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换热器中渗铝钢管的应用及其焊接情况
孙德义
(中冶葫芦岛有色金属集团有限公司,辽宁葫芦岛125003)
摘要：介绍了某硫酸厂转化系统的Φ4 000 mm换热器的结构和工况,给出了改造方案,通过选择 合适的焊接方法,采用手工电弧焊,表面渗铝处理换热器列管,抗氧化、耐腐蚀、耐高温,使 用效果好。
关键词：换热器;列管;渗铝处理;焊接
中图分类号：TG4文献标识码：B
1 前 言
某硫酸厂转化系统的Φ4 000 mm换热器,长期 处于高温和SO2、SO3气体腐蚀的条件下运行。由 于受高温SO3和SO2气体腐蚀,氧化皮大量堆积,不 但减少了换热器的换热面积,而且也降低了换热效 率。以往换热器列管与管板的联接都是采用胀管 法,通过多年的实践发现,胀管接头很难适应高温工 况,有时设备运行还没到一个周期,胀管连接部位就 会脱开泄漏,被迫停产检修,给生产造成严重打击。 一台换热器的使用寿命仅5 a左右。
2 换热器结构和工况
2. 1 结构现状
换热器的上下管板材质为20#钢,上管板厚30 mm,下管板厚40mm。换热器列管为Φ51mm×3. 5 mm的20#钢管,长为6 m,每台共有2 124根,列管 与管板的连接都是采用胀管法。由于受高温SO3和 SO2气体腐蚀,氧化皮大量堆积,不但减少了换热器 的换热面积,而且也降低了换热效率。
2. 2 工作温度和压力
换热器长期处于高温和SO2、SO3气体腐蚀的 条件下。运行工作温度和压力见表1。
3 改造实践
3. 1 改造方案
2000年4月大修更新换热器时,我们对列管进 行了渗铝处理,由于铝和氧有非常强的亲和力,极易 形成致密的AL2O3薄膜,这层薄膜的熔点很高,可 以大大的提高列管的高温抗氧化能力和耐腐蚀能 力,故能起到保护内部不被氧化和腐蚀的作用。表 2~4为上海冶金研究所对渗铝钢所用的腐蚀、氧化 实验结果。
由以上各表可知,渗铝管用于转化系统的换热器中,可以解决高温氧化和SO2、SO3气体的腐蚀问题,降低维修费用,延长设备使用寿命,有利于提高 产量,降低成本。
以往,换热器列管与管板的连接都是采用胀管法,通过多年的实践发现,胀管接头很难适应高温工况,有时设备还没运行到一个周期,胀管连接部位就会脱开。为了保证设备的正常运行,对新换热器列管与管板连接采用焊接。但保证渗铝管与管板不同材质焊接质量是关键。为此,我们曾向渗铝单位要求保留管头部分不渗铝,但在渗铝工艺上对方无法满足。而对管子上需焊的部位进行加工,将渗铝层清除干净的方法,既浪费人力,又增加加工费用,而且对设备的使用寿命不利。最后,仍决定管板与渗铝管直接焊接。
3. 2 焊接方法的选择
根据材料的性质,选用熔化极氩弧焊是可以的, 但我单位无此设备。选用手工钨极氩弧焊,虽然能 够获得优质的焊接接头,但成本高,同时在焊接过程 中会产生臭氧等有害气体,当施工场所通风不良时, 臭氧浓度会显著提高,甚至超过标准值,影响焊工的 身体健康。而且手工钨极氩弧焊,对焊前的清理工 作要求严格,否则焊缝质量也不易保证。于是,我们 决定采用手工电弧焊进行焊接试验。
3. 3 焊条的选择
因为渗铝管渗铝前材质是20#钢,所以首先用 T422焊条进行试验,但发现焊接接头上出现大量的气孔。后来我们又用T427焊条进行试焊,发现焊缝均没有气孔,而且这种焊条平常用得较多,于是准备选用T427焊条。但设备使用单位要求我们用E1- 23-12Mo-16型焊条,此种焊条焊芯为不锈钢焊丝,价格较贵,每吨价格20 000元左右。另外,在烘 焊条时发现,当温度为150℃时,焊缝有气孔,将温 度提高到250℃以上后,才没有气孔。所以正式焊 接时,对E1-23-12Mo-16型焊条作250℃的烘干处理。鉴此,在焊接时,两种焊条均使用了。为了保证焊缝质量,选用了AX-300-1型焊机,施焊时,尽量采取窄焊道,焊条不作横向摆动。
3. 4 管与管板的焊接工艺及焊接顺序
由于换热器列管贯穿上、下管板,且焊缝密,数量多,稍不注意就易发生变形,影响设备的使用寿命。为了把好质量关,我们首先在板的外缘上做好定位标记,以便上、下孔对正。然后进行定位点焊, 每管点焊2~3点。为了减少变形量,采取放射交叉的焊接顺序,两人同时反向焊接。值得一提的是,渗铝管的焊接要注意切去管头,因为管头端部渗铝层较厚,若不去掉会使焊缝产生裂纹。
3. 5 焊接工艺评定
渗铝管与管板的角焊缝,经外观检查未发现裂纹、气孔、弧坑和肉眼可见的夹渣缺陷,接头的抗拉强度,T427焊条为455MPa,E1-23-12Mo-16焊条为550MPa。渗铝管与管板的角焊缝在压力机上作实验,试件在压力作用下,不是从角焊缝处破坏, 而是从管子上破坏。另外,分别切取几个焊接头的断口进行检查,发现焊缝与母材完全熔合,未发现裂纹、夹渣及其他缺陷,熔合线上均有CrMo化学元素,也就是说,接头的耐高温性能良好。管件同心度、垂直度均符合图纸要求,经98 kPa水压试验,30 min未发现渗漏现象,可满足正常生产工艺要求。
4 结 语
换热器焊接过程中,由于使用单位要求,主要采用E-23-12Mo-16型焊条进行焊接,但我们曾用T427焊条进行过试验,其焊缝质量能满足设计要求,所以我们在新换热器制作中仍然使用T427焊条焊了50个焊口。后来停产检修时进行了检查,发现不管是用T427焊条还是用E1-23-12Mo-16焊条,它们的焊缝表面情况均良好,仅四周漆膜有些脱落。从焊缝情况来看,两种焊条都可以用来焊接渗铝管。但T427焊条货源广,价格便宜,所以用T427 焊条焊接带渗铝层的渗铝材料既能保证焊缝质量又经济。从检查的结果看,换热管表面渗铝层完好无损,设备内没有氧化皮堆积,设备投产到现在,阻力从没上涨。由此可见,渗铝钢的耐高温、耐腐蚀能力大大超过非渗铝材料。
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