Distorsione della saldatura tubo-mantello: perché è intrinseca e come il basso apporto di calore la controlla

La distorsione della saldatura del piatto tubiero è spesso trattata come un difetto di manodopera. Nella maggior parte degli scambiatori di calore a fascio tubiero non lo è. Quando il piatto tubiero viene saldato al mantello con una scanalatura a V a bisello singolo, saldata da un solo lato, il volume del metallo depositato sui lati di radice e di cordone non è uguale, e il ritiro trasversale non è uniforme attraverso lo spessore della parete. Il risultato è una deflessione angolare del piano del piatto tubiero. Questa distorsione è intrinseca ed esiste oggettivamente: può essere controllata e compensata, ma non contestata con una semplice procedura di saldatura più rigorosa.

Due meccanismi agiscono insieme.

Ritiro trasversale attraverso lo spessore. La saldatura si ritira di più vicino al cordone che alla radice. Poiché il ritiro non è uniforme attraverso lo spessore, il giunto ruota invece di accorciarsi semplicemente. Quella rotazione è ciò che inclina il piano del piatto tubiero.

Distorsione angolare in due parti. La prima è la variazione angolare tra il mantello e il piatto tubiero, equivalente alla distorsione angolare di un giunto di testa tra due piastre. La seconda è la distorsione angolare del piatto tubiero stesso, equivalente al metallo di saldatura depositato come riempimento su una superficie di piastra. Le due parti si sommano e l'inclinazione finale è la somma.

La magnitudo dipende da sei variabili: rigidità del piatto tubiero, angolo della scanalatura, forma della sezione trasversale della saldatura, apporto di calore, volume del metallo depositato, pratica di saldatura. Nessuna è indipendente dalle altre: una scanalatura più larga aumenta il volume depositato; un apporto di calore maggiore aumenta il ritiro per passata; un piatto tubiero meno rigido converte lo stesso ritiro in una maggiore inclinazione.

La maggior parte delle distorsioni sul campo risale a quattro cause, tutte controllabili:

• Direzione di saldatura non seguita come specificato. Sequenza e direzione fanno parte della procedura, non della preferenza dell'operatore. Saltare o invertire la direzione specificata concentra il ritiro su un lato.
• Parametri di saldatura irragionevoli che causano surriscaldamento locale. Corrente eccessiva o bassa velocità di avanzamento aumentano l'apporto di calore locale, ingrandiscono la zona di ritiro e aumentano la deflessione angolare.
• Sequenza di assemblaggio e saldatura non seguita. Lo stress di accoppiamento e la sequenza di saldatura interagiscono: cambiare la sequenza dopo l'accoppiamento e il piatto tubiero assorbe uno schema di ritiro diverso da quello per cui è stata scritta la procedura.
• Misure ausiliarie inappropriate. Pre-impostazione, barre di rinforzo, bilanciamento della sequenza e raffreddamento non sono optional; omessi o applicati in modo incoerente, la stessa procedura produce risultati diversi da unità a unità.

La saldatura su entrambi i lati generalmente non è fattibile qui: la faccia lato tubi è occupata dal fascio tubiero e dal legamento del piatto tubiero, e l'accesso per la rimozione del rovescio e la deposizione sul lato posteriore non è disponibile. La via pratica è la saldatura su un lato con formazione su entrambi i lati. Questa via presenta un rischio specifico: se la corrente è impostata abbastanza alta da garantire la fusione della radice, può causare bruciature e danneggiare i tubi dello scambiatore di calore adiacenti. Il controllo quindi non può essere una saldatura più calda per la penetrazione, ma un basso apporto di calore, un ridotto calore totale e una maggiore rigidità del piatto tubiero.

• Mantenere basso e controllato l'apporto di calore. Piccole passate, temperatura interpass controllata, un intervallo di corrente che raggiunge la fusione della radice senza bruciature.
• Aumentare la rigidità del piatto tubiero durante la saldatura. Barre di rinforzo, irrigidimento temporaneo e sequenza simmetrica resistono alla rotazione angolare senza modificare il progetto.
• Controllare il volume del metallo depositato. L'angolo della scanalatura e la sezione trasversale della saldatura dovrebbero essere specificati, non lasciati al saldatore. Una scanalatura più stretta e correttamente dimensionata deposita meno metallo e si ritira meno.
• Seguire la direzione e la sequenza specificate. Direzione, sequenza e misure ausiliarie appartengono alla procedura, verificate alla stazione, non decise sul pezzo.

La distorsione in un giunto piatto tubiero-mantello non è un segno che la procedura sia sbagliata. È un segno che il meccanismo è compreso, e che i controlli sono mirati al ritiro che esiste realmente piuttosto che a un risultato privo di distorsioni che la saldatura su un lato non può fornire.

Perché il ritiro trasversale non è uniforme attraverso lo spessore: il lato del cordone deposita più metallo e si ritira più della radice, quindi il giunto ruota e inclina il piano del piatto tubiero. È intrinseco alla geometria del giunto, non un errore di manodopera.

Bilancia la deposizione e riduce la deflessione angolare, ma generalmente non è fattibile qui perché il lato del tubo non è accessibile per la rimozione del rovescio. La saldatura su un lato con formazione su entrambi i lati è la via pratica, con un basso apporto di calore come controllo.

Bruciatura: corrente eccessiva può penetrare la radice e danneggiare i tubi adiacenti. Il controllo corretto è una procedura qualificata a basso apporto di calore con rigidità adeguata, non più corrente.

Rigidità del piatto tubiero, angolo della scanalatura, sezione trasversale della saldatura, apporto di calore, volume del metallo depositato e pratica di saldatura. Interagiscono: una scanalatura più larga e un apporto di calore maggiore aumentano entrambi il ritiro, e un piatto tubiero meno rigido converte lo stesso ritiro in una maggiore inclinazione.