基于換熱管-管板接頭的焊接實例介紹了在實際應用ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１《承壓設備焊接工藝評定》與ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９《Ｗｅｌｄｉｎｇ，Ｂｒａｚｉｎｇ，ａｎｄＦｕｓｉｎｇＱｕａｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ》中存在的問題。通過對比這２個標準的評定規則分析其合理性，認為ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１沒有必要通過正文評定來保證焊接接頭的性能，ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９評定規則中有一些規定更能保證焊接接頭的性能。
換熱管與管板的連接是管殼式熱交換器制造過程中的關鍵工序，其連接質量直接關系到熱交換器的安全和穩定運行。強度焊＋貼脹是目前國內熱交換器設計和制造過程中廣泛采用的一種換熱管與管板連接方式。
ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９《Ｗｅｌｄｉｎｇ，Ｂｒａｚｉｎｇ，ａｎｄＦｕｓｉｎｇＱｕａｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ》的權威性與廣泛性一直為世界各國所公認，我國鍋爐、壓力容器及壓力管道行業的焊接工藝評定標準大多參照采用該規范，取得了良好的效果，同時也產生了對標準理解上的分歧。
對于換熱管與管板的焊接工藝評定目的，目前獲得多數認可的是，在保證焊接接頭力學性能基礎上，獲得角焊縫厚度符合指定技術要求的焊接工藝規程。筆者認為，由于換熱管與管板接頭的結構形式特殊，通常換熱管壁厚與管板壁厚的相差較大，依據標準正文給出的評定規則（簡稱正文評定）來保證接頭的性能是不現實的。文中對ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１《承壓設備焊接工藝評定》及ＡＳＭＥＢＰＶＣｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９關于換熱管與管板接頭評定的規定進行比較，探討這種理解的不合理之處。
１換熱管與管板焊接接頭評定方式
１．１評定方式國內外標準規定
ＡＳＭＥＢＰＶＣ．ＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中規定換熱管與管板焊接接頭評定的方式有２種，一是型式試驗（模擬件），二是對接或角接試件的焊接試驗（此種方式要求焊工及焊機操作工的技能評定也要采用型式試驗來評定）。這２種評定方式的評定規則相互獨立，其選用依據設計文件及相關規范規定確定。比如，當按ＡＳＭＥＢＰＶＣＶＩＩＩ．２—２０１９《ＲｕｌｅｓｆｏｒＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｏｆＰｒｅｓｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌｓ》進行設計時，必須采用型式試驗來評定。ＡＰＩＲＰ５８２—２０１６《ＷｅｌｄｉｎｇＧｕｉｄｅｌｉｎｅｓｆｏｒｔｈｅＣｈｅｍｉｃａｌ，ＯｉｌａｎｄＧａｓＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ》中規定，當焊接接頭為強度焊或者承受壓力時，要采用型式試驗來進行評定；當焊接接頭僅為了密封時，可以采用對接試件或者角接試件進行評定。
ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１中規定，對于換熱管-管板焊接接頭為強度焊、脹焊并用時，先按正文評定規則進行評定，并根據正文評定的焊接工藝評定記錄（ＰＱＲ）編制附加評定的焊接工藝規程（ｐＷＰＳ），再按附加評定規則進行評定，也就是ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１附錄Ｄ所指的分別評定。也可僅焊接一副評定試件，并按正文評定規則和附加評定（附錄Ｄ所說的合并評定）規則進行評定。對于其他情況，僅按正文評定規則進行評定，即僅進行對接評定或角接頭評定。此條ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１并沒有明確的文字說明，因此有人認為宜繼續參照ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１附錄Ｄ進行評定。ＧＢ／Ｔ１５１－２０１４《熱交換器》中規定，對強度焊接及內孔焊的焊縫，焊接前應該按照ＮＢ／Ｔ４７０１４－２０１１進行焊接工藝評定。ＧＢ／Ｔ１５１－２０１４在ＮＢ／Ｔ４７０１４－２０１１之后頒布實施，但沒有要求換熱管-管板焊接接頭的評定方式跟ＮＢ／Ｔ４７０１４－２０１１保持一致。
１．２標準評定方式實際應用問題
對于換熱管-管板焊接接頭為強度焊、貼脹焊并用的情況，ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１的規定是想通過正文評定來保證接頭的力學性能，再通過附加評定保證接頭的焊縫尺寸，但這樣規定能保證的接頭的力學性能也僅僅是拉伸和彎曲性能，以下舉例進行說明。某換熱管-管板焊接接頭尺寸要求見圖１。
焊接時若需要考慮沖擊試驗，通常會選擇２個等厚對接評定。為了方便起見，將這２個等厚對接評定分別編號為ＰＱＲ１和ＰＱＲ２。ＰＱＲ１和ＰＱＲ２要求的焊接厚度均不小于１ｍｍ，ＰＱＲ１要求的評定試件母材厚度為１～４ｍｍ（包括１ｍｍ和４ｍｍ），ＰＱＲ２要求的評定試件母材厚度犜≥２０ｍｍ。ＰＱＲ１和ＰＱＲ２存在如下問題：①ＰＱＲ１要求的厚度雖然覆蓋了換熱管的壁厚，但是該評定的母材厚度較薄，實際上無法對焊接接頭進行沖擊試驗，也就無法從理論上保證焊接接頭的沖擊性能。
②在根據ＰＱＲ１和ＰＱＲ２編制指導附加評定的ｐＷＰＳ時，通常會碰到ＰＱＲ２中要求的最低預熱溫度高出ＰＱＲ１中要求的最大道間溫度。若ＰＱＲ１是單道焊的評定，ＰＱＲ２是多道焊的評定，此時就不存在１個能同時滿足這２個等厚對接評定的焊接工藝規程（ＷＰＳ）。
１．３基于解決方案的評定標準比較
１．３．１解決方案
對于圖１所示的例子，要解決不存在１個ＷＰＳ同時滿足２個等厚對接評定的情況，可以選用不等厚的正文評定。假設僅采用１種焊接方法，選用不等厚對接評定，對接形式見圖２。其中，評定厚板側覆蓋厚度１６～４０ｍｍ，薄板側覆蓋厚度２～８ｍｍ，焊縫覆蓋厚度０～８ｍｍ。
即使選用不等厚對接進行評定，還存在著新的問題。由于薄板厚度的限制，獲得的焊接接頭的焊縫厚度較薄，也不具備對焊接接頭進行沖擊試驗的條件?！秹毫θ萜骱附庸に囋u定的制作指導》中ＰＱＲＧＢ０１的ｐＷＰＳ依據的正文評定為ＰＱＲ８１０６，該評定的母材厚度為１６ｍｍ，即使不需要沖擊試驗，其母材厚度的覆蓋下限也為５ｍｍ，不能覆蓋換熱管的壁厚（２ｍｍ），所以更無法保證換熱管與管板接頭的力學性能。
為了更好保證換熱管-管板焊接接頭的性能，制造企業目前多采用全自動脈沖氬弧焊焊機進行焊接。這種焊機具有自動調節弧長功能，可通過控制面板進行不同焊接參數的預置，可存儲５０個程序，并可按照焊接位置分區設置參數，能夠避免焊接上、下坡位置時產生焊接缺陷。但該焊機不適宜焊接對接試件或角接試件，無法根據對接或角接的正文評定編制指導附加評定的ｐＷＰＳ，遇到對接試件或角接試件只能采用合并評定。當采用合并評定時，既無法對接頭進行拉伸試驗和彎曲試驗，也無法對接頭進行沖擊試驗，因此從理論上也無法保證接頭的力學性能。
１．３．２標準比較
上述解決方案的提出及討論表明，通過ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１的正文評定并不能完全保證焊接接頭的力學性能，而且這樣還可能會推導出與ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１正文里的某些規定（比如母材厚度覆蓋規則）相矛盾的結論，因此不宜通過正文評定來保證換熱管-管板焊接接頭的力學性能。這也是ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中２種評定規則相互獨立的原因。所以，對換熱管-管板焊接接頭，只能通過規定焊材選用、熱處理類型的覆蓋范圍、預熱要求等措施來保證接頭的力學性能。
ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９有關換熱管與管板接頭的型式試驗評定規則中并沒有與線能量有關的評定規則也說明了這一點。
２換熱管與管板焊接接頭評定規則
２．１評定規則總體比較
ＮＢ／Ｔ４７０１４－２０１１中換熱管與管板接頭的附加評定規則與ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中型式試驗的評定規則相比，少了對焊接方法、焊接位置、預熱溫度、熱處理類型、電流極性和種類、焊材類別等的規定。這些規定是ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９保證接頭力學性能的有效手段。ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１是通過正文評定來保證的，這些規定也僅包含在正文評定規則中。
２．２評定變素對比及分析
２．２．１管板厚度
ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１要求附加評定試件采用的管板厚度不小于２０ｍｍ，因此通常評定試件所采用的管板厚度為２０ｍｍ。
ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中ＱＷ１９３．１規定，型式試驗試件應盡量復制產品的管子管板連接，所采用管板的厚度應至少與產品管板的厚度相同，但不必超過５０ｍｍ。管板厚度是影響換熱管與管板焊接接頭的冷卻速度和拘束度的主要因素，因此當模擬件管板的厚度不小于產品管板的厚度時，才能更準確地模擬產品焊接接頭的受力情況和焊接冶金情況，更準確地驗證焊接工藝的正確性?；谶@一認識來評價標準，ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９給出的規定是合理的，而ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１給出的規定是否合理還需根據產品管板的實際厚度進一步確定。比如管板厚度為５０ｍｍ時，焊接時需要對焊接接頭進行預熱評定才能合格，而厚度為２０ｍｍ時不預熱評定就可以合格，這樣采用２０ｍｍ厚度的管板進行評定就無法發現預熱溫度的選擇是否正確。若產品管板的厚度為５０ｍｍ，而不加區別地采用２０ｍｍ厚度的管板試件進行評定并形成ＷＰＳ進行焊接操作，就可能出現裂紋等后果，而換熱管與管板焊接接頭一旦出現裂紋，返修起來很困難。
此外，當模擬件管板的厚度達到一定限度時，比如ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９規定的５０ｍｍ，已經足夠模擬產品接焊接頭的實際情況，這也是通常對接評定４０ｍｍ的試件厚度可以覆蓋到２００ｍｍ的產品厚度的原因之一。因此當模擬件管板厚度達到一定厚度時，沒有必要再要求模擬件管板的厚度必須不小于產品管板的厚度。筆者認為ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９的規定的模擬管板厚度上限也是合理的。
２．２．２換熱管尺寸
ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１附錄Ｄ第Ｄ．４．２．１條規定，試件中換熱管公稱壁厚犫≤２．５ｍｍ時，評定合格的焊接工藝適用的焊件中換熱管的公稱壁厚不得超過１±０．１５犫，犫值常?。保埃恚?、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ和２．５ｍｍ這４個值。而ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中規定，當換熱管壁厚不大于２．５ｍｍ時，產品換熱管壁厚相對于工藝評定所用換熱管厚度的改變超過１０％時要重新評定。當試件換熱管的公稱外徑犱≤５０ｍｍ、公稱壁厚犫≤２．５ｍｍ時，ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１附錄Ｄ第Ｄ．４．２．２條規定，評定合格的焊接工藝適用的焊件中換熱管的公稱外徑不小于０．８５犱。而ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中規定的換熱管外徑的覆蓋范圍為不小于０．９犱。綜上，ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９的這些規定比ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１中的更嚴格。實際上，當試件換熱管公稱壁厚不大于２．５ｍｍ時換熱管公稱壁厚的覆蓋范圍很窄，公稱壁厚發生改變基本上就意味著要重新進行評定。焊接工程師在進行評定時，宜采用較小的換熱管公稱外徑。
２．２．３焊道數量
ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１與ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中均包含“由每面單道焊改為每面多道焊，或反之”這么１條規則，此規則隱含了２層意思，即每面單道焊改為每面多道焊后要重新評定，每面多道焊改為每面單道焊后也要重新評定。
相同的接頭形式，既要求根部成形良好，又要滿足要求的角焊縫厚度，當每面單道焊改為每面多道焊時，需減小第一道焊縫的熱輸入，這樣就無法保證根部的成形情況，必須重新評定。當每面多道焊改為每面單道焊時，焊接的熱輸入要增加，可能會發生燒穿換熱管的情況，而且也無法保證焊接接頭的角焊縫厚度和成形情況，因此也必須重新評定。ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９這樣規定也有限制熱輸入的作用，在需要做沖擊試驗時保證焊接接頭的沖擊性能，但僅僅這樣限制并不全面。如若評定試件焊接采用的是兩道焊，產品接頭采用的是三道焊，根據這條評定規則，由于評定試件和產品焊接接頭的焊接都采用的是多道焊，因此不屬于必須重新評定的情況，但是由兩道焊改為三道焊也勢必要減少每道的熱輸入，也可能會出現無法保證根部成形的情況。同理，由三道焊改為兩道焊時，又需要增加每道的熱輸入，這也可能會出現燒穿換熱管的情況。為了避免出現這樣的問題，ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１和ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９又通過另一規則來限制，即電流比評定值改變超過１０％時要重新評定。
２．２．４焊接電流
在焊接參數中，電流對熔深的影響比較顯著。隨著電流增大，熱輸入和電弧力均增大，熱源位置下移，固熔深增大。熔深與焊接電流近似成正比關系。以埋弧焊（ＳＡＷ）為例，一般電流每增加１００Ａ，熔深相應增加１ｍｍ。當焊接電流較大時，焊道較寬，且容易導致換熱管熔穿。當焊接電流較小時，容易造成焊縫根部未熔合［１４］。ＮＢ／Ｔ４７０１４－２０１１和ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中均規定許用的電流變化幅度僅為１０％，由此可知，評定合格后編制的ＷＰＳ基本上就專門用于與試件相同的焊接接頭的焊接。
值得注意的是，當焊接速度較慢時，單位時間焊縫金屬的填充量可能會比較大，也容易造成接頭根部未焊透，此外也可能會出現熱輸入較大的情況，不僅可能會造成換熱管出現難以接受的變形而影響到焊縫金屬的繼續填充，而且成形也可能很差。但２個標準都沒有對焊接速度進行限制。此外當需要進行沖擊試驗時，這樣限制電流也可以認為是ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９保證接頭沖擊性能的一種方式。
２．２．５接頭形式
ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１中換熱管-管板焊接接頭附加評定規則中未對接頭形式進行規定，ＡＳＭＥＢＰＶＣ．ＩＸ—２０１９中型式試驗評定規則對其進行了詳細規定。ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９在ＱＷ２８８．１規定，焊接接頭形式發生改變（超過制造公差），例如增添或去除預置填充金屬、增加坡口深度、減少坡口角度以及改變坡口形式，則焊接接頭就要重新進行評定。值得一提的是，這些變素在美國鋼結構標準ＡＷＳＤ１．１２０２０《ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＷｅｌｄｉｎｇＣｏｄｅ－Ｓｔｅｅｌ》中也是主要變素。
焊接接頭形式的改變主要會影響到根部接頭的成形情況，焊接接頭坡口角度減少時，相同大小電流的熔深會極大減小，焊槍的角度就要適時調整。手工焊焊接時，可以利用焊工的主觀能動性進行適當的調節來保證根部的成形。但換成自動焊時，不僅要調節焊槍的角度，有時還可能要適當調節焊接參數。若焊接接頭的坡口角度發生改變而焊接操作使用的焊接規范保持不變，則焊縫根部可能出現無法熔透的情況。坡口深度的增加也存在類似的情況，以圖１所示的接頭形式為例，某公司曾做過試驗，采用全自動脈沖氬弧焊焊機進行焊接完全可以保證接頭的性能，當接頭的坡口深度增加為５ｍｍ時，若不改進全自動脈沖氬弧焊焊機的機頭，根本無法保證接頭的性能，當換熱管外徑也較大時甚至無法用自動脈沖氬弧焊焊機進行焊接，此種情況下可行的焊接工藝方案為采用手工氬弧焊打底，再用焊條電弧焊進行填充和蓋面。
筆者認為，ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１宜引入對接頭形式的規定以切實保證換熱管-管板焊接接頭的性能。否則，制造單位通常會用圖１所示的接頭形式的評定進行覆蓋，這樣根本無法發現坡口形式的改變對換熱管與管板接頭焊接質量的影響。
２．２．６改變焊縫的ＡＮｏ．號
ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９不僅對母材和焊材進行了分類，而且對鋼質焊縫熔敷金屬化學成分進行了分類，即為ＡＮｏ．號［１６］。以ＳＡ５１６Ｇｒ．７０的評定為例，當要求沖擊溫度為０℃時可以使用常規的ＡＷＳＡ５．１Ｅ７０１５焊條，當要求沖擊溫度為－４６℃時就要使用低溫鋼焊材，比如ＡＷＳＡ５．５Ｅ８０１６Ｇ焊條。這２種焊條的ＦＮｏ．號相同，但其焊縫的ＡＮｏ．號不同，因此也必須重新評定。ＮＢ／Ｔ４７０１４２０１１中沒有對熔敷金屬化學成分進行分類，對于母材類組別相同、焊材分類也相同的２個焊接進行的評定，例如，Ｑ３４５Ｒ用Ｅ５０１５進行焊接的評定與１６ＭｎＤＲ用Ｅ５５１６Ｇ進行焊接的評定，有些人員認為不需要再重新進行評定，這顯然不合理。
３檢驗結果與結果評定
ＮＢ／Ｔ４７０１４－２０１１附加評定與ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中換熱管與管板焊接接頭型式試驗的檢測項目及評定要求見表１。
從表１的評定要求可以看出，ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９要求檢驗更多數量的接頭，更關注于泄漏通道，而不是角焊縫厚度，外觀要求除了要求沒有裂紋外，還要沒有氣孔，無未熔合且管壁沒有明顯燒穿。
４結語
對照ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９，討論了ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１對換熱管與管板焊接接頭評定方式規定的不合理之處和ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９的合理之處。
對于ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１，認為沒有必要通過正文評定來保證接頭的性能，因為多數情況下根本無法保證，而且也可能與正文評定規則中的內容相矛盾。
對于ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９，換熱管與管板接頭采用型式試驗的評定規則中有一些規定更能保證接頭的性能，比如對評定試件采用的管板厚度、接頭坡口形式以及對ＡＮｏ．號的規定。
