哈雷釬焊板式換熱器
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螺紋鎖緊環高壓換熱器鎳基合金管束的研制

點擊:1276 日期:[ 2014-04-26 22:00:56 ]
                           螺紋鎖緊環高壓換熱器鎳基合金管束的研制                                      畢曉敏 王文利 賈小斌                                  蘭州蘭石有限公司煉化公司      [摘要]本文針對Cr-Mo鋼管板帶極埋弧堆焊的鎳基合金(Inconel625或112)與鎳基合金(Incoloy825)管子自 動鎢極氬弧焊,制定了相應的焊接工藝,通過化學成分、金相組織及力學性能檢驗,證明了該焊接工藝完全滿足產品的焊接。     [關鍵詞] 鎳基合金;管板;帶極埋弧堆焊;管子;自動鎢極氬弧焊     前 言     由中國石化北京設計院設計,我 公司研制的中國石化青島大煉油工程 320萬噸/年加氫裝置H-H型大直徑雙殼 程(管程、殼程高壓式)螺紋鎖緊環 高壓換熱器,其主殼體材質為2.25Cr- 1Mo,規格為φ1700×97/62×10864.5。 其U形換熱管材質為SB163-UNSNO8825 (Incoloy825),管板為2.25Cr-1Mo堆焊 鎳基合金(Inconel625或112),整臺 設備重達156.559噸。     這是我公司首次在換熱器生產中 遇到鎳基合金管子與管板的焊接。In- coloy825是一種奧氏體Ni-Cr-Fe鎳基合 金,常用于高溫、高壓且介質還有熱 腐蝕作用等工況條件十分苛刻的設備, 它添加了適量銅、鉬和鈦等,有良好 的耐氧化物應力腐蝕,對各種酸液均 有一定的耐蝕性,而ENiCrMo3堆焊層 由于Ni≥55%、Cr=22.0 ̄23.0%、Mo=8.0  ̄10.0%,所以其焊縫金屬在室溫和高 溫下具有較高的強度和很強的耐蝕能力,包括耐點蝕、縫隙腐蝕以及多種 酸性介質中的應力腐蝕開裂,能解決 一般不銹鋼和其它金屬、非金屬材料 無法解決的工程腐蝕問題。     鎳基合金焊接時易產生熱裂紋, 如凝固裂紋、多邊化裂紋等,此外, 還易在弧坑處產生火口裂紋,焊前應 徹底清理焊件及焊絲;提高焊材的Mn 含量,正確選用與母材相匹配的焊接 材料,采用合理的裝焊順序,減少應 力,選用較小的熱輸入量,一般以10  ̄15kJ/cm為宜,填滿弧坑等措施可有 效防止熱裂紋的產生。     鎳基合金液態時流動性較差,焊接快速冷卻時,焊縫中的氣孔若來不 及逸出,就易形成氣孔。焊前徹底清 理坡口及附近的油污、銹劑、各種涂 料,可以防止氣孔的產生。     1 鎳基合金焊接的主要問題     1.1 熱裂紋的敏感性     1.2 氣 孔     1.3 焊接區的腐蝕傾向     由于敏化溫度區內晶界易發生貧Cr、貧Mo現象,導致晶界腐蝕和應力 腐蝕傾向發生。避免焊接區在高溫停 留時間過長,注意快速冷卻就可以防 止腐蝕傾向。     2 管板的堆焊     該換熱器的管板是按管、殼程壓 差設計的,其直徑大,為φ1738mm, 厚度δ=220mm;管板表面堆焊δ=8mm 鎳基合金。其制造難度主要有單面堆 焊變形問題和鉆孔加工管孔的垂直度 及加工精度問題。     帶極堆焊雖然國內有較成熟的技 術,但是在堆焊過程中由于受熱較集 中,又是單面堆焊,堆焊單層鎳基合 金,這樣管板容易產生變形,造成管 板加工后堆焊層厚薄不均勻。為防止 變形,堆焊前將管板背面焊一塊同規 格的厚盲板按同心圓由內向外依次堆 焊,因此堆焊4mm后需要焊后熱處理, 采取相應防變形措施和合理的焊接、熱處理及加工順序,有效地控制了管板變形。     帶極埋弧堆焊和焊條電弧堆焊均采用美國超合金集團特種焊材[1] ,管板 中心圓采用焊條電弧焊堆焊,其余采 用帶極埋弧堆焊。因技術條件未規定 具體試驗項目,我公司按照“JB4708- 2000”[2] 進行了2.25Cr-1Mo堆焊E Ni- CrMo3的焊接工藝評定,見表1。     評定內容包括如下檢測項目:     2.1 2.25Cr-1Mo板焊條電弧堆焊(SM AW)和帶極埋弧堆焊(SAW),母材 及堆焊層厚度、化學成分見表2;     2.2 堆焊層表面PT,結合面UT;     2.3 熱處理:690℃×8小時;     2.4 化學成分:Cr、Ni、Fe、Ti、Nb、 Mo;     2.5 三區金相組織及硬度見表3;        2.6 側彎試件:D=4a,a=10mm,α= 180°合格;     2.7 硫酸-硫酸銅法2件合格。      上述評定結果顯示熱影響區的硬 度值偏高。這是因為堆焊耐蝕材料時, 優先考慮焊接材料的化學成分與耐蝕 材料相同,這樣會造成焊接材料的強度高于耐蝕材料。本設備堆焊 用的焊材ENiCrMo3(INCONEL 112),其化學成分與UNSNo8825 相匹配,但是ENiCrMo3焊接熔 敷金屬的抗拉強度≥750MPa,這樣會導致堆焊時熱影響區硬度值偏高,若降低硬度,則相應熔敷 金屬的抗拉強度也要降低,這樣堆焊 層的化學成分就無法滿足要求。     3 換熱管與管板的連接     此臺螺紋鎖緊環高壓換熱器的換 熱管與管板采用強度焊+貼脹的連接 方式,具體結構如圖所示。我公司U 形換熱管采購的是瑞典的阿維斯塔公 司(Avesta)產品,數量為1776根,換 熱管與管板之間的焊接方法采用自動 鎢極氬弧焊,由于管板表層已堆焊了 ER-NiCrMo3材料,故整個焊接過程都 為冷焊。每層焊縫表面都要按JB4730 進行著色探傷檢測,Ⅰ級合格。我公 司按照附錄B:鎳基合金冷換管束制 造技術條件[3]進行了換熱管與管板焊接 工藝評定,換熱管與管板的連接簡圖 焊接試樣檢驗結果見表4。                      2.25Cr-1Mo、δ=40mm 堆焊鎳基合金INCONEL625或112;     Incoloy825,規格 為φ19×2,φ19×2.2;     INCONEL625,φ0.889 采用自動鎢極氬弧焊,兩道填絲焊焊 接;     3.1 焊接工藝評定所用材料如下:     3.1.1 管板材料:     3.1.2 換熱管材料:     3.1.3 焊接材料:     0.994kJ/mm (焊接電流:140--150A;電壓:9.5--10.5V;焊接速度≥95mm/min;層間 溫度:15℃--100℃)。     3.2 檢驗項目及結果     3.1.4 焊接最大熱輸入量:     3.2 檢驗項目及結果     3.2.1 角焊縫H值     根據GB151附錄B[4]換熱管與管板 連接的受檢查剖面角接接頭的H值不 得小于管壁厚的1.4倍,即H≥2.8mm, 表3均滿足要求。     3.2.2 管接頭10%草酸腐蝕實驗 試驗判定焊縫為四類游離鐵素體 組織,按照GB/T4334.1-2000[5]屬于不需 做其它腐蝕實驗的范疇。     3.2.3 拉脫試驗     根據GB151表26[4]換熱管與管板連 接的許用拉脫力[q]=0.5[σ]tt=60.5Mp,換熱管外徑為d=19mm,換熱管與管板 的焊腳高度l=4mm,計算出管子的拉斷 力為14437N,可見表3拉脫力值均高于 管子的拉斷力。     4 結束語     4.1 選擇合適的焊接方法:優先選用 焊條電弧焊(SMAW)和氣體保護焊 (GTAW或GMAW),對于厚度較大 的板材也可采用埋弧焊(SAW)。     4.2 焊件清理:焊件坡口兩側表面的清潔度是焊接鎳基合金的重要條件之 一,S、P、Pb以及Sn、Zn、Sb、As等凡是能和Ni形成低熔點共晶的元素都 是有害元素,它們會增加焊接熱裂紋 傾向,可以用磨削加丙酮等清洗劑清 理。     4.3 限制焊接熱輸入量:選用較小的熱輸入量,使接頭高溫停留時間減少, 對控制和減少熱裂紋,提高耐腐蝕性 均有利,填滿弧坑是避免產生弧坑裂 紋的重要措施,采用窄焊道焊接,是 最佳的焊接工藝措施。     4.4 預熱和熱處理:鎳基合金焊接時一般不需要預熱,當母材溫度低于15℃ 時,應對坡口兩側250 ̄300mm區域內 加熱至15℃--20℃,以免濕氣冷凝,導致氣孔產生,一般不推薦焊后熱處理。      參考文獻     [1]“鎳基合金焊接指南(NickelAlloy WeldingHand Book)”SMC國際超合金集團焊接產品公司. 2004年 10月8日.     [2]“JB4708-2000 鋼制壓力容器焊接工藝評定”.國 家機械工業局、國家石油和化學工業局發布. 2000年 8月15日.     [3]“附錄B:鎳基合金冷換管制造技術條件”中國 石化工程建設公司(北京設計院)BCEQ-9334/A1. 2006年6月.     [4]“GB151-1999 管殼式換熱器” 國家質量技術監 督局發布, 2000-01-01實施.     [5]“GB/T 4334.1-2000 不銹鋼10%草酸浸蝕試驗方 法” 壓力容器相關標準匯編[上卷].2001年6月. 
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