鎳基合金在高壓換熱器制造中的應(yīng)用

逯來俊，楊 帆，王延平，林桂賢，李永紅，張建曉

(1.蘭州節(jié)能環(huán)保工程有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅火電工程公司，甘肅 蘭州730070；3.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730050)

鎳基合金在高壓換熱器制造中的應(yīng)用

逯來俊1，楊 帆2，王延平2，林桂賢3，李永紅3，張建曉3

(1.蘭州節(jié)能環(huán)保工程有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅火電工程公司，甘肅 蘭州730070；3.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730050)

在材質(zhì)為12Cr2Mo1R(H)Ⅳ鍛(低合金耐熱鋼)的管板上堆焊Inconel 625(單一的奧氏體組織)，金屬組織和化學(xué)成分不同，物理性能差別較大，同時(shí)低合金耐熱鋼中含有較多的Cr-Mo成分，空淬傾向大。為了消除焊接應(yīng)力，焊后必須進(jìn)行熱處理，但焊后熱處理會(huì)引起Inconel 625合金耐腐蝕性能的下降。正確選用焊接材料、嚴(yán)格控制焊接熱輸入量和制定合理的焊接工藝是鎳基耐蝕合金焊接的關(guān)鍵。通過焊接工藝試驗(yàn)、焊接工藝評(píng)定和產(chǎn)品的施焊證明，所選用的焊接方法、焊接材料、焊接工藝規(guī)范正確合理。

鎳基合金；焊接工藝評(píng)定；焊接材料；焊接工藝規(guī)范

0 前言

近年來，鎳基耐蝕合金在壓力容器及其相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，這緣于該種合金獨(dú)特的物理、力學(xué)和耐腐蝕性能，能夠解決一般不銹鋼和其他金屬、非金屬材料無法解決的工程腐蝕問題。隨著煉油裝置的大型化，煉油工藝不斷改進(jìn)，對(duì)設(shè)備的堆焊層耐蝕性能要求越來越高。Inconel 625屬Ni-Cr-Mo合金，由于含有較高的Cr和Mo，因此耐點(diǎn)腐蝕和耐縫隙腐蝕性能良好，既耐還原性介質(zhì)腐蝕又耐氧化性介質(zhì)腐蝕，同時(shí)也耐氧化-還原復(fù)合介質(zhì)，因此在煉油裝置中得到廣泛的應(yīng)用。

高壓換熱器是加氫裂化裝置除反應(yīng)器外的核心設(shè)備之一，由于螺紋鎖緊環(huán)式密封結(jié)構(gòu)換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、泄漏點(diǎn)少、密封可靠、占地面積小、節(jié)省材料；即使運(yùn)行過程中出現(xiàn)泄漏也不必停車，只需緊固內(nèi)、外圈頂緊螺栓即可達(dá)到密封要求。目前國內(nèi)外加氫裂化和重油加氫脫硫裝置中普遍采用此結(jié)構(gòu)換熱器。年產(chǎn)170×104t／a渣油加氫處理裝置中的熱高分氣／混合氫換熱器，管程設(shè)計(jì)溫度316℃，設(shè)計(jì)壓力16.07 MPa，換熱管材質(zhì)為UNS NO8825，規(guī)格φ 19 mm×2 mm；介質(zhì)易爆；管板材質(zhì)為12Cr2Mo1R (H)Ⅳ+堆焊625，管箱殼體材質(zhì)為12Cr2Mo1R(H)，設(shè)計(jì)溫度256℃，設(shè)計(jì)壓力19.43 MPa，介質(zhì)易爆，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

在材質(zhì)為12Cr2Mo1R(H)Ⅳ鍛(低合金耐熱鋼)的管板上堆焊Inconel 625(單一的奧氏體組織)，由于金屬組織和化學(xué)成分都不相同，物理性能差別較大，同時(shí)低合金耐熱鋼中含有較多的Cr-Mo成分，空淬傾向大。為了消除焊接應(yīng)力，焊后必須進(jìn)行熱處理，但焊后熱處理會(huì)降低Inconel 625合金的耐腐蝕性能，因此如何確定保證堆焊層質(zhì)量的合理的焊接工藝是關(guān)鍵。

圖1 高壓換熱器示意

1 鎳基合金的焊接特點(diǎn)

由于鎳基合金焊縫金屬組織為單一奧氏體組織，液態(tài)焊縫金屬流動(dòng)性差、熔深淺、焊接時(shí)易產(chǎn)生熱裂紋和氣孔，因此焊前應(yīng)徹底清洗工件和焊絲。

焊接時(shí)選用較小的熱輸入量，減少接頭高溫停留時(shí)間，對(duì)控制和減少熱裂紋、提高耐腐蝕性均有利；同時(shí)選擇合適的焊接速度，采用窄焊道、焊條電弧焊時(shí)，盡量采用短弧；層間溫度應(yīng)控制在100℃以下。

2 焊接工藝評(píng)定的制定[1-3]

結(jié)合鎳基合金的焊接特點(diǎn)和高壓換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，管板堆焊采用埋弧帶極堆焊(局部采用焊條電弧焊堆焊)，管板與換熱管的焊接采用自動(dòng)鎢極氬弧焊，并分別進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定。

2.1 管板埋弧帶極堆焊和焊條電弧焊堆焊工藝評(píng)定

鎳基合金的堆焊主要考慮堆焊層的厚度、化學(xué)成分、耐蝕性及其有關(guān)特性。要達(dá)到上述要求，需要控制的要素如圖2所示。

圖2 帶極堆焊質(zhì)量要素

由圖2可知，堆焊層厚度、成分和組織受幾種相互關(guān)聯(lián)因素的影響。經(jīng)多次焊接試驗(yàn)后，在厚度為δ＝60 mm的12Cr2Mo1R鋼上進(jìn)行了Inconel 625帶極堆焊工藝和焊條電弧焊堆焊評(píng)定，焊接材料及焊接工藝規(guī)范參數(shù)如表1所示，焊接過程及試驗(yàn)結(jié)果如下。

表1 焊接材料及焊接工藝規(guī)范參數(shù)

(1)在12Cr2Mo1R鋼上進(jìn)行Inconel 625帶極堆焊和焊條電弧焊堆焊。

12Cr2Mo1R試板表面100%磁粉(MT)檢測(cè)→預(yù)熱(預(yù)熱溫度T≥80℃)→堆焊過渡層(道間溫度T≤100℃)→后熱(250℃～300℃×2 h)→堆焊層100% (PT)檢查→690℃×12(PWHT)消除應(yīng)力處理→堆焊表層(道間溫度T≤100℃)→堆焊層100%著色(UT、PT)檢測(cè)。

(2)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)條件的要求，分別進(jìn)行了化學(xué)成分、耐蝕性、彎曲以及硬度的檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果結(jié)果分別如表2～表5所示。

表2 堆焊層化學(xué)成分%

表3 腐蝕試驗(yàn)

表4 堆焊層彎曲試驗(yàn)(焊條電弧焊堆焊、帶極堆焊)

表5 硬度測(cè)量HV10

表2～表5試驗(yàn)結(jié)果表明，堆焊層化學(xué)成分、堆焊層彎曲試驗(yàn)、硬度測(cè)量和腐蝕試驗(yàn)均滿足要求，證明所選用的焊接工藝以及焊接材料正確合理。

3 管板與換熱管的焊接采用自動(dòng)鎢極氬弧焊工藝評(píng)定[4-5]

采用堆焊合格的12Cr2Mo1R+Inconel625試板進(jìn)行了管板與換熱管的自動(dòng)鎢極氬弧焊工藝評(píng)定，焊絲選用ER NiCrMo-3，規(guī)格φ 0.8 mm，純Ar保護(hù)。并依據(jù)產(chǎn)品技術(shù)條件和GB151-1999《管殼式換熱器》附錄B的要求，分別進(jìn)行了硬度、耐蝕性檢測(cè)和拉脫力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足制造技術(shù)條件要求。

4 產(chǎn)品焊接

在工藝試驗(yàn)及工藝評(píng)定的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了管板的Inconel625的堆焊、管板與換熱管的自動(dòng)鎢極氬弧焊的焊接。實(shí)際表明，堆焊層與管接頭角焊縫成形美觀，無損檢測(cè)合格率高，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足要求。

5 結(jié)論

鎳基合金堆焊層的力學(xué)性能和耐蝕性取決于能否正確選用焊接材料、嚴(yán)格控制焊接熱輸入量以及制定合理的焊接工藝，通過焊接工藝試驗(yàn)、焊接工藝評(píng)定和產(chǎn)品的施焊證明，所選用的焊接方法、焊接材料、焊接工藝規(guī)范正確合理。

[1]余 勇，張 凱，王迎君.螺紋鎖緊環(huán)式換熱器的制造工藝[J].電焊機(jī)，2004，34(5)：16-22.

[2]張建曉，王國珍.制造加氫反應(yīng)器用Cr-Mo中溫抗氫鋼[J].電焊機(jī)，2007，37(8)：50-55.

[3]靳紅梅，任世宏.鎳基合金在異種鋼焊接中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2009，39(9)：148-150.

[4]胡義良，楊曉成.鎳基合金的窄間隙焊接工藝[J].電焊機(jī)，2008，38(3)：65-66.

[5]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)2-材料的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[6]崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

Application of Nickel-alloys on the high pressure heat exchanger

LU Lai-jun1，YANG Fan2，WANG Yan-ping2，LIN Gui-xian3，LI Yong-hong3，ZHANG Jian-xiao3
(1.Lanzhou Energy-saving and Environmental Protection Engineering Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，China；2.Gansu Thermal Power Engineering Corperation，Lanzhou 730070，China；3.Lanzhou Lanshi Heavy Equipment Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，China)

Overlaying nickel-alloys on the low alloy heat resistance steel tube sheets of the high pressure heat exchanger，because of the difference from metal microstructure，chemical composition and mechanical properties，It can cause many problems when overlaying.At the same time，to prevent causing cold cracks when overlaying Nickel-alloys on the low alloy heat resistance steel，It must be heat treated after overlaying to relief the stress，This can reduce the corrosion resistance property of the Nickel-alloys.So correctly chosen welding materials，strictly controlled welding heat input and reasonable welding procedure specifications are very important to the corrosion resistance property of the Nickel-alloys layer.The article gains a reasonable welding procedure and the matching welding materials are also determined on overlaying Nickel-alloy on the low alloy heat resistance steel side by experiments.

Nickel-alloys；WPS；welding materials；welding procedure specification

TG457.1

B

1001-2303(2011)12-0082-03

2011-11-04

逯來俊(1975—)，女，甘肅秦安人，工程師，主要從事壓力容器的制造工作。