螺纹锁紧环高压换热器镍基合金管束的研制

点击：2032 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.

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