列管式换热器
新闻动态
螺纹锁紧环高压换热器镍基合金管束的研制点击：2094 日期：[ 2014-04-26 22:00:56 ] |
| 螺纹锁紧环高压换热器镍基合金管束的研制 毕晓敏 王文利 贾小斌 兰州兰石有限公司炼化公司 ［摘要］本文针对Cr-Mo钢管板带极埋弧堆焊的镍基合金（Inconel625或112）与镍基合金（Incoloy825）管子自 动钨极氩弧焊，制定了相应的焊接工艺，通过化学成分、金相组织及力学性能检验，证明了该焊接工艺完全满足产品的焊接。 ［关键词］ 镍基合金；管板；带极埋弧堆焊；管子；自动钨极氩弧焊 前 言 由中国石化北京设计院设计，我 公司研制的中国石化青岛大炼油工程 320万吨/年加氢装置H-H型大直径双壳 程（管程、壳程高压式）螺纹锁紧环 高压换热器，其主壳体材质为2.25Cr- 1Mo，规格为φ1700×97/62×10864.5。 其U形换热管材质为SB163-UNSNO8825 （Incoloy825），管板为2.25Cr-1Mo堆焊 镍基合金（Inconel625或112），整台 设备重达156.559吨。 这是我公司首次在换热器生产中 遇到镍基合金管子与管板的焊接。In- coloy825是一种奥氏体Ni-Cr-Fe镍基合 金，常用于高温、高压且介质还有热 腐蚀作用等工况条件十分苛刻的设备, 它添加了适量铜、钼和钛等，有良好 的耐氧化物应力腐蚀，对各种酸液均 有一定的耐蚀性，而ENiCrMo3堆焊层 由于Ni≥55%、Cr=22.0￣23.0%、Mo=8.0 ￣10.0%，所以其焊缝金属在室温和高 温下具有较高的强度和很强的耐蚀能力，包括耐点蚀、缝隙腐蚀以及多种 酸性介质中的应力腐蚀开裂，能解决 一般不锈钢和其它金属、非金属材料 无法解决的工程腐蚀问题。 镍基合金焊接时易产生热裂纹， 如凝固裂纹、多边化裂纹等，此外， 还易在弧坑处产生火口裂纹，焊前应 彻底清理焊件及焊丝；提高焊材的Mn 含量，正确选用与母材相匹配的焊接 材料，采用合理的装焊顺序，减少应 力，选用较小的热输入量，一般以10 ￣15kJ/cm为宜，填满弧坑等措施可有 效防止热裂纹的产生。 镍基合金液态时流动性较差，焊接快速冷却时，焊缝中的气孔若来不 及逸出，就易形成气孔。焊前彻底清 理坡口及附近的油污、锈剂、各种涂 料，可以防止气孔的产生。 1 镍基合金焊接的主要问题 1.1 热裂纹的敏感性 1.2 气 孔 1.3 焊接区的腐蚀倾向 由于敏化温度区内晶界易发生贫Cr、贫Mo现象，导致晶界腐蚀和应力 腐蚀倾向发生。避免焊接区在高温停 留时间过长，注意快速冷却就可以防 止腐蚀倾向。 2 管板的堆焊 该换热器的管板是按管、壳程压 差设计的，其直径大，为φ1738mm, 厚度δ=220mm；管板表面堆焊δ=8mm 镍基合金。其制造难度主要有单面堆 焊变形问题和钻孔加工管孔的垂直度 及加工精度问题。 带极堆焊虽然国内有较成熟的技 术，但是在堆焊过程中由于受热较集 中，又是单面堆焊，堆焊单层镍基合 金，这样管板容易产生变形，造成管 板加工后堆焊层厚薄不均匀。为防止 变形，堆焊前将管板背面焊一块同规 格的厚盲板按同心圆由内向外依次堆 焊，因此堆焊4mm后需要焊后热处理, 采取相应防变形措施和合理的焊接、热处理及加工顺序，有效地控制了管板变形。 带极埋弧堆焊和焊条电弧堆焊均采用美国超合金集团特种焊材[1] ，管板 中心圆采用焊条电弧焊堆焊，其余采 用带极埋弧堆焊。因技术条件未规定 具体试验项目，我公司按照“JB4708- 2000”[2] 进行了2.25Cr-1Mo堆焊E Ni- CrMo3的焊接工艺评定，见表1。 评定内容包括如下检测项目： 2.1 2.25Cr-1Mo板焊条电弧堆焊（SM AW）和带极埋弧堆焊（SAW），母材 及堆焊层厚度、化学成分见表2； 2.2 堆焊层表面PT，结合面UT； 2.3 热处理：690℃×8小时； 2.4 化学成分：Cr、Ni、Fe、Ti、Nb、 Mo； 2.5 三区金相组织及硬度见表3； 2.6 侧弯试件：D=4a，a=10mm，α= 180°合格； 2.7 硫酸-硫酸铜法2件合格。 上述评定结果显示热影响区的硬 度值偏高。这是因为堆焊耐蚀材料时, 优先考虑焊接材料的化学成分与耐蚀 材料相同，这样会造成焊接材料的强度高于耐蚀材料。本设备堆焊 用的焊材ENiCrMo3（INCONEL 112），其化学成分与UNSNo8825 相匹配，但是ENiCrMo3焊接熔 敷金属的抗拉强度≥750MPa，这样会导致堆焊时热影响区硬度值偏高，若降低硬度，则相应熔敷 金属的抗拉强度也要降低，这样堆焊 层的化学成分就无法满足要求。 3 换热管与管板的连接 此台螺纹锁紧环高压换热器的换 热管与管板采用强度焊＋贴胀的连接 方式，具体结构如图所示。我公司U 形换热管采购的是瑞典的阿维斯塔公 司（Avesta）产品，数量为1776根，换 热管与管板之间的焊接方法采用自动 钨极氩弧焊，由于管板表层已堆焊了 ER-NiCrMo3材料，故整个焊接过程都 为冷焊。每层焊缝表面都要按JB4730 进行着色探伤检测，Ⅰ级合格。我公 司按照附录B：镍基合金冷换管束制 造技术条件[3]进行了换热管与管板焊接 工艺评定，换热管与管板的连接简图 焊接试样检验结果见表4。 2.25Cr-1Mo、δ=40mm 堆焊镍基合金INCONEL625或112； Incoloy825，规格 为φ19×2，φ19×2.2； INCONEL625，φ0.889 采用自动钨极氩弧焊，两道填丝焊焊 接； 3.1 焊接工艺评定所用材料如下： 3.1.1 管板材料： 3.1.2 换热管材料： 3.1.3 焊接材料： 0.994kJ/mm （焊接电流：140--150A；电压：9.5--10.5V；焊接速度≥95mm/min；层间 温度：15℃--100℃）。 3.2 检验项目及结果 3.1.4 焊接最大热输入量： 3.2 检验项目及结果 3.2.1 角焊缝H值 根据GB151附录B[4]换热管与管板 连接的受检查剖面角接接头的H值不 得小于管壁厚的1.4倍，即H≥2.8mm, 表3均满足要求。 3.2.2 管接头10％草酸腐蚀实验 试验判定焊缝为四类游离铁素体 组织，按照GB/T4334.1-2000[5]属于不需 做其它腐蚀实验的范畴。 3.2.3 拉脱试验 根据GB151表26[4]换热管与管板连 接的许用拉脱力[q]=0.5[σ]tt=60.5Mp，换热管外径为d=19mm，换热管与管板 的焊脚高度l=4mm，计算出管子的拉断 力为14437N，可见表3拉脱力值均高于 管子的拉断力。 4 结束语 4.1 选择合适的焊接方法：优先选用 焊条电弧焊（SMAW）和气体保护焊 （GTAW或GMAW），对于厚度较大 的板材也可采用埋弧焊（SAW）。 4.2 焊件清理：焊件坡口两侧表面的清洁度是焊接镍基合金的重要条件之 一，S、P、Pb以及Sn、Zn、Sb、As等凡是能和Ni形成低熔点共晶的元素都 是有害元素，它们会增加焊接热裂纹 倾向，可以用磨削加丙酮等清洗剂清 理。 4.3 限制焊接热输入量：选用较小的热输入量，使接头高温停留时间减少, 对控制和减少热裂纹，提高耐腐蚀性 均有利，填满弧坑是避免产生弧坑裂 纹的重要措施，采用窄焊道焊接，是 最佳的焊接工艺措施。 4.4 预热和热处理：镍基合金焊接时一般不需要预热，当母材温度低于15℃ 时，应对坡口两侧250￣300mm区域内 加热至15℃--20℃，以免湿气冷凝，导致气孔产生，一般不推荐焊后热处理。 参考文献 [1]“镍基合金焊接指南（NickelAlloy WeldingHand Book）”SMC国际超合金集团焊接产品公司. 2004年 10月8日. [2]“JB4708-2000 钢制压力容器焊接工艺评定”.国 家机械工业局、国家石油和化学工业局发布. 2000年 8月15日. [3]“附录B：镍基合金冷换管制造技术条件”中国 石化工程建设公司（北京设计院）BCEQ-9334/A1. 2006年6月. [4]“GB151-1999 管壳式换热器” 国家质量技术监 督局发布, 2000-01-01实施. [5]“GB/T 4334.1-2000 不锈钢10%草酸浸蚀试验方 法” 压力容器相关标准汇编[上卷].2001年6月. |
| 上一篇：组件式螺旋管换热器的壳侧流场计算 | 下一篇：地源热泵地下埋管换热性能测试装置 |