基于换热管-管板接头的焊接实例介绍了在实际应用ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１《承压设备焊接工艺评定》与ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９《Ｗｅｌｄｉｎｇ，Ｂｒａｚｉｎｇ，ａｎｄＦｕｓｉｎｇＱｕａｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ》中存在的问题。通过对比这２个标准的评定规则分析其合理性，认为ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１没有必要通过正文评定来保证焊接接头的性能，ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９评定规则中有一些规定更能保证焊接接头的性能。
换热管与管板的连接是管壳式热交换器制造过程中的关键工序，其连接质量直接关系到热交换器的安全和稳定运行。强度焊＋贴胀是目前国内热交换器设计和制造过程中广泛采用的一种换热管与管板连接方式。
ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９《Ｗｅｌｄｉｎｇ，Ｂｒａｚｉｎｇ，ａｎｄＦｕｓｉｎｇＱｕａｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ》的权威性与广泛性一直为世界各国所公认，我国锅炉、压力容器及压力管道行业的焊接工艺评定标准大多参照采用该规范，取得了良好的效果，同时也产生了对标准理解上的分歧。
对于换热管与管板的焊接工艺评定目的，目前获得多数认可的是，在保证焊接接头力学性能基础上，获得角焊缝厚度符合指定技术要求的焊接工艺规程。笔者认为，由于换热管与管板接头的结构形式特殊，通常换热管壁厚与管板壁厚的相差较大，依据标准正文给出的评定规则（简称正文评定）来保证接头的性能是不现实的。文中对ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１《承压设备焊接工艺评定》及ＡＳＭＥＢＰＶＣｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９关于换热管与管板接头评定的规定进行比较，探讨这种理解的不合理之处。
１换热管与管板焊接接头评定方式
１．１评定方式国内外标准规定
ＡＳＭＥＢＰＶＣ．ＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中规定换热管与管板焊接接头评定的方式有２种，一是型式试验（模拟件），二是对接或角接试件的焊接试验（此种方式要求焊工及焊机操作工的技能评定也要采用型式试验来评定）。这２种评定方式的评定规则相互独立，其选用依据设计文件及相关规范规定确定。比如，当按ＡＳＭＥＢＰＶＣＶＩＩＩ．２—２０１９《ＲｕｌｅｓｆｏｒＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｏｆＰｒｅｓｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌｓ》进行设计时，必须采用型式试验来评定。ＡＰＩＲＰ５８２—２０１６《ＷｅｌｄｉｎｇＧｕｉｄｅｌｉｎｅｓｆｏｒｔｈｅＣｈｅｍｉｃａｌ，ＯｉｌａｎｄＧａｓＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ》中规定，当焊接接头为强度焊或者承受压力时，要采用型式试验来进行评定；当焊接接头仅为了密封时，可以采用对接试件或者角接试件进行评定。
ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１中规定，对于换热管-管板焊接接头为强度焊、胀焊并用时，先按正文评定规则进行评定，并根据正文评定的焊接工艺评定记录（ＰＱＲ）编制附加评定的焊接工艺规程（ｐＷＰＳ），再按附加评定规则进行评定，也就是ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１附录Ｄ所指的分别评定。也可仅焊接一副评定试件，并按正文评定规则和附加评定（附录Ｄ所说的合并评定）规则进行评定。对于其他情况，仅按正文评定规则进行评定，即仅进行对接评定或角接头评定。此条ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１并没有明确的文字说明，因此有人认为宜继续参照ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１附录Ｄ进行评定。ＧＢ／Ｔ１５１－２０１４《热交换器》中规定，对强度焊接及内孔焊的焊缝，焊接前应该按照ＮＢ／Ｔ４７０１４－２０１１进行焊接工艺评定。ＧＢ／Ｔ１５１－２０１４在ＮＢ／Ｔ４７０１４－２０１１之后颁布实施，但没有要求换热管-管板焊接接头的评定方式跟ＮＢ／Ｔ４７０１４－２０１１保持一致。
１．２标准评定方式实际应用问题
对于换热管-管板焊接接头为强度焊、贴胀焊并用的情况，ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１的规定是想通过正文评定来保证接头的力学性能，再通过附加评定保证接头的焊缝尺寸，但这样规定能保证的接头的力学性能也仅仅是拉伸和弯曲性能，以下举例进行说明。某换热管-管板焊接接头尺寸要求见图１。
焊接时若需要考虑冲击试验，通常会选择２个等厚对接评定。为了方便起见，将这２个等厚对接评定分别编号为ＰＱＲ１和ＰＱＲ２。ＰＱＲ１和ＰＱＲ２要求的焊接厚度均不小于１ｍｍ，ＰＱＲ１要求的评定试件母材厚度为１～４ｍｍ（包括１ｍｍ和４ｍｍ），ＰＱＲ２要求的评定试件母材厚度犜≥２０ｍｍ。ＰＱＲ１和ＰＱＲ２存在如下问题：①ＰＱＲ１要求的厚度虽然覆盖了换热管的壁厚，但是该评定的母材厚度较薄，实际上无法对焊接接头进行冲击试验，也就无法从理论上保证焊接接头的冲击性能。
②在根据ＰＱＲ１和ＰＱＲ２编制指导附加评定的ｐＷＰＳ时，通常会碰到ＰＱＲ２中要求的最低预热温度高出ＰＱＲ１中要求的最大道间温度。若ＰＱＲ１是单道焊的评定，ＰＱＲ２是多道焊的评定，此时就不存在１个能同时满足这２个等厚对接评定的焊接工艺规程（ＷＰＳ）。
１．３基于解决方案的评定标准比较
１．３．１解决方案
对于图１所示的例子，要解决不存在１个ＷＰＳ同时满足２个等厚对接评定的情况，可以选用不等厚的正文评定。假设仅采用１种焊接方法，选用不等厚对接评定，对接形式见图２。其中，评定厚板侧覆盖厚度１６～４０ｍｍ，薄板侧覆盖厚度２～８ｍｍ，焊缝覆盖厚度０～８ｍｍ。
即使选用不等厚对接进行评定，还存在着新的问题。由于薄板厚度的限制，获得的焊接接头的焊缝厚度较薄，也不具备对焊接接头进行冲击试验的条件。《压力容器焊接工艺评定的制作指导》中ＰＱＲＧＢ０１的ｐＷＰＳ依据的正文评定为ＰＱＲ８１０６，该评定的母材厚度为１６ｍｍ，即使不需要冲击试验，其母材厚度的覆盖下限也为５ｍｍ，不能覆盖换热管的壁厚（２ｍｍ），所以更无法保证换热管与管板接头的力学性能。
为了更好保证换热管-管板焊接接头的性能，制造企业目前多采用全自动脉冲氩弧焊焊机进行焊接。这种焊机具有自动调节弧长功能，可通过控制面板进行不同焊接参数的预置，可存储５０个程序，并可按照焊接位置分区设置参数，能够避免焊接上、下坡位置时产生焊接缺陷。但该焊机不适宜焊接对接试件或角接试件，无法根据对接或角接的正文评定编制指导附加评定的ｐＷＰＳ，遇到对接试件或角接试件只能采用合并评定。当采用合并评定时，既无法对接头进行拉伸试验和弯曲试验，也无法对接头进行冲击试验，因此从理论上也无法保证接头的力学性能。
１．３．２标准比较
上述解决方案的提出及讨论表明，通过ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１的正文评定并不能完全保证焊接接头的力学性能，而且这样还可能会推导出与ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１正文里的某些规定（比如母材厚度覆盖规则）相矛盾的结论，因此不宜通过正文评定来保证换热管-管板焊接接头的力学性能。这也是ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中２种评定规则相互独立的原因。所以，对换热管-管板焊接接头，只能通过规定焊材选用、热处理类型的覆盖范围、预热要求等措施来保证接头的力学性能。
ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９有关换热管与管板接头的型式试验评定规则中并没有与线能量有关的评定规则也说明了这一点。
２换热管与管板焊接接头评定规则
２．１评定规则总体比较
ＮＢ／Ｔ４７０１４－２０１１中换热管与管板接头的附加评定规则与ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中型式试验的评定规则相比，少了对焊接方法、焊接位置、预热温度、热处理类型、电流极性和种类、焊材类别等的规定。这些规定是ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９保证接头力学性能的有效手段。ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１是通过正文评定来保证的，这些规定也仅包含在正文评定规则中。
２．２评定变素对比及分析
２．２．１管板厚度
ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１要求附加评定试件采用的管板厚度不小于２０ｍｍ，因此通常评定试件所采用的管板厚度为２０ｍｍ。
ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中ＱＷ１９３．１规定，型式试验试件应尽量复制产品的管子管板连接，所采用管板的厚度应至少与产品管板的厚度相同，但不必超过５０ｍｍ。管板厚度是影响换热管与管板焊接接头的冷却速度和拘束度的主要因素，因此当模拟件管板的厚度不小于产品管板的厚度时，才能更准确地模拟产品焊接接头的受力情况和焊接冶金情况，更准确地验证焊接工艺的正确性。基于这一认识来评价标准，ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９给出的规定是合理的，而ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１给出的规定是否合理还需根据产品管板的实际厚度进一步确定。比如管板厚度为５０ｍｍ时，焊接时需要对焊接接头进行预热评定才能合格，而厚度为２０ｍｍ时不预热评定就可以合格，这样采用２０ｍｍ厚度的管板进行评定就无法发现预热温度的选择是否正确。若产品管板的厚度为５０ｍｍ，而不加区别地采用２０ｍｍ厚度的管板试件进行评定并形成ＷＰＳ进行焊接操作，就可能出现裂纹等后果，而换热管与管板焊接接头一旦出现裂纹，返修起来很困难。
此外，当模拟件管板的厚度达到一定限度时，比如ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９规定的５０ｍｍ，已经足够模拟产品接焊接头的实际情况，这也是通常对接评定４０ｍｍ的试件厚度可以覆盖到２００ｍｍ的产品厚度的原因之一。因此当模拟件管板厚度达到一定厚度时，没有必要再要求模拟件管板的厚度必须不小于产品管板的厚度。笔者认为ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９的规定的模拟管板厚度上限也是合理的。
２．２．２换热管尺寸
ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１附录Ｄ第Ｄ．４．２．１条规定，试件中换热管公称壁厚犫≤２．５ｍｍ时，评定合格的焊接工艺适用的焊件中换热管的公称壁厚不得超过１±０．１５犫，犫值常取１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ和２．５ｍｍ这４个值。而ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中规定，当换热管壁厚不大于２．５ｍｍ时，产品换热管壁厚相对于工艺评定所用换热管厚度的改变超过１０％时要重新评定。当试件换热管的公称外径犱≤５０ｍｍ、公称壁厚犫≤２．５ｍｍ时，ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１附录Ｄ第Ｄ．４．２．２条规定，评定合格的焊接工艺适用的焊件中换热管的公称外径不小于０．８５犱。而ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中规定的换热管外径的覆盖范围为不小于０．９犱。综上，ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９的这些规定比ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１中的更严格。实际上，当试件换热管公称壁厚不大于２．５ｍｍ时换热管公称壁厚的覆盖范围很窄，公称壁厚发生改变基本上就意味着要重新进行评定。焊接工程师在进行评定时，宜采用较小的换热管公称外径。
２．２．３焊道数量
ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１与ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中均包含“由每面单道焊改为每面多道焊，或反之”这么１条规则，此规则隐含了２层意思，即每面单道焊改为每面多道焊后要重新评定，每面多道焊改为每面单道焊后也要重新评定。
相同的接头形式，既要求根部成形良好，又要满足要求的角焊缝厚度，当每面单道焊改为每面多道焊时，需减小第一道焊缝的热输入，这样就无法保证根部的成形情况，必须重新评定。当每面多道焊改为每面单道焊时，焊接的热输入要增加，可能会发生烧穿换热管的情况，而且也无法保证焊接接头的角焊缝厚度和成形情况，因此也必须重新评定。ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９这样规定也有限制热输入的作用，在需要做冲击试验时保证焊接接头的冲击性能，但仅仅这样限制并不全面。如若评定试件焊接采用的是两道焊，产品接头采用的是三道焊，根据这条评定规则，由于评定试件和产品焊接接头的焊接都采用的是多道焊，因此不属于必须重新评定的情况，但是由两道焊改为三道焊也势必要减少每道的热输入，也可能会出现无法保证根部成形的情况。同理，由三道焊改为两道焊时，又需要增加每道的热输入，这也可能会出现烧穿换热管的情况。为了避免出现这样的问题，ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１和ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９又通过另一规则来限制，即电流比评定值改变超过１０％时要重新评定。
２．２．４焊接电流
在焊接参数中，电流对熔深的影响比较显著。随着电流增大，热输入和电弧力均增大，热源位置下移，固熔深增大。熔深与焊接电流近似成正比关系。以埋弧焊（ＳＡＷ）为例，一般电流每增加１００Ａ，熔深相应增加１ｍｍ。当焊接电流较大时，焊道较宽，且容易导致换热管熔穿。当焊接电流较小时，容易造成焊缝根部未熔合［１４］。ＮＢ／Ｔ４７０１４－２０１１和ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中均规定许用的电流变化幅度仅为１０％，由此可知，评定合格后编制的ＷＰＳ基本上就专门用于与试件相同的焊接接头的焊接。
值得注意的是，当焊接速度较慢时，单位时间焊缝金属的填充量可能会比较大，也容易造成接头根部未焊透，此外也可能会出现热输入较大的情况，不仅可能会造成换热管出现难以接受的变形而影响到焊缝金属的继续填充，而且成形也可能很差。但２个标准都没有对焊接速度进行限制。此外当需要进行冲击试验时，这样限制电流也可以认为是ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９保证接头冲击性能的一种方式。
２．２．５接头形式
ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１中换热管-管板焊接接头附加评定规则中未对接头形式进行规定，ＡＳＭＥＢＰＶＣ．ＩＸ—２０１９中型式试验评定规则对其进行了详细规定。ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９在ＱＷ２８８．１规定，焊接接头形式发生改变（超过制造公差），例如增添或去除预置填充金属、增加坡口深度、减少坡口角度以及改变坡口形式，则焊接接头就要重新进行评定。值得一提的是，这些变素在美国钢结构标准ＡＷＳＤ１．１２０２０《ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＷｅｌｄｉｎｇＣｏｄｅ－Ｓｔｅｅｌ》中也是主要变素。
焊接接头形式的改变主要会影响到根部接头的成形情况，焊接接头坡口角度减少时，相同大小电流的熔深会极大减小，焊枪的角度就要适时调整。手工焊焊接时，可以利用焊工的主观能动性进行适当的调节来保证根部的成形。但换成自动焊时，不仅要调节焊枪的角度，有时还可能要适当调节焊接参数。若焊接接头的坡口角度发生改变而焊接操作使用的焊接规范保持不变，则焊缝根部可能出现无法熔透的情况。坡口深度的增加也存在类似的情况，以图１所示的接头形式为例，某公司曾做过试验，采用全自动脉冲氩弧焊焊机进行焊接完全可以保证接头的性能，当接头的坡口深度增加为５ｍｍ时，若不改进全自动脉冲氩弧焊焊机的机头，根本无法保证接头的性能，当换热管外径也较大时甚至无法用自动脉冲氩弧焊焊机进行焊接，此种情况下可行的焊接工艺方案为采用手工氩弧焊打底，再用焊条电弧焊进行填充和盖面。
笔者认为，ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１宜引入对接头形式的规定以切实保证换热管-管板焊接接头的性能。否则，制造单位通常会用图１所示的接头形式的评定进行覆盖，这样根本无法发现坡口形式的改变对换热管与管板接头焊接质量的影响。
２．２．６改变焊缝的ＡＮｏ．号
ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９不仅对母材和焊材进行了分类，而且对钢质焊缝熔敷金属化学成分进行了分类，即为ＡＮｏ．号［１６］。以ＳＡ５１６Ｇｒ．７０的评定为例，当要求冲击温度为０℃时可以使用常规的ＡＷＳＡ５．１Ｅ７０１５焊条，当要求冲击温度为－４６℃时就要使用低温钢焊材，比如ＡＷＳＡ５．５Ｅ８０１６Ｇ焊条。这２种焊条的ＦＮｏ．号相同，但其焊缝的ＡＮｏ．号不同，因此也必须重新评定。ＮＢ／Ｔ４７０１４２０１１中没有对熔敷金属化学成分进行分类，对于母材类组别相同、焊材分类也相同的２个焊接进行的评定，例如，Ｑ３４５Ｒ用Ｅ５０１５进行焊接的评定与１６ＭｎＤＲ用Ｅ５５１６Ｇ进行焊接的评定，有些人员认为不需要再重新进行评定，这显然不合理。
３检验结果与结果评定
ＮＢ／Ｔ４７０１４－２０１１附加评定与ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９中换热管与管板焊接接头型式试验的检测项目及评定要求见表１。
从表１的评定要求可以看出，ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９要求检验更多数量的接头，更关注于泄漏通道，而不是角焊缝厚度，外观要求除了要求没有裂纹外，还要没有气孔，无未熔合且管壁没有明显烧穿。
４结语
对照ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９，讨论了ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１对换热管与管板焊接接头评定方式规定的不合理之处和ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９的合理之处。
对于ＮＢ／Ｔ４７０１４—２０１１，认为没有必要通过正文评定来保证接头的性能，因为多数情况下根本无法保证，而且也可能与正文评定规则中的内容相矛盾。
对于ＡＳＭＥＢＰＶＣＳｅｃｔｉｏｎＩＸ—２０１９，换热管与管板接头采用型式试验的评定规则中有一些规定更能保证接头的性能，比如对评定试件采用的管板厚度、接头坡口形式以及对ＡＮｏ．号的规定。
