大型低合金耐熱鋼12Cr2Mo1高壓水加熱器的制造

李淑花 顏立虎

摘 要：對大型低合金耐熱鋼12Cr2Mo1設備制造過程的描述。

關鍵詞：12Cr2Mo1材料；焊接；制造；檢驗

陽煤正元集團于2013年在滄州化工基地新建一化工廠，占地1300多畝，第一期年產60萬噸合成氨、80萬噸尿素，簡稱60-80項目，高壓水加熱器是此項目氨合成塔系統中的重要設備之一。屬Ⅲ類高溫、高壓設備，管程材料為12Cr2Mo1、14Cr1Mo，屬于低合金耐熱鋼，此種材料存在淬硬、再熱裂紋及回火脆性傾向，在正元塔器第一次使用，因此從原材料的采購到設備的制造等各個環節都特別重視，嚴格按照設計標準和技術協議執行，而且考慮到該設備材料的特殊性，對制造工藝，焊接、無損檢測、熱處理、機加工精度等做了全面的論證分析，作出了切實可行的制造工藝，從網上查閱大量有關低合金耐熱鋼焊接資料，并針對此臺設備厚度及本廠現有設備，制訂了產生應力小的小角度，窄焊縫的焊接工藝、因鍛件及封頭材料厚度大，射線機照不透，外協γ源，一是片子不清晰，二是外協費用高。考慮到目前我國探傷行業的發展，經與設計方協商，果斷采取了TOFD超聲檢測先進技術。

1 設備簡介

高壓水加熱器為臥式結構的高溫、高壓U型管式換熱器，管束級別為高級冷拔，設備直徑？準1800mm，總長度19190mm，總重210860㎏。高壓水加熱器的設計參數如表1所示。

2 材料的選擇

此設備管程介質合成氣的主要成分為H2和CO，具有氫腐蝕性，因此，選擇了抗氫腐蝕性好的珠光體耐熱鋼12Cr2Mo1作為管箱和換熱管的材料，該設備主要受壓元件材料見表2。

考慮到該設備的重要性，換熱管采用有質量保障的安徽天大無縫鋼管，經正火加回火處理，依據技術協議訂貨時對其化學成分進行嚴格控制。

為了防止12Cr2Mo1材料和焊縫金屬出現回火脆性，要求12Cr2Mo1材料和焊材化學成分配比均應符合J系數=（Si+Mn）×（P+Sn） ×104≤100和X系數=（10P+5Sb+4Sn+As）×10-2≤15PPM的要求，因此從原材料上就要求供應商控制P、Sb、Sn、As的含量，并進行到廠后復驗。

因管程的工作溫度高，為了防止管程主材長期在高溫下工作導致材料出現性能改變，因此要模擬進行設計溫度下的高溫拉伸試驗，其值符合技術協議要求。為了檢驗12Cr2Mo1Ⅳ回火脆性，對管程筒體和筒體端部做步冷試驗來進行驗證。

3 焊接

高壓水加熱器殼程共計為6節鍛件，材質為16MnⅣ，因本單位現有工藝評定已能覆蓋16MnⅣ之間的焊接，所以無需進行焊接工藝試驗及評定。而管程的材料為12Cr2Mo1，該材料我公司首次使用，因此必須進行焊接工藝試驗和評定。

依照NB/T47014、NB/T47015標準，參照《焊接手冊》的資料，我單位制定了相應的焊接工藝試驗方案，經多次試驗，最終確定了焊接工藝參數，在此焊接工藝參數基礎上確定焊接工藝評定，依據焊接工藝評定編制本產品焊接工藝規程。焊接工藝試驗及焊接工藝評定項目如表3所示。

表3 高壓水加熱器焊接工藝評定項目

同時對主要焊工進行培訓和考試，讓焊工熟悉該材料的焊接工藝參數，掌握操作技能，以確保產品的焊接質量。

4 殼程的制造

殼程厚度為150mm，有泰安市山口鍛壓有限公司鍛制，到廠復驗合格后根據焊接工藝規程按窄間隙焊縫單側2度開坡口。因管板12Cr2Mo1Ⅳ與殼體16MnⅣ焊接屬于異種鋼焊接，異種鋼接頭兩側母材不論化學成分還是力學性能都存在著較大差異，因此焊接時要比同種鋼之間焊接復雜，且接頭熔合區組織性能不穩定，后熱處理12Cr2Mo1Ⅳ與16MnⅣ溫度和保溫時間不同，焊接時一旦出現返修，12Cr2Mo1Ⅳ材質易出現裂紋，為了降低此類情況發生，將管板的對接處堆焊J507RH 10mm，堆焊完后粗車，進行超聲檢測，符合JB/T4730-2005 I級合格。超聲合格后按窄間隙焊縫單側2度車坡口，對坡口進行磁粉檢測，按JB/T4730-2005 I級合格。焊前預熱，預熱溫度不低于200℃，單側預熱寬度不低于300mm，殼體外面埋弧自動焊，背面清根打磨，使坡口處呈現金屬色，殼體內部自動焊蓋面。焊接過程中保證層間溫度，焊接完畢后立即進行局部消氫處理，溫度300～350℃，保溫時間1～2小時后緩慢冷卻。所有環縫焊接完畢后，先進行磁粉檢測，無表面缺陷后，進行100%TOFD超聲檢測，符合NB/T4703-2010中Ⅱ合格，因TOFD檢測有10mm的盲區，所以TOFD超聲檢測過的表面用雙晶探頭超聲檢測，無超標缺陷為合格。球形封頭與筒節的窄間隙坡口焊接方法同前，因此焊縫是殼程部分最后一道焊縫，由于筒節較長窄間隙自動焊的焊臂夠不到，所以筒體內部清根后手工焊蓋面。因球形封頭厚度120mm，殼程筒體厚度150mm，為了減小厚度差產生的應力將封頭側堆焊3*（150-120）mm長過渡。為了確保換熱管下料尺寸精確，應做好6節殼程筒體及管板環焊縫收縮量的記錄。

5 管程的制造

5.1 管箱的組對

管箱在組對時，由于材料有再熱裂紋傾向，因此不允許在坡口內進行點焊，必須采用筋板組對，用CM-A106N焊條先將筋板焊接在母材上，筋板應采用與母材材料相同的12Cr2Mo1，焊前將待焊區域預熱至200℃以上，在主體焊縫自動焊焊完一半后，去掉筋板，繼續焊接。去掉筋板后，打磨干凈焊疤，作磁粉探傷，如有裂紋缺陷，將其進行補焊直至檢驗合格。

5.2 管箱筒體與筒體端部的焊接

將管箱與筒體端部組對好，選用的焊接材料見表3。焊前將其預熱至200℃以上，在焊接過程中，層間溫度不低于250℃，焊后進行消氫處理，當管箱接管焊接完成后，管箱整體消應熱處理。

5.3 管板的加工

由于管板厚度為585mm，必須用深孔鉆鉆，我單位不具備深孔鉆，因此外協給無錫宏達加工，我方派檢驗人員現場檢驗。嚴格檢驗各孔加工尺寸，并對超過偏差的尺寸做好標記和記錄。管板坡口回廠加工。

5.4 a管管口焊接

a管為12Cr2Mo1Ⅳ鍛件，密封環為InconeL600材質，為了減小不同材質焊接造成的力學性能等的影響及增強不同材質之間的焊接性能將a管管口堆焊10mm厚的Eni6182？準4.0焊層，堆焊完后做消氫熱處理，熱處理后粗車堆焊層做超聲檢測，堆焊層合格后精車，同時按窄間隙單側2度車坡口，坡口處做滲透檢測，因a管直徑大與管箱焊接的融合量大，導致變形大，所以坡口檢驗合格后接管先與管箱焊接，管箱上所有接管焊接完畢后，整個管箱做消應熱處理，熱處理完成后a口接管與密封環焊接，因為12Cr2Mo1Ⅳ材質焊接有熱裂傾向，假如密封環直接與a管焊接需作焊后熱處理，焊堆焊層后再與密封環焊接不用作焊后局部熱處理，只隨設備做整體熱處理即可。此工藝的優點避免局部熱處理不當帶來的一系列問題。

5.5 脹管

為了保證該設備脹管的質量，制作3個模擬脹管試樣，詳細記錄模擬脹管過程數據，將試樣剖開，取脹管質量最好，以此數據脹接該設備換熱管。

脹管采用液壓脹管，嚴格按照模擬脹管試樣數據執行，不得出現漏脹等現象。

5.6 設備的消應熱處理

消應熱處理對低合金耐熱鋼是非常重要的，熱處理的溫度為700±20℃，保溫6小時。熱處理完成后，對焊縫、熱影響區、母材分別測試其硬度值，硬度值均應在合格范圍內，本設備熱處理后所有焊接接頭應再次進行100%磁粉檢測，符合JB/T4730-2005規定中的I級合格。

6 檢驗

殼程和管程所有的AB類焊縫焊接完成后均進行100%TOFD檢測，按NB/T4703-2010中Ⅱ合格；小于250的接管對接焊縫100%磁粉探傷，按JB/T4730-2005 I級合格，換熱管與管板D類焊縫進行100%磁粉檢測。

設備試壓分兩步進行，第一步殼程進行30.3MPa水壓試驗，試驗合格后，組裝管箱，完畢后，對管程進行27MPa水壓試驗。

水壓試驗合格后，所有受壓焊縫作100%磁粉檢測。

12Cr2Mo1所有經火焰切割后的坡口均進行100%磁粉探傷，按JB/T4730-2005I級合格。

7 結束語

7.1 材料的訂貨技術條件和驗收復驗

原材料的質量是壓力容器制造能否成功的關鍵，因此必須引起各方面重視，嚴格按照圖紙及技術協議的要求訂貨，并進行入廠檢驗，不合格的材料不得流到下一工序。

7.2 制造方案論證及技術交底

由于材料的特殊性和設備的重要性，在設備制作前應編制總體制作方案，并通知各層技術人員及采購人員。

7.3 質量檢驗控制

（1）編制高壓水加熱器質量檢驗計劃和質量控制流程圖，確定其制造的停止點、控制點和見證點，并做好相關記錄。（2）嚴格控制鋼板及鍛件坡口的加工，按圖紙和工藝要求進行。（3）焊接是壓力容器制造過程中的1個重要控制環節，焊接工藝評定是重中之重，焊接責任師應跟蹤產品的焊接情況。（4）熱處理工藝必須在試驗合格后才能用在產品上。（5）檢驗必須嚴格按照圖紙和工藝的要求進行，嚴格按照標準執行。

作者簡介：李淑花：1993年畢業于河北農業大學，工程師。

顏立虎：2002年畢業于張家口職業技術學院。