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大型钛-钢换热器复合板焊接技术和质量评价点击：2073 日期：[ 2014-04-26 21:57:52 ] |
| 大型钛-钢换热器复合板焊接技术和质量评价 宋品玲1，赵惠2，黄张洪1 （1.西部金属材料股份有限公司，陕西西安710016；2.西安天力金属复合材料有限公司，陕西西安710065） 摘要：介绍了大型换热器钛-钢复合板焊接接头的形式、焊接工艺、热处理工艺及质量评定方法。采用渗透探伤、氦气检漏、热气循环、超声波检测等方法对焊缝及设备的整体性能进行评价，可以准确地对钛焊缝的质量进行检测和控制。同时，对设备进行热气循环实验以模拟实际使用工况，达到检测设备耐热性能的目的。 关键词：换热器；钛-钢复合板；焊接接头 中图分类号：TG457.5文献标识码：A文章编号：1001-3814(2010)07-0117-03 随着我国石油、化工、医药等行业的快速发展，其设备也越来越大型化，且生产工艺过程中各种强腐蚀介质使用的场合越来越多，常规材料已经不能满足其耐腐蚀要求，所以大型特种耐蚀有色金属材料及其复合板设备的需求量越来越大，尤其是钛及其复合板设备的需求[1-4]。精对苯二甲酸（PTA）是现代化工基本原料，按照“十一五”规划，全国需要PTA产能1500多万吨，才能满足国内80%的需求，因此我国每年PTA装置用的大型钛设备市场价值约为10亿元。但是目前国内的钛设备制造技术相对落后，缺乏生产大型钛设备的设计和制造技术，设备的可靠性和安全性不能满足国内化工项目建设的需要，大量的关键设备仍需要从国外进口。因此，开展大型钛设备的制造技术研究就显得尤为迫切。制造钛-钢复合板换热器最主要的技术途径是焊接，特别是焊接过程中的质量控制。在卷制对接焊接过程中，由于基层碳钢与复层钛板不具有优良的异种金属的焊接性，为了保证复合板不失去它原有的综合性能，在接头设计及焊接工艺制定中都需要采取一些特殊的措施[5-7]。2007年我们公司承担了某公司PTA项目中1000 m2大型换热器钛-钢复合板设备的设计及制造，本文结合生产实际，针对复合板的焊接工艺及焊缝质量控制做了详细的研究。 1·大型钛-钢复合板换热器焊接工艺 1.1换热器的结构特点 PTA项目中的换热器属于管壳式换热器，其传热面由管束构成，管子的两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内，壳体两端有管箱，一种流体从进口管箱流进管子，再经过出口管箱流出，这条路径称为管程；另一种流体从外壳上的连接管进出换热器，这条路径成为壳程。管箱采用大面积的钛-钢复合板卷制对接而成，筒体内表面为钛材SB265Gr.2，外表面为SA516Gr.70。钛-钢复合板产品质量按国家标准GB/T8547-2006《钛-钢复合板》中的B1M类执行。制备的换热器技术参数如表1所示，设计、制造和检验标准：GB151-1999“管壳式换热器”、JB/T4745-2002《钛制焊接容器》和《压力容器安全技术监察规程》99版。 1.2钛-钢复合板的焊接接头形式 早在20世纪50年代，国外学者就开始研究钛-不锈钢焊接问题。研究发现，钛与钢熔化焊的熔合区中会形成FeTi及Fe2Ti等脆性金属间化合物，这些金属间化合物和低熔点的共晶体将急剧提高材料的强度，而大大降低材料的塑性，直接影响焊接接头的力学性能。另外，由于钛与钢的热物理性能差异，造成焊缝冷却过程中的收缩不均匀，形成较大的焊接内应力，严重时甚至导致焊缝开裂。可见，钛与钢直接采用熔化焊的方法形成连续的焊接接头几乎是不可能的。为保证焊接质量，避免基板在焊接中污染钛板，根据以往施工经验结合设备特点，钛复合层接头采用搭接接头，图1为常用钛-钢复合板对接焊接头形式。它采用的是互不熔合的间接接头，焊接接头通常采用V型坡口，坡口开在基层一侧，间隙为2mm，坡口角度约为65°，钝边2～3mm。需要注意的是，在焊接钢板前要在焊接区域将钛复层去除。去除复层后会在腐蚀衬里中引起缺口或空隙，由于复板SB265Gr.2钛板不能直接焊接到碳钢底层上，必须采用盖板结构将复层构件结合起来。另外，盖板下面的容器壳体上钻出通气孔，以便为盖板焊缝的背面提供氩气进行保护，同时也作为装置生产过程中的检漏系统。 1.3钛-钢复合板的焊接技术 换热器管程材质为SA516Gr.70/SB265Gr.2复合板，筒体厚度为30/2mm，锥体为34/2mm，下料前必须按GB/T8547-2006中《钛-钢复合板》要求进行检验。等离子切割焊件后需要清理加工表面，并在钢面为后继的焊接加工留出65°坡口。焊接坡口内表面及坡口外20～25mm范围内用机械方法除去材料表面氧化皮等污物，焊前用丙酮或乙醇对焊口进行脱脂处理。钛-钢复合板对接接头的焊接次序是先焊基层：用H08Mn2SiA焊丝进行手工氩弧焊打底，用E5015焊条进行手工电弧焊填充，用H10Mn2焊丝进行埋弧焊盖面，焊接时线能量不宜太大，过大的线能量会使钛复层因温度过高发生氧化，或产生复合板界面结合强度下降和界面剥离等问题。同时要避免电弧焊的飞溅造成钛复层被污染，所以基层焊接时第一道焊缝应用单面焊双面成形，以避免在钛复层进行手工电弧焊。焊复层时选用钨极氩弧焊（氩气纯度为99.99%），采用ERTi-2焊丝，焊接时焊枪后面需要专用拖罩保护，并且背面要求通入氩气进行保护，焊接区域相对独立，空气洁净。经反复调试，确定的最佳焊接工艺参数如表2所示。在此工艺条件下，从宏观形貌上看，焊缝外观均匀，没有裂缝、夹渣、咬边、未熔合、焊瘤、烧穿、弧坑和针状气孔等缺陷，钛焊缝和热影响区表面颜色为银白色。可见，该焊接工艺下焊缝的宏观形貌满足使用要求。 1.4钛-钢复合板焊接接头或容器的热处理钛-钢复合板焊接后，焊缝存在很大的内应力，若不及时去除，将会严重影响焊缝质量，在特定介质中容易发生应力腐蚀。因此，钛-钢复合板容器通常在钛盖板焊接完毕后要进行消除应力热处理。其热处理工艺的选择依据基层钢板的去应力退火工艺进行。 2·焊接接头质量评定 虽然焊缝的外观质量满足了生产标准要求，主体焊缝又经过JB/T4730.2-2005100%RT检测Ⅱ级合格，但仅凭衬里焊缝外观形貌判断设备质量是远远不够的，还需要采用后继的检测手段来评价其质量。所采用检测方法及其检测结果如下： （1）焊缝PT检查：采用DPT-5型清洗剂清洗焊缝去除污垢，然后利用DPT-5型渗透剂对焊缝进行渗透约10~15min，再用清洗剂清洗渗透剂，最后显像剂显像。试验结果表明，焊缝表面无缺陷，属于JB/T4730.5-2005 100%PTⅠ级合格。 （2）氦气检漏法：通过在设备壳体上接管和基层焊缝上的检漏孔通入一定量的氦气和氮气的混合气，对换热管和管板的角接焊缝以及内复层表面进行检漏。氦气检漏时的流量控制在20ml/s，真空度优于1×10-6Pa。 （3）热气循环法：目前国内厂家只是对复合管箱部分进行热气循环试验，我们对整体设备进行热气循环试验，通过这种模拟实际工况，增加了换热管管头的可靠性。具体操作是通过给容器内部充氦然后在焊缝检漏孔中进行氦检漏。与其它方法不同的是，试验前一般要以容器的设计温度和设计压力为基准，对容器进行升温、升压、保压、降温、降压等使用工况的模拟，然后在容器内部充入氦气和氮气的混合气体，在容器外检漏孔处进行检测。这种方法可很好地验证容器在升温、升压、降温、降压、正常运行等工况对复层盖板焊缝处的影响，其灵敏度高、可靠性好，但试验周期长且费用较高，一般运用在设备设计温度较高或操作过程不稳定的关键设备质检中。上述检验后，采用PXUT-350B型超声波测试仪对钛复合层及周围区域进行100%UT检查，结果显示钛-钢复合板设备符合JB/T4730.3-2005Ⅰ级合格，满足生产要求。 3·结论 我们在生产1000m2大型钛-钢复合板换热器过程中，通过大量的试验研究，确定出钛-钢复合板的最佳焊接工艺，包括焊丝类型和焊接接头形式等工艺参数，从焊接接头的表面形貌来看，复合板焊缝表面光滑，无肉眼可见焊接缺陷。随后采用PT、UT、氦气检漏、热气循环等试验方法对该大型钛-钢复合板换热器进行检验，综合评价设备的焊缝质量及设备整体性能满足生产要求。 参考文献: [1]刘亚芬，高胜华．烟囱钢内筒钛钢复合板焊接工艺[J]．焊接技术，2007，36（1）：27-28. [2]黄惠贤，庄海清，冯红梅．240 m烟囱钢内筒钛钢复合板焊接工艺特点[J]．热力发电，2006，(10)：68-69. [3]黄惠贤．钢内筒钛钢复合板焊接工艺特点[J]．特钢技术，2006，（2）：39-41. [4]史耀辉，王俊霞．钛-钢复合板在钢烟囱内筒中的应用[J]．建筑施工，2005，27（4）：65-66. [5]樊兆宝．TC4钛合金壳体的手工氩弧焊工艺[J]．电焊机，2007，37（7）：25-27. [6]刘红卫，李艳，毛唯，等．Ti-24Al-15Nb-1Mo合金氩弧焊[J]．航空材料学报，2006，26（3）：111-115. [7]杨扬，张新明，李正华，等．TA2／A3爆炸复合界面微观断裂机制的SEM原位研究[J].金属学报，1994，30（9）：409-415. |
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