Analysis on Standards for Welding Procedure Qualification of Heat Transfer Tube and Tube Sheet at Domestic and Overseas

国内外换热管与管板焊接工艺评定标准浅析 Analysis on Standards for Welding Procedure Qualification of Heat Transfer Tube and Tube Sheet at Domestic and Overseas 1 first-author 唐　丽（1993—），女，硕士，国际焊接工程师，主要从事焊接工艺研发和工艺标准化工作。E-mail：18875015664@163.com。 唐　丽（1993—），女，硕士，国际焊接工程师，主要从事焊接工艺研发和工艺标准化工作。E-mail：18875015664@163.com。 18875015664@163.com 2 1 3 重庆川仪十七厂有限公司,重庆 400707 重庆川仪十七厂有限公司,重庆 400707 Chongqing ChuanYi Instrument No.17 Factory Co., Ltd., Chongqing 400707, China Chongqing ChuanYi Instrument No.17 Factory Co., Ltd., Chongqing 400707, China 山特维克国际贸易(上海)有限公司,上海 201108 山特维克国际贸易(上海)有限公司,上海 201108 Sandvik International Trading (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 201108, China Sandvik International Trading (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 201108, China 重庆科技学院 冶金与材料工程学院,重庆 401331 重庆科技学院 冶金与材料工程学院,重庆 401331 School of Metallurgy and Materials Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China School of Metallurgy and Materials Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China 针对国内外换热管与管板焊接工艺评定常用的4个标准（NB/T 47014-2011、ISO 15614-8：2016、ASME BPVC-IX：2019和RCC-M S3000：2007），对其适用范围、试件形式、评定变素和验收准则等方面的异同进行了系统分析。结果表明，ISO 15614-8：2016标准几乎覆盖了各个领域的焊接工艺评定，且是唯一将管子排布方式进行区分评定的标准，其他3个焊接工艺评定标准只强调了焊接接头数量。ISO 15614-8：2016标准和RCC-M S3000：2007标准将管子-管板的间隙结构和胀接过程作为重要变素，而NB/T 47014-2011标准和ASME BPVC-IX：2019标准均未对管子-管板的配合间隙提出要求。4个焊接工艺评定标准均对外观检测、渗透检测及宏观金相作了近似要求，ISO 15614-8：2016标准对检验要求控制更为严格。通过分析几个标准的差异性及适用情况，为今后换热管与管板的焊接工艺评定提供了一定的理论指导和技术参考。 In view of the four commonly used standards (NB/T 47014-2011, ISO 15614-8:2016, ASME BPVC-IX:2019 and RCC-M S3000:2007) for welding procedure qualification of heat transfer tube and tube sheet at home and abroad, the similarities and differences of their applicable scopes, specimen forms, qualification variables and acceptance criteria are systematically analyzed. The results show that the ISO 15614-8:2016 covers almost every field of welding procedure qualification and is the only standard to distinguish the arrangement of tube sheet. The other three standards only emphasize the number of welded joints. For the ISO 15614-8:2016 and RCC-M S3000:2007, the interstitial structure and expanding process of tube and tube sheet are considered as important variables. However, the fit clearances of tube and tube sheet are not required for the ASME BPVC-IX:2019 and the NB/T 47014-2011. The four standards all have similar requirements for the visual tests, penetrant tests and macro metallographs. Also, only the ISO 15614-8:2016 requires more stringent inspection. By analyzing the difference and application of these standards, it provides the theoretical guidance and technical reference for the welding procedure qualification of heat transfer tube and tube sheet in the future. 换热管 管板 标准 焊接工艺评定 heat transfer tube tube sheet standard welding procedure qualification 前言 1 换热器是石油、化工、冶金、电力、能源等工业领域广泛应用的设备，换热管与管板焊接作为换热器制造过程中至关重要的工序，管子-管板的强度焊既要保证密封性能又要保证抗拉强度，其焊接质量直接关系到设备的安全和稳定运行 ［ 1 1 ］ 。换热管与管板结构焊缝数量多、分布密集，且产品大多服役于高温高压腐蚀介质中，导致换热器在长期使用过程中常因焊接接头设计不合理或存在缺陷而失效 ［ 2 2 - 3 3 2-3 ］ 。为了保证产品服役可靠性，提高焊缝的密封性和接头强度 ［ 4 4 ］ ，在制造过程中往往通过焊接工艺评定来评估工艺设计的合理性和焊接质量的可靠性 ［ 5 5 ］ 。但目前，业内相关的评定标准较多且各标准差异较大，在评定过程中往往难以把握分寸，从而加大了现场的操作难度。 目前，国内的管子-管板焊接接头设计和工艺评定主要参考GB151-2014《热交换器》 ［ 6 6 ］ 和NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》 ［ 7 7 ］ 。国际上应用较多的则是ISO 15614-8：2016《金属材料焊接工艺规程及评定—管与管板接头焊接》 ［ 8 8 ］ 、ASME BPVC-IX：2019锅炉及压力容器规范《焊接、钎接和粘接工艺评定》 ［ 9 9 ］ 和核电领域的RCC-M S3000：2007《压水堆核岛机械设备设计与建造规则》 ［ 10 10 ］ 。上述标准都对管子-管板焊接接头的工艺评定进行了规范，但关于其评定规则、评定变素及验收准则的控制等存在差异。在实际应用过程中，还需结合客户的需求及具体情况进行选择。 文中针对上述4个标准（NB/T 47014-2011、ISO 15614-8：2016、ASME BPVC-IX：2019和RCC-M S 3000：2007），比较了不同标准在适用范围、试件形式、评定变素以及验收准则等方面的异同，分析总结了每个标准的应用特点和适用性，为业内工程技术人员更准确地评定换热管与管板的焊接工艺提供了技术支撑。 适用范围 1 NB/T 47014-2011标准主要针对国内的承压设备焊接工艺评定；ISO 15614-8：2016源自欧洲焊接标准，几乎覆盖了各个领域产品的焊接工艺评定；ASME BPVC-IX：2019标准主要用于锅炉及压力容器的焊接工艺评定；RCC-M S3000：2007标准适用于核岛设备的焊接。相比ASME BPVC-Ⅸ：2019和NB/T 47014-2011，ISO 15614-8：2016不区分行业领域，必须满足产品最严苛的限制条件，要求更为严格。而RCC-M S3000：2007标准直接引用了ISO 15614-1：2017《金属材料焊接工艺规程及评定—焊接工艺评定试验》，并在此基础上做了一些补充和严控。 配合间隙 2 在选择焊接工艺评定标准时，须明确该标准的适用性。ISO 15614-8：2016标准明确规定，其仅适用于带间隙的管子-管板结构的熔化焊评定。RCC-M S3000：2007标准则将管子与管板之间有无间隙作为两种结构评定，有间隙结构的直接引用ISO 15614-1：2017标准，无间隙结构的评定则自行规定，其内容将在后文详述。ASME BPVC-IX：2019和NB/T 47014-2011标准中均未对管子-管板的配合间隙做出规定，因此在这两个标准中将其视为非评定变素，不作考虑。 胀接过程 2 由于机械胀管会使管子产生机械变形，使焊接位置的母材结构发生变化，还可能因为机械作用产生的较大应力，影响焊接质量和使用寿命。在ISO 15614-8：2016标准中明确规定：有机械胀管过程参与的承压焊缝，需明确具体的焊接工艺试验要求。 NB/T 47014-2011标准规定了换热管与管板焊接的一般评定和附加评定。对于无胀接的强度焊焊缝（限对接焊缝、角焊缝及其组合焊缝），可当作角焊缝进行焊接工艺评定；若增加管子的胀接过程，其焊缝作为换热管与管板连接的强度焊、胀焊并用的焊缝，需在一般评定的基础上进行附加评定，也可将一般评定和附加评定合并评定。 RCC-M S3000：2007标准将是否胀管作为重要变素，增加、取消或改变胀管工艺均需要重新评定。ASME BPVC-IX：2019标准则规定焊前增加管子的胀接过程需重新评定，取消胀接工艺则未提及，因此将其视为非重要变素。 试件形式 1 由于换热器的管孔数量众多且分布密集，在焊接时极易造成管板不同区域热量不均匀，使得接头质量不佳甚至导致管板存在较为严重的变形，影响换热器的密封性。管孔的分布直接影响施焊的难易程度以及相邻焊缝间的相互作用。换热管的标准布管方式如 图1 图1 所示，包含正三角形排列（30°）、转角正三角形排列（60°）、正方形排列（90°）和转角正方形排列（45°），不同排列方式将对焊接质量和应力集中等产生不同的影响。因此，试件形式应尽可能与焊件形式相同，对于尺寸较大的焊件，工艺评定试件的尺寸和形式需具有代表性。 1;2; ISO 15614-8：2016是4个标准中唯一一个将管子排布方式区分评定的标准。试件的管子排布方式如 图2 图2 所示。对于三角形（包括正三角和转角正三角）分布的试件（见 图2a） 图2a） ： d ＜40 mm的管子至少要焊接10个接头； d ≥40 mm的管子至少要焊接7个接头（A区域）。对于正方形（包括转角正方形和正方形）分布的试件（见 图2b） 图2b） ： d ＜40 mm的管子至少要焊接12个接头； d ≥40 mm的管子至少要焊接9个接头（A区域）。由于在满足外接圆尺寸和管子数量相同的情况下，矩形分布结构的布局更为密集，受热作用和受力影响更为严重，因此需要增加接头数量进行区域评定。 d —管子公称外径； b —管子公称壁厚； d 1 —两个管子之间的最小距离； B —孔桥宽度，即管板孔间的最小距离 1;2; NB/T 47014-2011标准评定试件与ISO 15614-8：2016三角形分布形式一致。ASME BPVC-IX：2019标准只规定了试件需要10个基本相同的管孔结构，并未规定具体布局方式，一般可采用ISO 15614-8：2016三角形排布方式或与产品一致。RCC-M S3000： 2007标准要求试件至少焊接10根管子，且试件的管孔应能代表焊件管孔的配置（间隔）。 评定变素 1 管板厚度 2 管板厚度和换热管壁厚通常相差数十倍，且管板厚度直接影响焊接过程的焊接变形、散热速度和应力分布等。由于换热器的使用工况较为复杂，常用于强腐蚀性介质中，考虑到生产成本、力学性能和耐腐蚀性等，在管板设计阶段有时会采用复合板或在碳钢/低合金钢板上堆焊耐腐蚀层。因此，在评定管板厚度时需要考虑基层和覆层两部分。4个评定标准下管板厚度的覆盖范围如 表1 表1 所示。 注： t 为管板全厚度（基层+覆层）， t 1 为覆层厚度， t 2 为管板厚度（基层板厚）。 评定标准 管板厚度范围 试件尺寸 有效范围 4 ISO 15614-8：2016 2 覆层厚度 t 1 ＜3 mm ≥ t 1 t 1 ≥3 mm ≥3 mm 2 管板厚度 t 2 ＜35 mm ≥ t 2 t 2 ≥35 mm ≥35 mm NB/T 47014-2011 管板全厚度 t 应满足 t ≥20 mm，当管板为复合金属材料，覆层厚度计入管板的厚度，计算总厚度 不限 ASME BPVC-IX：2019 管板全厚度 取焊件厚度与50 mm两者中的较小值 不限 RCC-M S3000：2007 管板全厚度 一般要求 t ≥90 mm；且试件的管孔应能代表产品焊件管孔的配置（间隔）。在确保 施焊过程中焊缝的受热条件和夹紧条件时，对试件的厚度可以减薄 不限 4个评定标准对管板试件尺寸的要求差异较大，仅ISO 15614-8：2016标准将管板的基层和覆层作为重要变素。在实际评定过程中，应根据具体情况选择合适的标准。比如，管板厚度为40 mm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20 mm时不进行预热评定就可以合格：按照NB470 14-2011标准选用20 mm厚的管板进行评定就无法发现预热温度的选择是否正确；按照ASME BPVC-IX：2019标准选用40 mm厚的管板进行评定就更为合理。又如，产品特别强调和注重覆层厚度时，采用ISO 15614-8：2016标准进行评定，比使用其他3个标准进行评定更合理。对于管板厚度较小的焊件，采用焊件厚度作为试件厚度；对于管板厚度较大的焊件，尽量选择具有代表性的试件厚度进行评定。 换热管尺寸 2 换热管的壁厚和外径作为管子/管板结构焊接中的重要变素，尤其是小直径、薄壁管。由于管子与管板的厚度差异较大，焊接电流较小时，坡口根部容易造成未焊透，电流过大则易烧穿管壁。4个标准对小直径、薄壁管的工艺评定有效范围要求都较高，而对壁厚或直径超过一定尺寸的管子则不作要求，如 表2 表2 所示。 评定标准 管子尺寸 试件尺寸/mm 有效范围 2 ISO 15614-8：2016 壁厚 b 0.5 b ～2 b 外径 d ≥ d 5 NB/T 47014-2011 2 壁厚 b ≤2.5 mm （1±0.15） b b > 2.5 mm >2.5 mm 3 外径 d ≤50 mm、 b ≤2.5 mm ≥0.85 d d > 50 mm ≥50 mm b > 2.5 mm、 d 不限 不限 3 ASME BPVC-IX：2019 2 壁厚 b ≤2.5 mm 0.5 b ～2 b b > 2.5 mm >2.5 mm 外径 d （1±0.1） d 2 RCC-M S3000：2007 壁厚 b （1±0.1） b 外径 d （1±0.1） d 此外，换热管之间的间距 d l （见 图2 图2 ）主要影响焊接操作以及相邻焊缝之间的相互作用，ISO 15614-8：2016标准规定间距 d l 不小于工艺评定试件尺寸即可，其他三个标准都规定孔桥宽度 B （ B = d l -2倍管孔配合间隙）小于10 mm或3倍壁厚中较大值时，间距应大于或等于0.9 B 。同样，对于较大尺寸的孔桥宽度也未作限制。 验收准则 1 焊接工艺评定的验收试验通常包括无损检测和破坏性检测两个部分。由于管子管板结构特殊，通常情况下难以进行焊接接头体积型缺陷的无损检验和力学性能试验，只能以外观、表面或近表面以及焊缝截面作为评判依据。在上述4个标准中，均对外观检验、渗透检验以及宏观金相作了要求，且区别不大，在此不进行详细讨论。此外，ISO 156 14-8：2016标准还要求接头进行100%射线检验，并对某些组别母材作了硬度测试要求。由于管板板厚一般较大，射线难以照穿，因此要求将管板厚度减薄至5~12 mm。其他标准均通过试件上多个焊缝截面宏观金相来评价焊缝内部质量。 管子管板焊接接头主要强调其密封性和抗拉强度，焊缝尺寸作为影响两者的关键因素，4个标准均将其作为评定焊缝合格与否的重要指标。 NB/T 47014-2011标准强调角焊缝厚度均应不小于2/3 b ，如 图3 图3 a所示。ISO 15614-8：2016标准要求焊缝厚度 a （以焊缝根部为圆心的最大内切圆半径）≥0.9 b ，如 图3 图3 b所示。实际上，焊缝尺寸太大并没有太多意义，换热器的寿命取决于管子尺寸，焊缝厚度只要不小于管子壁厚即可。 1;2; ASME BPVC-IX：2019标准要求焊缝尺寸满足设计的最小有效尺寸 L ，且气孔不得使角焊缝厚度降低至规定的最小有效厚度值以下，此处规定的最小有效尺寸应与ISO 15614-8：2016标准的规定一致，实际上是焊缝根部到熔池表面的最短距离，即焊缝厚度 a ，如 图3 图3 c所示。如果焊缝内部存在气孔，则有效尺寸以实际尺寸减去气孔尺寸为准。RCC-M S3000：2007标准规定焊缝的平均尺寸应不小于 0.9 b ，单个 a ≥0.66 b ，且不允许有裂纹，如 图3 图3 d所示。如果焊缝中存在气孔和夹渣，则要求最小有效尺寸大于0.66 b 。 结论 1 （1）ISO 15614-8：2016标准和RCC-M S3000：2007标准明确规定管子管板的间隙结构和胀接过程是评定的重要变素，而ASME BPVC-Ⅸ：2019标准和NB/T 47014-2011标准均未对管子管板的配合间隙做出要求，ASME BPVC-Ⅸ：2019标准规定焊前增加管子胀接需重新评定。因此，在强调间隙结构和胀接过程时，应选择ISO 15614-8：2016标准或RCC-M S3000：20 07标准进行焊接工艺评定。 （2）ISO 15614-8：2016是唯一将管子排布方式区分评定的标准，其他3个标准只强调了焊接接头数量。因此，在强调管子排布方式时，应选择ISO 15614-8：2016标准进行焊接工艺评定。 （3）4个标准均对小直径、薄壁管的工艺评定有效范围要求较高，且均对管板厚度和管子尺寸进行了规范，各标准对试件尺寸有效范围的要求差异较大，仅ISO 15614-8：2016标准将管板的基层和覆层作为重要变素。因此，需区分管板的基层和覆层时，应选择ISO 15614-8：2016标准进行焊接工艺评定。 （4）4个标准均将焊缝尺寸作为评定焊缝合格与否的重要指标，且对外观检测、渗透检测及宏观金相的要求相似，仅ISO 15614-8：2016标准特别要求焊接接头进行100%射线检验，以及某些组别母材进行硬度测试。因此，在要求接头进行射线检验时，应选择ISO 15614-8：2016标准进行焊接工艺评定。 参考文献 陶彦文 ， 朵元才 ， 杜金涛 ， 等 . 管板与换热管内孔对接焊在转化气蒸汽发生器上的应用 ［J］. 压力容器 ， 2020 ， 37 （ 09 ）： 73 - 78 . 管板与换热管内孔对接焊在转化气蒸汽发生器上的应用 Tao Yanwen ， Duo Yuancai ， Du Jintao ， et al . 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