螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器鎳基合金管束的研制

1、    螺紋鎖緊環(huán)高壓換熱器鎳基合金管束的研制                         更新時間：2009-07-01 14:38:36              

2、0;                                                 

3、0;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

4、112）與鎳基合金（Incoloy825）管子自 動鎢極氬弧焊，制定了相應(yīng)的焊接工藝，通過化學(xué)成分、金相組織及力學(xué)性能檢驗，證明了該焊接工藝完全滿足產(chǎn)品的焊接。    關(guān)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(shè)計院設(shè)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(huán) 高壓換熱器，其主殼體材

5、質(zhì)為2.25Cr- 1Mo，規(guī)格為1700×97/62×10864.5。 其U形換熱管材質(zhì)為SB163-UNSNO8825 （Incoloy825），管板為2.25Cr-1Mo堆焊 鎳基合金（Inconel625或112），整臺 設(shè)備重達(dá)156.559噸。    這是我公司首次在換熱器生產(chǎn)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(zhì)還有熱 腐蝕作用等工況條件十分苛刻的設(shè)備

6、, 它添加了適量銅、鉬和鈦等，有良好 的耐氧化物應(yīng)力腐蝕，對各種酸液均 有一定的耐蝕性，而ENiCrMo3堆焊層 由于Ni55%、Cr=22.023.0%、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(qiáng)度和很強(qiáng)的耐蝕能力，包括耐點蝕、縫隙腐蝕以及多種 酸性介質(zhì)中的應(yīng)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(chǎn)生熱裂紋， 如凝固裂紋、多邊化裂紋等，此外， 還易在弧坑處

7、產(chǎn)生火口裂紋，焊前應(yīng) 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(yīng) 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(chǎn)生。    鎳基合金液態(tài)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(chǎn)生。    1 鎳基合金焊接的主要問題&

8、#160;   1.1 熱裂紋的敏感性    1.2 氣 孔    1.3 焊接區(qū)的腐蝕傾向    由于敏化溫度區(qū)內(nèi)晶界易發(fā)生貧Cr、貧Mo現(xiàn)象，導(dǎo)致晶界腐蝕和應(yīng)力 腐蝕傾向發(fā)生。避免焊接區(qū)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

9、是按管、殼程壓 差設(shè)計的，其直徑大，為1738mm, 厚度=220mm；管板表面堆焊=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(nèi)有較成熟的技 術(shù)，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(chǎn)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(guī) 格的厚盲板按同心圓由內(nèi)向外依次堆 焊，因此堆焊4mm后

10、需要焊后熱處理, 采取相應(yīng)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(tuán)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(shù)條件未規(guī)定 具體試驗項目，我公司按照“JB4708- 2000”2 進(jìn)行了2.25Cr-1Mo堆焊E Ni- CrMo3的焊接工藝評定，見表1。    評定內(nèi)容包括如下檢測項目：  

11、0; 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(xué)成分見表2；    2.2 堆焊層表面PT，結(jié)合面UT；    2.3 熱處理：690×8小時；    2.4 化學(xué)成分：Cr、Ni、Fe、Ti、Nb、 Mo；    2.5 三區(qū)金相組織及硬度見表3；  &

12、#160;   2.6 側(cè)彎試件：D=4a，a=10mm，= 180°合格；    2.7 硫酸-硫酸銅法2件合格。     上述評定結(jié)果顯示熱影響區(qū)的硬 度值偏高。這是因為堆焊耐蝕材料時, 優(yōu)先考慮焊接材料的化學(xué)成分與耐蝕 材料相同，這樣會造成焊接材料的強(qiáng)度高于耐蝕材料。本設(shè)備堆焊 用的焊材ENiCrMo3（INCONEL 112），其化學(xué)成分與UNSNo8825 相匹配，但

13、是ENiCrMo3焊接熔 敷金屬的抗拉強(qiáng)度750MPa，這樣會導(dǎo)致堆焊時熱影響區(qū)硬度值偏高，若降低硬度，則相應(yīng)熔敷 金屬的抗拉強(qiáng)度也要降低，這樣堆焊 層的化學(xué)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(huán)高壓換熱器的換 熱管與管板采用強(qiáng)度焊貼脹的連接 方式，具體結(jié)構(gòu)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(chǎn)品，數(shù)量為1776根，換 熱管與管板之間的焊接方法采用自動

14、60;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(jìn)行著色探傷檢測，級合格。我公 司按照附錄B：鎳基合金冷換管束制 造技術(shù)條件3進(jìn)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(jié)果見表4。                    2.2

15、5Cr-1Mo、=40mm 堆焊鎳基合金INCONEL625或112；    Incoloy825，規(guī)格 為19×2，19×2.2；    INCONEL625，0.889 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

16、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(jié)果    3.1.4 焊接最大熱輸入量：    3.2 檢驗項目及結(jié)果    3.2.1

17、0;角焊縫H值    根據(jù)GB151附錄B4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H2.8mm, 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/T4334.1-20005屬于不需 做其它腐蝕實驗的范疇。    3.2.3 拉脫試驗    根據(jù)GB151表264換熱

18、管與管板連 接的許用拉脫力q=0.5tt=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(jié)束語    4.1 選擇合適的焊接方法：優(yōu)先選用 焊條電弧焊（SMAW）和氣體保護(hù)焊 （GTAW或GMAW），對于厚度較大 的板材也可采用埋弧焊（SAW）。    4.2 焊

19、件清理：焊件坡口兩側(cè)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(chǎn)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(yù)熱和熱處理：鎳基合金焊接時一般不需要預(yù)熱，當(dāng)母材溫度低于15 時，應(yīng)對坡口兩側(cè)250300mm區(qū)域內(nèi) 加熱至15-20，以免濕氣冷凝，導(dǎo)致氣孔產(chǎn)生，一般不推薦焊后熱處理。&