摘要：甲烷化反应器废锅产品对管子管板的焊接要求高，必须采用特殊的管子管板焊接设备。针对 甲烷化废锅管子管板特殊结构，采用管子管板内孔 TIG 对接焊机，上锅公司开展了一系列工艺试验 研究。通过试验，最终确定了最佳的坡口形式及焊接工艺规范，并在实际产品制造中应用，所焊产 品焊缝表面成型美观、根部焊透性好、接头质量安全可靠。

1 前言

甲烷化反应器废锅是煤制天然气系统中关键设备之一，其主要作用是在 CO2+H2 的混合气体转 化成 CH4 的过程中，起到高温气体的反复冷却和余热回收作用。典型甲烷化反应器废锅结构示意图 见图 1。

甲烷化反应器废锅不仅入口热流密度高，而且还原气氛具有一定的腐蚀性，所以结构设计要求管板全深度焊透，即在管子管板之间不允许存在间隙（避免间隙腐蚀）。由于管板厚度较厚，管孔间 距小（图 2），无法在管子周围开坡口进行全焊透焊接，最终选择图 3 所示坡口形式既能保证全焊透， 又能确保管子与管板之前无间隙。

2.焊接设备简介

2.1焊接设备选择

根据GB/T151-2014，我们选用的管子管板焊接方式属于内孔焊，焊工是无法通过肉眼对焊接过程进行观测的。为了保证焊接质量和效率，我们考虑焊接设备必须具备 AVC（电弧电压控制系统）功能，焊枪能根据焊接坡口的实际情况自动调整钨极高度，使得整个焊接过程电 压能够保持稳定，避免由于待焊表面不平整而产生的各种焊接中断情况的发生。

法国 POLYSOUDE 公司的管子管板焊接设备的 AVC 功能在行业内处于领先水平，能满足管子 管板内孔对接焊的制造，并且设备具有操作简便，焊接效率高，运行过程稳定的特点。

2.2 焊接设备简介

设备由全位置内孔焊接机头（图 4）、300A遥控器、送丝机构、定位系统、焊炬保护气体 系统、机头水冷系统、旋转系统、AVC 弧压控 制系统、OSC 机头摆动控制系统、电气控制系 统组成。

焊接中，焊接机头通过定位系统固定在管板上，焊炬伸进管子内，旋转焊接（图 6 所示）。

遥控盒中可预置 100 个焊口的焊接规范， 在焊接过程中可对焊接参数(焊接电流、焊接 电压、转速、摆动速度、摆幅、送丝速度等)进行调整，并且在焊接过程中可以显示出电 流、电压、旋转角度、焊接时间；焊后可打印 出所有编程参数。

在焊接过程中，若因各种故障导致的焊接 中断，可从中断处(任意一层、任意位置)继续 图 5 焊接电源进行焊接。

3 产品模拟焊接试验

3.1 焊接坡口选择

考虑到焊接的可操作性与质量的稳定性，我们按图 3 坡口形状先对不同尺寸的坡口进行了焊接试验，从焊接接头的外观成形质量、射线探伤合格率及提高焊接效率等多种因素考虑并调整，最终 选择了如图 7 所示的坡口尺寸。

3 产品模拟焊接试验

3.1 焊接坡口选择

考虑到焊接的可操作性与质量的稳定性，我们按图 3 坡口形状先对不同尺寸的坡口进行了焊接试验，从焊接接头的外观成形质量、射线探伤合格率及提高焊接效率等多种因素考虑并调整，最终 选择了如图 7 所示的坡口尺寸。

3.2 模拟焊接

在产品正式制造前，我们对试验件进行了模拟焊接。在模拟焊接过程中，必须先确定焊接规范，然后以此规范连续焊接 10 个管子模拟件，最后对这 10 个模拟件的焊缝进行 100% PT 与 100%RT。

合格后，方可将此焊接规范用于实际产品制造。

3.2.1 试验件材料及规格

3.2.2 模拟件坡口加工

管子和管板模拟件按图 7 中的尺寸进行加工。其中管板原厚度为 50 mm，加工后尺寸为凸台高15mm，板厚 30mm，孔间距为 70±0.1mm（见图 8）。管板与管子坡口加工要求及精度严格按 GB/T 151中的规定执行。
 

3.2.3 焊前准备工作

1）焊前对管板、管子表面氧化皮、油污进行打磨和清洗，然后进行管子与管板坡口的对接装配；

2）钨棒规格为 Φ2.4，钨极尖角度为 22.5°，长度为 25mm；钨极与导电嘴之间的夹角约为 40°； 3）对管板模拟件进行预热，预热温度 130——150℃；

4）将机头旋转到固定的起弧位置，空放焊丝，直到焊丝平稳顺畅送出，调整焊丝与钨极距离（2.2——2.3mm）；

5）装卡定位器及机头部件，安装机头时务必小心钨极尖不要刮到管内壁，以防止碰伤；

6）安装管板背部气体保护装置；

7）开始焊接。

3.2.4 焊接

焊接分两层，第一层打底，第二层盖面，两层均采用填丝焊接。对打底层来说，首先要保证背面焊透，其次正面成型需平滑，为盖面层的焊接提供良好施焊环境。对盖面层而言，一要避免出现与打底层之间的未熔合，二要保证管子内壁焊缝表面的成型。

焊接采用脉冲 TIG 焊，应用焊机的分区功能，对不同的位置设定了不同的焊接参数。经过多次调试得到的最终用于产品的焊接规范如表 2 所示。按此规范焊接了 10 个模拟试样，从焊接结果来看，焊缝内外表面成型美观（图 9、图 10），经 RT 检测合格。

注：

（1）：打底层起弧位置为管板正面 5 点钟位置，盖面层起弧位置为管板正面 12 点位置；

（2）旋转方向为逆时针。

另外，为了确定管子焊接时是否有必要在管子外壁采用 Ar 气进行背保护，我们分别对管子进行了有背保护和没有背保护两种状态的焊接试验。结果有背保护的焊缝（图 11），表面成形均匀、饱满、光滑；没有背保护的焊缝（图 12），表面氧化皮较多，表面成形不均匀，局部有较明显的凹陷。

3.3 拉脱力试验

对焊接接头进行 100%RT 检测，合格后进行热处理（690±15℃×2.5 h），热处理规范见图 13。随后对其中两个接头进行拉脱力试验，结果如表 3 所示。

4 实际应用

4.1 产品简介

典型甲烷化反应器废锅的主要组成部分为：管箱封头、管箱筒体、壳程筒体、管箱锥体、管板、支撑板、接管法兰、换热管管束及鞍座等。

本次实际应用的废锅管箱筒体内径 Φ2600，壁厚 46mm，材料为 SA387Gr11CL2。壳程筒体内径Φ2360，壁厚 56mm，材料为 SA387Gr11CL2。管束组件中，管板采用 SA336 F11CL3 锻件，外径为Φ2700，厚度为 30mm（管子-管板对接管板侧坡口见图 14）。换热管规格为 Φ48×3.5，材料为SA-213T11 无缝钢管（管子-管板对接管子侧坡口见图 15）。

其中管束组件为设备最核心部分，管板与换热管之间的焊接质量直接影响反应器设备的使用寿命，而首要环节就是保证管板管孔的尺寸。

管板采用锻件锻造并机加工而成，管板管控采用数控立车加工，所有加工内容一次装夹完成，以避免多次装夹校调引起误差。加工时严格控制起钻方向、管孔尺寸以及孔桥宽度等数据。同时加强加工过程中尺寸的检查、管板表面温度控制及刀具检测，特别是加工基准的选择、装夹位置和数量的选择、刀具的选用、乃至冷却液的选择等都将影响管板的最终尺寸精度。

4.2 产品应用

采用试验得出的焊接参数直接用于产品的制造。坡口同图 7，最终产品焊缝成形与试验时的一致，并且经过 100% PT 及 100%RT 检测合格。

5 结束语

（1） 图 3 所示焊接坡口形式完全满足甲烷化反应器废锅性能与结构设计要求；

（2） 法国 POLYSOUDE 公司生产制造的管子管板焊接设备完全适用于图 3 所示坡口形式的 焊接，并且设备操作简便，焊接效率高，运行过程稳定。

（3） 通过产品模拟焊接试验得出的焊接规范参数完全适合于图 7 所示坡口尺寸的焊接，所焊 模拟试件内外表面成型美观、根部完全焊透；