SA213 T22換熱管與12Cr2Mo1管板焊接工藝

(大慶市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究所，黑龍江 大慶 163311)

0 引 言

制造一臺(tái)國(guó)產(chǎn)化10萬(wàn)t/a苯乙烯裝置高壓蒸汽發(fā)生器。殼程操作介質(zhì)為鍋爐水∕高壓蒸汽，管程操作介質(zhì)反應(yīng)器出料物；殼程最大工作壓力3.78 MPa，管程最大工作壓力為0.068 8 MPa；殼程工作溫度248.2∕248.6 ℃，管程工作溫度405.3∕299.9 ℃；殼程腐蝕裕量為 mm，管程腐蝕裕量為3 mm此設(shè)備為10萬(wàn)t/a苯乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備，也是國(guó)產(chǎn)化設(shè)備進(jìn)程中攻關(guān)的設(shè)備之一，此設(shè)備屬于高溫，高壓，而且由于介質(zhì)原因，此設(shè)備腐蝕比較嚴(yán)重，尤其是管頭部位應(yīng)力腐蝕易導(dǎo)致?lián)Q熱器與管板焊縫開(kāi)裂，為了解決上述嚴(yán)重問(wèn)題并考慮經(jīng)濟(jì)合理性，設(shè)計(jì)時(shí)管板材料采用12Cr2Mo1 IV，換熱器材料選用SA213 T22，文中介紹了對(duì)換熱器管與管板進(jìn)行的焊接工藝試驗(yàn)，旨在形成具有工程應(yīng)用價(jià)值的焊接工藝，編制出適用于生產(chǎn)焊接的焊接工藝，最終形成適用于生產(chǎn)焊接的工藝參數(shù)。

1 SA213 T22換熱管與12Cr2Mo1管板的成分特點(diǎn)[1,3]

T22(12Cr2MoG)與12Cr2Mo1鋼的合金元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%～5%之間，屬于低合金耐熱鋼，SA213 T22化學(xué)成分見(jiàn)表1和力學(xué)性能見(jiàn)表2，12Cr2Mo1化學(xué)成分見(jiàn)表3和力學(xué)性能見(jiàn)表4。在高溫高壓蒸汽/鍋爐水的運(yùn)行條件下允許最高工作溫度達(dá)570 ℃，材質(zhì)完全滿(mǎn)足高壓蒸汽發(fā)生器(TT—2203)裝置運(yùn)行要求。

表1 12Cr2MoG(T22)換熱管入廠檢驗(yàn)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 12Cr2MoG(T22) 換熱管入廠檢驗(yàn)的力學(xué)性能

表3 12Cr2Mo1鍛件 %

表4 12Cr2Mo1鍛件的常溫和高溫力學(xué)性能

合金元素Cr能形成致密的氧化膜，提高鋼的抗氧化性能，而鋼的抗蠕變強(qiáng)度則隨Cr含量的增加而降低。Mo是耐熱鋼中的強(qiáng)化元素，形成碳化物的能力比Cr弱，優(yōu)先溶入固溶體，強(qiáng)化固溶體。Mo的熔點(diǎn)高達(dá)2625 ℃，固溶后可提高鋼的再結(jié)晶溫度，并有效地提高鋼的高溫強(qiáng)度和抗蠕變能力。

2 T22(12Cr2MoG)與12Cr2Mo1鋼的性能特點(diǎn)

SA213 T22與12Cr2Mo1鋼是一種貝氏體型的低合金耐熱鋼，采用了固溶強(qiáng)化、穩(wěn)定碳化物相、晶界強(qiáng)化多種強(qiáng)化等手段，使鋼具有高的熱強(qiáng)性。經(jīng)正火加回火處理后的組織為貝氏體，具有良好的綜合力學(xué)性能、工藝性能和相當(dāng)高的持久強(qiáng)度，抗氧化性能較好，組織穩(wěn)定性好。焊接中存在的主要問(wèn)題是冷裂紋，熱影響區(qū)的硬化、軟化，以及焊后熱處理或高溫長(zhǎng)期使用中的消除應(yīng)力裂紋(SR裂紋)。如果焊接材料選擇不當(dāng)。焊縫中還有可能產(chǎn)生熱裂紋。

3 T22(12Cr2MoG)換熱管與12Cr2Mo1管板焊接性分析[1,3]

換熱管、管板材料均屬于低合金耐熱鋼，低合金耐熱鋼的焊接具有以下特點(diǎn)：首先這些鋼按其合金含量具有不同程度的淬硬傾向。在焊接熱循環(huán)決定的冷卻速度下，焊縫金屬和熱影響區(qū)內(nèi)可能形成對(duì)冷裂紋敏感的顯微組織；其次，耐熱鋼中含有Cr、Mo、V、Nb和Ti等強(qiáng)碳化物形成元素，從而使接頭的過(guò)熱區(qū)具有不同程度的再熱裂紋(亦稱(chēng)消除應(yīng)力裂紋)敏感性。最后，耐熱鋼的焊接接頭，當(dāng)有害的殘余元素總量超過(guò)容許極限時(shí)會(huì)出現(xiàn)回火脆性或長(zhǎng)時(shí)脆變。

3.1 熱影響區(qū)硬化傾向及冷裂紋的產(chǎn)生

鋼的淬硬性取決于它的碳含量，合金成分及其含量。低合金耐熱鋼中的主要合金元素Cr和Mo等都能顯著地提高鋼的淬硬性。其作用機(jī)理是延遲了鋼在冷卻過(guò)程中的轉(zhuǎn)變，提高了過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性。對(duì)于成分一定的合金鋼，最高淬硬性則取決于從奧氏體的冷卻速度。在焊接熱輸入過(guò)小時(shí)，熱影響區(qū)易出現(xiàn)淬硬組織；熱影響區(qū)晶粒明顯粗化。

淬硬性大的12Cr2MoG與12Cr2Mo1鋼焊接中可能出現(xiàn)冷裂紋，裂紋傾向一般隨著鋼中Cr、Mo含量的提高而增大。實(shí)際焊接生產(chǎn)中，正確選定預(yù)熱溫度和焊后回火溫度對(duì)防止冷裂紋是非常重要的。

3.2 再熱裂紋傾向分析

12Cr2MoG與12Cr2Mo1鋼焊接接頭的再熱裂紋(亦稱(chēng)消除應(yīng)力裂紋)主要取決于鋼中碳化物形成元素的特性及其含量以及焊接熱規(guī)范。通常以PSR裂紋指數(shù)粗略地表征一種鋼的再熱裂紋敏感性。

PSR可取鋼的實(shí)際合金成分含量按下式計(jì)算：

PSR=W(Cr)+W(Cu)+2W(Mo)+10W(V)+7W(Nb)+5W(Ti)-2

當(dāng)PSR≥0時(shí)，則就有可能產(chǎn)生再熱裂紋。但在實(shí)際的結(jié)構(gòu)中再熱裂紋的形成還與焊接熱規(guī)范，接頭的拘束應(yīng)力以及熱處理的制度有關(guān)。經(jīng)計(jì)算，12Cr2MoG與12Cr2Mo1鋼P(yáng)SR≥0，因此，其具有較大的再熱裂紋敏感性，需要采取一定的措施來(lái)防止再熱裂紋。

主要措施有：

(1)嚴(yán)格控制母材和焊材中加劇再熱裂紋的合金成分，應(yīng)在保證鋼材熱強(qiáng)性的前提下，將V、Ti、Nb等合金元素的含量控制在最低的允許范圍內(nèi)。

(2)選用高溫塑性?xún)?yōu)于母材的焊接填充材料。

(3)適當(dāng)提高預(yù)熱溫度和層間溫度。

(4)采用低熱輸入焊接方法和工藝，以縮小焊接接頭過(guò)熱區(qū)的寬度，限制晶粒長(zhǎng)大。

(5)選擇合理的熱處理規(guī)范，盡量縮短在敏感溫度區(qū)間的保溫時(shí)間。

(6)合理設(shè)計(jì)接頭的形式，降低接頭的拘束度。

3.3 回火脆性(長(zhǎng)時(shí)脆變)分析

鋼及焊接接頭在370～565 ℃溫度區(qū)間長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生漸變的脆變現(xiàn)象稱(chēng)為回火脆性或長(zhǎng)時(shí)脆變。產(chǎn)生這種脆變的主要原因是由于在回火溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期加熱后，鋼中的微量元素P、As、Sb和Sn沿晶界的擴(kuò)散偏析而引起的晶界脆化。其綜合影響可以脆變指數(shù)X來(lái)表征。對(duì)于焊縫金屬，可按下式計(jì)算：

X=(10P+5Sb+4Sn+ As)/100(×10-6)

式中：X指數(shù)不應(yīng)超過(guò)20(式中均為元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

對(duì)于母材還應(yīng)考慮Si、Mn等元素的影響，并引用J指數(shù)評(píng)定鋼材的回火脆性。

J=(Mn+Si)×(P+Sn)×104

式中：J指數(shù)超過(guò)150，則說(shuō)明該種鋼具有明顯的回火脆性。

經(jīng)計(jì)算，12Cr2MoG與12Cr2Mo1耐熱鋼的X﹥20，J﹥150，則說(shuō)明該種鋼具有明顯的回火脆性。為減少該鋼的焊縫金屬回火脆性?xún)A向，其中最有效的措施是降低焊縫金屬中的O 、Si、和P的含量。

4 焊接工藝試驗(yàn)

12Cr2Mo1管板與12Cr2MoG換熱管的焊接工藝試驗(yàn)包括焊接方法的選擇、焊接材料的選用、焊前準(zhǔn)備、焊前預(yù)熱和焊后熱處理以及焊接工藝參數(shù)的選定。

4.1 焊接方法[2]

烏極氬弧焊具有熱量集中，保護(hù)效果好，熔池體積易于控制以及焊接和近縫區(qū)均不易過(guò)熱，可有效地防止熱裂紋和滲透裂紋的特點(diǎn)。因此，試驗(yàn)12Cr2Mo1Ⅳ管板與12Cr2MoG換熱管之間采用烏極氬弧焊方法。

4.2 焊接設(shè)備及焊接材料的選擇

試驗(yàn)管對(duì)管板焊接時(shí)采用的設(shè)備是逆變式WS-400手工TIG焊機(jī)。

焊接材料的選配原則是焊縫金屬的合金成分與強(qiáng)度性能基本符合母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值或應(yīng)達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的最低性能標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)換熱管與管板的化學(xué)成分及力學(xué)性能，考慮母材與焊材的匹配，選用焊絲為ER90S-B3，規(guī)格為Ф2.5x1 000 mm。該焊絲的熔敷金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表5和表6。

表5 ER90S-B3化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表6 ER90S-B3力學(xué)性能

4.3 焊接工藝參數(shù)的確定[4-5]

4.3.1 焊接電流

為了獲得優(yōu)良的力學(xué)性能，根據(jù)管板孔的坡口形式，管對(duì)管板手工TIG焊采用4層的焊接方式，第一層采用自熔TIG焊，焊接電流控制在90～100 A,2～4層采用續(xù)絲TIG焊, 焊接電流控制在100～110 A。電源極性為直流正接。

4.3.2 電弧電壓

確定電弧電壓實(shí)際就是控制電弧的長(zhǎng)度，由于氬弧焊機(jī)沒(méi)有電壓控制鈕，應(yīng)盡量使電弧短一些，電弧電壓控制在10～12 V。

4.3.3 焊接速度

焊接速度影響焊接熱輸入，也影響熔深與熔寬。通常根據(jù)母材厚度來(lái)選擇焊接速度，管對(duì)管板的焊接，以換熱管的壁厚為準(zhǔn)，試驗(yàn)用換熱管厚度為2.77 mm，所以焊接速度為10～12 m/h。

4.3.4 噴嘴孔徑及保護(hù)氣流量的確定

采用純度為99.97%的Ar氣作為保護(hù)氣體，噴嘴孔徑以及Ar氣流量通常根據(jù)電流的種類(lèi)和大小、極性來(lái)選擇，見(jiàn)表7。

表7 焊接電流、極性與氣體流量的關(guān)系

4.3.5 經(jīng)過(guò)焊接工藝評(píng)定和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用確定出的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表8。

表8 焊接工藝參數(shù)

5 焊接及檢測(cè)過(guò)程[3]

5.1 焊前準(zhǔn)備

用不銹鋼絲刷將待焊管頭部位的表面及附近清理干凈至出現(xiàn)金屬光澤，然后用丙酮液清洗干凈，確保管頭焊接部位無(wú)油污、雜質(zhì)。換熱管與管板焊接接頭型式如圖1所示。

圖1 換熱管與管板焊接接頭型式

5.2 焊前預(yù)熱

焊接前須進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱采用履帶式電熱帶在管板側(cè)面纏繞、正面擺放，側(cè)面、正面外側(cè)用陶纖氈包裹，預(yù)熱溫度200～250 ℃。焊接時(shí)用熱電偶配合手持式測(cè)溫儀測(cè)量管板正面預(yù)熱溫度，合格后方可焊接。

5.3 焊接操作要點(diǎn)

為了便于觀察熔池及填加焊絲，焊接時(shí)應(yīng)保證焊槍與管板的夾角為10°～20°，焊絲與換熱管的夾角70°～80°。第一遍自熔，2～4遍采用續(xù)絲焊接。第一遍焊接完畢質(zhì)檢員用放大鏡逐個(gè)管頭進(jìn)行檢查，合格后方可進(jìn)行以下遍數(shù)的施焊。

5.4 焊接檢驗(yàn)

(1)焊接完成后，按JB/T4730-2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》對(duì)焊接接頭進(jìn)行100%PT滲透檢測(cè)，管頭無(wú)熔損、氣孔、裂紋為Ⅰ級(jí)合格。

(2)焊接工藝評(píng)定用試件沿?fù)Q熱管中心線(xiàn)切開(kāi)2個(gè)焊接接頭，用10倍的放大鏡對(duì)其中4個(gè)剖面的8個(gè)觀察進(jìn)行宏觀檢查，一個(gè)取自焊接收弧部分剖面，管頭未發(fā)現(xiàn)熔傷、氣孔、裂紋和未熔合等缺陷。

(3)所有受檢查剖面角接接頭不小于6 mm。

5.5 焊后消除應(yīng)力熱處理

換熱管與管板的焊接合格后，采用履帶式電熱帶在管板側(cè)面纏繞、正面擺放，側(cè)面、正面外側(cè)用陶纖氈包裹對(duì)管板管頭焊縫熱處理，熱處理規(guī)范690 ℃±14 ℃，保溫2小時(shí)。

6 結(jié)束語(yǔ)

將根據(jù)上述焊接工藝評(píng)定所定的工藝規(guī)范應(yīng)用于冷換設(shè)備的管頭焊接，經(jīng)過(guò)耐壓試驗(yàn)和氣密性等檢查，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足要求，證明該工藝的可行性。該設(shè)備經(jīng)過(guò)裝置的投入使用，運(yùn)行平穩(wěn)，完全滿(mǎn)足使用要求。這個(gè)方法對(duì)同類(lèi)型、同鋼種壓力容器設(shè)備焊接具有重要的指導(dǎo)意義，且數(shù)據(jù)清晰，邏輯合理，方法可行有限。

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