焊缝目前主流焊接方式为钨极气体保护焊(GTAW)。

钨极惰性气体保护焊是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材或填充焊丝(如果使用填充焊丝)的一种焊接方法。由于在高温熔融焊接中不断送上惰性气体，可隔绝空气中氧气、氮气、氢气等对电弧和熔池产生的不良影响，减少合金元素的烧损，以得到致密、质量高且较为纯净的焊接接头。

但是，钨极惰性气体保护焊的熔深浅，熔敷速度小，工作率较低。除此之外，对核电领域的换热管与管板焊接而言，还存在最小泄露通道这一重要指标并不出众的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：采用激光焊在特定的焊接参数下对胀接后的换热管与管板进行焊接，不但焊接过程稳定，自动化程度和工作效率高，而且焊接后的焊缝成形均匀，换热管根部熔合良好，可以在保证焊缝的熔深的情况下，提高最小泄露通道平均值，从而完成了本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供以下方面：

第一方面，本发明提供了一种换热管与管板的连接方法，该连接方法包括以下步骤：

步骤1，对管板进行清洁；

步骤2，对换热管和管板进行胀接；

步骤3，对焊接设备进行安装调试，设定焊接参数，实施焊接。

第二方面，本发明还提供了一种换热管与管板的连接系统，所述系统包括换热管、管板、定位胀接设备和激光焊接机。

本发明提供的换热管与管板的连接系统及方法，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的连接系统和方法，采用自动激光焊接工艺替代钨极气体保护焊，该工艺可对焊接工艺参数及过程进行编程控制，具有自动控制功能，焊接过程稳定，工作效率高；

(2)本发明提供的连接系统和方法，采用特定的工艺参数进行焊接，可以获得良好的焊缝成形及焊缝熔合，焊接质量满足产品要求；

(3)本发明提供的连接系统和方法，可以提高焊缝的焊缝熔深及最小泄露通道，例如可以将由钨极气体保护焊所得到的的焊缝的最小泄露通道的平均值由0.9mm提升到1.2mm。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的激光焊接机的结构图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的换热管与管板的装配图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的胀头的结构图；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的胀接过程示意图。

附图标号说明：

1-换热管；

2-管板；

21-堆焊层；

3-激光焊枪；

4-激光发生器；

5-电源控制装置；

6-冷却器；

7-操作盘；

81-胀杆；

82-前端螺母；

83-后端连接座；

84-裂口圈；

85-橡胶圈；

851-I型橡胶圈；

852-II型橡胶圈；

9-保护气装置；

10-工作台；

11-胀枪。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

以下详述本发明。

蒸汽发生器换热管与管板之间一般采用先胀接后焊接的方法进行连接，在对换热管和管板进行焊接前，先要通过胀接将换热管固定在管板上，在胀接的过程中，会对换热管和管板产生应力，随着时间的延长，应力会逐渐消除，换热管与管板之间有可能会发生脱落，一旦脱落，就需要重新进行胀接，反复胀接操作会引起换热管和管板的形变，造成换热管和管板损伤。因此在完成胀接后，需要尽快完成焊接。

目前蒸汽发生器换热管与管板之间的主流焊接方式为钨极气体保护焊(GTAW)，采用此种方法进行焊接，虽然焊接过程稳定，得到的焊缝的焊接质量高，但是，每焊接完一个换热管，就要更换一次钨极，而管板上换热管的数量，一般都成百上千甚至上万，因此采用钨极气体保护焊进行焊接时，熔敷速度小，工作效率比较低。

除此之外，采用钨极气体保护焊进行焊接时得到的焊缝的熔深浅，最小泄露通道值比较小，焊缝质量仍然有待提高。

基于此，本发明提供了一种换热管与管板的连接方法，优选用于核电领域蒸汽发生器换热管与管板之间的连接；进一步优选地，用于AP1000蒸汽发生器换热管与管板之间的连接。

所述连接方法包括以下步骤：

步骤1，对管板进行清洁；

其中，在本发明中，换热管为成品采购，其本身不需要在进行清洗。但是，在对管板进行管孔加工的过程中使用的切削油对换热管和管板有污染，会给后续的胀接及焊接造成困难。因此，在连接前，需要先对管板进行清洁，以避免焊接过程中的切削油或铁屑等杂质混杂进焊缝中，引起气孔、夹渣或焊瘤等焊缝缺陷。

在一个优选的实施方式中，所述清洁为人工擦拭。

管板上的管孔具有内径小，深度大，数量多的特点，因而清理时的操作难度大。为了确保管板的清洁度，在本发明中，优选采用擦拭棒蘸取清洁液对管孔及管板表面进行擦拭。

其中，擦拭棒的顶端包裹有不掉毛的白布或无纺布，所采用的清洁液优选为丙酮。在进行清洁时为确保清洁质量，严格清洁至以丙酮擦拭而不变色为止。

步骤2，对换热管和管板进行胀接；

在本发明中，对换热管和管板进行胀接时，优选采用定位胀接设备进行胀接固定。

在一个优选的实施方式中，所述定位胀接设备包括胀枪11、定位胀头和塞规。

其中，所述定位胀头包括胀杆81、前端螺母82、后端连接座83、裂口圈84和橡胶圈85，如图3所示。

在本发明中，所述胀杆81的一端通过光孔与后端连接座83连接，其中，在后端连接座83上设置有外螺纹，所述后端连接座83用于与胀枪进行螺纹连接，可通过胀枪带动胀杆81移动；所述胀杆81的另一端通过螺纹孔与前端螺母82连接，其中，前端螺母82可在胀杆81的带动下移动，用于挤压橡胶圈85。

优选地，所述前端螺母82为子弹头形。这是因为子弹头形螺母的前端截面面积逐渐缩小，能够方便将胀头插入换热管中。

在本发明中，所述裂口圈84套装在胀杆81上，与后端连接座83固定连接。其中，设置裂口圈84的目的是为了防止橡胶圈85在高压力下的轴向移动，保证胀接长度要求。

在本发明中，所述橡胶圈85套装在胀杆81上，位于前端螺母82和裂口圈84之间。

优选地，所述橡胶圈85包括I型橡胶圈851和II型橡胶圈852。其中，I型橡胶圈851的硬度比II型橡胶圈852的硬度大，I型橡胶圈851包括多个，I型橡胶圈851设置在II型橡胶圈852的两侧。

这是因为橡胶圈太硬则不易产生形变，影响胀接效果；太软则容易被挤碎，减损胀头的使用寿命。在本发明中，将I型橡胶圈852设置在II型橡胶圈851的两边，使得橡胶圈的硬度中间偏软，两侧稍硬，能够在保证橡胶圈形变的情况下，避免橡胶圈在较大的压力下直接与金属接触时被挤碎或被挤扁。

进一步优选地，II型橡胶圈852包括多个。例如，所述橡胶圈85包括2个I型橡胶圈851和2个II型橡胶圈852，在胀杆81上按照I型橡胶圈851、II型橡胶圈852、II型橡胶圈852和I型橡胶圈851的顺序进行排布。

这是因为，胀接时主要是靠橡胶圈的形变给换热管壁提供胀接力。其中，橡胶圈在受到轴向压缩时膨胀变形、径向扩张，进而产生一个很高的胀接压力，使换热管和管板孔发生变形，从而将换热管和管板紧密贴合在一起，达到固定的目的。在相同长度的情况下，多个橡胶圈的形变能力比单个橡胶圈的形变能力大，因此，在本发明中优选采用4个橡胶圈。

在一个优选的实施方式中，在进行胀接前，先根据换热管的尺寸选择与之相匹配的定位胀头，并将橡胶圈套装在胀杆上，拧紧前端螺母，保证橡胶圈完全处于胀杆的光杆部分。

之后调整换热管，使其与管板表面平齐，把定位胀头插入换热管，使定位胀头上的后端连接座顶紧管板一次侧表面，如图4所示。

之后启动胀枪，让前端螺母在胀杆的拉动下向后运动，从而挤压橡胶圈，使得橡胶圈膨胀变形，橡胶圈经膨胀变形产生的作用力施加在换热管内壁上，迫使换热管和管孔产生变形，从而将换热管和管板紧密贴合在一起。

其中，在胀接过程中，需要一直按住胀枪启动开关，并且观察胀枪操作面板上的指示灯的指示，确认胀接完成后松开开关，拔出胀枪。在拔出胀枪过程中，注意保持胀枪水平，以确保胀杆的芯轴中心线与管孔轴线共线。

最后在胀接完成后，使用塞规检查胀接长度是否满足要求。

在本发明中，换热管与管板的装配形式选用平齐式，也即换热管的管口与管板平齐。其中，换热管与管板之间的装配误差，也即换热管与管板一次侧表面之间的距离Δh优选为±0.18mm，进一步优选为±0.15mm，更优选为±0.13mm，如图2所示。

其中，装配误差的大小不仅会会对焊缝成形产生影响，也会对最小泄露通道产生影响，将装配误差控制在上述范围之内，得到的焊缝的焊接质量较佳。

步骤3，对焊接设备进行安装调试，设定焊接参数，实施焊接。

所述焊接设备为激光焊接机，优选为手动焊接机或自动焊接机，更优选为自动焊接机，如图1所示。其中，所述自动焊接机包括工作台10、激光焊枪3、激光发生器4、电源控制装置5、冷却器6、操作盘7和保护气装置9。

自动焊机可预先对焊接参数进行编程和存储，在焊接过程中对相关参数实现精细控制，减小焊接过程中人为因素对焊缝质量的影响，可以更好地保证焊缝成形及焊接质量，提高焊接效率。

焊接时，所述焊接方式优选为自熔焊或填丝焊，更优选为自熔焊。采用自熔焊得到的焊缝比较平滑，有利于对焊接质量的控制。

激光焊接机的焊接工艺参数和激光焊接效果与被加工材料的材质密切相关。在本发明中，所述管板的材质为低合金钢锻件，优选为铁素体钢锻件，进一步优选为SA-508Gr.3Cl.2锻件。

所述换热管的材质为304奥氏体不锈钢、600合金、800合金或690合金，优选为690合金，进一步优选为SA-163UNS N06690。

其中，690合金是一种含30％Cr的奥氏体型镍基耐蚀合金，具有优异抗多种水性介质和高温气氛侵蚀能力，良好的冶金稳定性和优良的加工特性。特别地，690合金具还具有优良的抗晶间腐蚀和抗晶间应力腐蚀开裂的能力，可以有效避免换热管的开裂破损。

AP1000核电设备蒸汽发生器管板一次侧与核岛主设备一回路带有放射性物质的高温水直接接触，为了保证管板一次侧表面的耐蚀性、抗氧化性以及与换热管具有良好的焊接性，常常在管板的一次侧表面堆焊一层具有一定厚度的堆焊层。

在本发明中，在管板一次侧表面堆焊有一层镍基堆焊层21，优选地，堆焊层的厚度为5.2-8mm，进一步优选为6-7mm，更优选为6.6mm。

在进行激光焊操作之前，先要确定激光焊的工艺参数，所述工艺参数主要包括激光功率、激光速度、光斑直径和保护气体。

在焊接时，激光功率是决定焊缝质量的重要参数。一般来说，激光功率的高低与熔深的深浅正相关，激光功率越高，熔深越深。

优选地，在本发明中，激光焊焊接功率为400-800w，进一步地，激光焊焊接功率为500-700w；较好地，激光焊焊接功率为600w。

焊接速度的快慢会影响到单位时间内的热输入量，焊接速度太快，则热输入量过小，工件难以被焊透，熔深一般较浅；焊接速度过慢，则热输入量过大，会导致工件过度熔化，容易被焊穿。

优选地，本发明中，焊接速度为0.8-1.2m/min，进一步地，焊接速度为0.9-1.1m/min，较好地，焊接速度为1.0m/min。

在激光焊中，光斑直径大小是激光焊的重要参数之一，光斑直径不仅决定了功率密度，而且还决定着焊缝的宽度。在本发明中，经过胀接之后，换热管与管板紧紧贴合在一起，二者之间不存在间隙。以换热管的外壁为基准，在距离换热管外壁左右两侧各0-1mm的区域定义为焊接区域。优选地，所述焊接区域距离换热管外壁左右两侧0-0.5mm，更优选地，所述焊接区域距离换热管外壁左右两侧0-0.35mm。

在进行激光焊时，激光的光斑落在焊接区域内，并且光斑的中心位于换热管外壁上，光斑一半在换热管管壁上，一半在管板上，在激光的照射下，换热管管壁和管板逐渐熔化并熔合在一起。由于焊接区域比较窄，所以光斑直径不宜太大，而且换热管的管壁比较薄，如果光斑直径太大，容易将换热管管壁焊穿；反之，如果光斑直径太小，得到的焊缝太细，管板与换热管之间的连接强度不够，容易引起安全事故。

优选地，本发明中，光斑直径为0.5-1.0mm，进一步优选为0.6-0.8mm，更优选为0.7mm。

在本发明中，选用惰性气体作为保护气对焊接进行保护，以避免管板和换热管在焊接过程中受热氧化。其中，所述惰性气体选自氦气、氩气或氮气中的一种或多种，进一步优选为氩气，更进一步优选为纯度≥99.990％的氩气，例如纯度≥99.997％的氩气。

氩气价格便宜，密度较大，比氮气的保护效果较好，而且使用氩气作为保护气时焊件的表面要比使用氦气作为保护气时更加光滑，因此本发明中采用氩气作为保护气。

其中，保护气体需要通过喷嘴口以一定的压力射出到达待焊工件的表面，研究发现，如果保护气体的流量过小，气流挺度差，那么其排除周围空气的能力相对较弱，轻微的侧向风也能使其偏离和散乱，保护效果不好。反之，如果保护气体放入流量过大，喷出的气流层流很薄，容易形成紊流，使得大气卷入熔池形成气孔，降低焊接质量。

优选地，本发明中，保护气体流量为5～35L/min，进一步优选为10～15L/min，更优选为12-14L/min。

设置完焊接参数后，优选地，将胀接有换热管1的管板2放置在工作台上进行精确定位，保证换热管轴线方向竖直放置，激光焊枪从工件上方对待焊换热管进行定位并焊接，如图1所示。

本发明还提供了一种换热管与管板连接系统，所述系统包括换热管、管板、定位胀接设备和激光焊接机。

其中，所述换热管通过胀接和焊接固定连接在管板上，所述定位胀接设备用于对换热管和管板进行胀接固定，所述激光焊焊接机用于对换热管和管板进行焊接连接。

本发明中，所述定位胀接设包括：胀枪11、与换热管相适应的定位胀头和检测胀接长度的塞规。

本发明中，所述定位胀头包括胀杆81、前端螺母82、后端连接座83、裂口圈84和橡胶圈85。

其中，所述胀杆81的一端通过光孔与后端连接座83连接，其中，在后端连接座83上设置有外螺纹，所述后端连接座83用于与胀枪进行连接，通过胀枪带动胀杆81移动；所述胀杆81的另一端通过螺纹孔与前端螺母82连接，其中，前端螺母82可在胀杆81的带动下移动，用于挤压橡胶圈85。

所述前端螺母82为子弹头形。这是因为子弹头形螺母的前端截面面积逐渐缩小，能够方便将胀头插入换热管中。

所述裂口圈84套装在胀杆81上，与后端连接座83固定连接。

所述橡胶圈85套装在胀杆81上，位于前端螺母82和裂口圈84之间。

优选地，所述橡胶圈85包括I型橡胶圈851和II型橡胶圈852，I型橡胶圈851的硬度比II型橡胶圈852的硬度稍大。其中，I型橡胶圈851包括多个，I型橡胶圈851设置在II型橡胶圈852的两侧。

进一步优选地，II型橡胶圈852包括多个。例如，所述橡胶圈85包括2个I型橡胶圈851和2个II型橡胶圈852，在胀杆81上按照I型橡胶圈851、II型橡胶圈852、II型橡胶圈852和I型橡胶圈851的顺序进行排布。

本发明中，所述激光焊接机为自动激光焊接机。所述自动焊接机包括工作台10、激光焊枪3、激光发生器4、电源控制装置5、冷却器6、操作盘7和保护气装置9。

采用本发明提供的连接系统对换热管和管板进行连接，可以提高换热管与管板的连接质量，所得焊缝不仅熔深大，而且可以将由钨极气体保护焊所得到的的焊缝的最小泄露通道的平均值由0.9mm提升到1.2mm。

实施例

实施例1

对AP1000蒸汽发生器的换热管和管板进行连接，其中，管板材质选用SA-508Gr.3Cl.2锻件，在管板的一次侧堆焊有6.6mm的690镍基堆焊层，换热管的材质为SA-163UNS N06690，其换热管与管板接头形式为平齐式，换热管与管板之间的装配误差Δh为±0.13mm，焊接方式采用激光焊接机进行自熔式焊接。

在进行焊接时：

1)采用顶端包裹有不掉毛的白布的擦拭棒蘸取丙酮对管孔及管板表面进行擦拭，严格清洁至以丙酮擦拭而不变色，确保清洁质量。

2)根据换热管的尺寸选择与之相匹配的定位胀头，调整换热管，使其与管板表面平齐，之后把定位胀头插入换热管，使定位胀头的后端连接座顶紧管板一次侧表面，按住胀枪启动开关，在胀接过程中观察操作面板指示灯的指示，确认胀接完成后松开开关，拔出胀枪。其中，在拔出胀枪过程中，注意保持胀枪水平以确保胀枪芯轴中心线与管孔轴线共线。最后在胀接完成后，使用塞规检查胀接效果。

3)对激光焊接机进行安装调试，保证各线路连接正确、各功能正常，焊接用气体等满足要求。

设置激光焊接机的焊接参数如下：

焊接能量选择600W，焊接速度为1m/min，保护气体为纯度≥99.997％的氩气，气体流量12L/min，光斑直径约为0.7mm。

之后将待焊工件放置在工作台上进行精确定位，保证换热管轴线方向竖直放置，激光焊枪从工件上方对待焊换热管进行定位并焊接焊接。

焊接后对焊缝的检测结果如下：

焊缝熔深为1.5mm；

最小泄露通道为1.2mm。

目视检测：焊缝成形美观，无肉眼可见的焊接缺陷,焊后采用塞规进行尺寸检测，检查焊缝内径≥Φ15.46mm,满足相应产品尺寸要求。

液体渗透：按相应产品要求进行PT检验合格。

金相试验：经金相检验最小泄漏通道满足要求，且无裂纹气孔等缺陷显示。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种换热管与管板的连接方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1，对管板进行清洁；

步骤2，对换热管和管板进行胀接；

步骤3，对焊接设备进行安装调试，设定焊接参数，实施焊接。

2.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于：步骤2中，优选采用定位胀接设备进行胀接固定；

换热管与管板的装配形式选用平齐式，换热管与管板之间的装配误差，优选为±0.18mm。

3.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于：步骤3中，所述焊接设备为激光焊接机，优选为手动焊接机或自动焊接机，更优选为自动焊接机。

4.根据权利要求3所述的连接方法，其特征在于：所述焊接方式优选为自熔焊或填丝焊，更优选为自熔焊。

5.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于：所述管板的材质为低合金钢锻件，优选为铁素体钢锻件，进一步优选为SA-508Gr.3Cl.2锻件；

所述换热管的材质为304奥氏体不锈钢、600合金、800合金或690合金，优选为690合金，进一步优选为SA-163UNS N0669；

优选地，在管板一次侧表面堆焊有一层镍基堆焊层，堆焊层的厚度为5.2-8mm。

6.根据权利要求3所述的连接方法，其特征在于：激光焊焊接功率为400-800w，焊接速度为0.8-1.2m/min；光斑直径为0.5-1.0mm。

7.根据权利要求3所述的连接方法，其特征在于：选用惰性气体作为保护气对焊接进行保护，其中，所述惰性气体选自氦气、氩气或氮气中的一种或多种；

优选地，保护气体流量为5～35L/min，进一步优选为10～15L/min，更优选为12-14L/min。

8.一种换热管与管板连接系统，所述连接系统包括换热管、管板、定位胀接设备和激光焊接机；

其中，所述换热管通过胀接和焊接固定连接在管板上，所述定位胀接设备用于对换热管和管板进行胀接固定，所述激光焊接机用于对换热管和管板进行焊接连接。

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