高壓空冷器碳鋼管板帶極堆焊Inconel625合金層性能

滕 敏，楊鳳明，劉 宏

(哈爾濱空調股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078)

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高壓空冷器碳鋼管板帶極堆焊Inconel625合金層性能

滕 敏，楊鳳明，劉 宏

(哈爾濱空調股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078)

采用帶極埋弧堆焊技術在Q345R(HIC)板材表面堆焊Inconel625鎳基高溫合金層。對堆焊層的力學性能、抗腐蝕性能進行了測試，結果表明：Inconel625堆焊合金層與基材焊接熔合質量好，結合強度高；經過消氫熱處理后，堆焊合金材料的抗腐蝕性能沒有降低。此項研究可保證高壓空冷器具有優良抗腐蝕性能，同時大幅降低設備投資，為國內新型加氫裂化裝置高壓空冷器研制提供了方法和經驗。

加氫裂化裝置 高壓空冷器 帶極堆焊 Inconel625

隨著國內煉油廠加工高硫、高酸及高氮原料油越來越多和環境保護對油品質量要求越來越嚴格，加氫裂化等油品深加工裝置的規模和數量在國內石油化工企業中都有了很大發展。熱高分氣空氣冷卻器(以下簡稱空冷器)作為加氫裂化裝置中必不可少的關鍵設備之一，常常在裝置生產過程中因腐蝕而泄漏，影響裝置安全穩定運行[1-4]。

碳鋼材質空冷器投資少，但耐腐蝕性差，裝置服役周期短且安全性低。Incoloy825合金材質空冷器耐腐蝕性能優異[5-6]，但其價格昂貴，裝置制造成本巨大，同時其加工制造難度也較大，這些因素限制了Incoloy825合金在加氫裂化空冷器上的使用和推廣。因此，在不大幅增加制造成本的前提下，如何提高高壓空冷器安全性，延長裝置服役周期是加氫裂化裝置空冷器制造技術研究的新方向[7]。

在碳鋼管板表面堆焊一層鎳基高溫合金，與Incoloy825合金換熱管焊接配合，可極大提高空冷器管板接頭的抗腐蝕性能。由于管箱的絲堵板、蓋板、堵板及加強板等部件依然采用碳鋼材質，空冷器的制造成本并沒有大幅增加。

帶極堆焊技術常用在石油化工行業加氫反應器、合成塔、煤液化反應器及核電站的厚壁壓力容器等設備內表面堆焊[8-9]，在高壓空冷器管板上采用大面積自動堆焊技術在國內尚無報道，需要進行大量試驗探索工作，為新型加氫裂化裝置空冷器研制提供技術支撐。

1 高壓空冷器簡介

1.1 主要參數及材質

空冷器設計壓力為17.5 MPa，操作壓力為15.9 MPa；設計溫度275 ℃，操作溫度(進口/出口)137 ℃/50 ℃；介質為高熱分氣(含油氣、H2，H2S和H2O)。

管箱材料為Q345R(HIC)板材；換熱管材質為UNS N08825；管板為Q345R(HIC)帶極堆焊Inconel625高溫合金。

1.2 管板堆焊層尺寸

根據管箱圖紙設計要求，管板尺寸為2 700 mm×226 mm×54 mm，管板堆焊層共兩層兩道，尺寸為寬116 mm，厚度7 mm。

2 管板帶極堆焊工藝

2.1 焊接設備與焊材

為保證項目順利實施，避免焊接設備不穩定影響焊接質量，專門購置了國際上領先的堆焊設備：進口原裝林肯焊接電源，進口原裝蘇德凱焊接機頭。

焊材質量優良、匹配恰當是保證堆焊層質量和性能的前提。堆焊使用的焊帶與焊劑均為Soudokay公司所生產，焊帶為SOUDOTAPE625(EQNiCrMo-3)，規格為0.5 mm×60 mm，焊劑代號為NEF 201。以上選用的焊材均滿足ASME相關規范要求。表1與表2分別為焊帶與焊劑的化學成分。

表1 焊帶化學成分 w,%

表2 焊劑化學成分 w,%

2.2 堆焊工藝參數

在產品正式堆焊之前，先用試板進行帶極堆焊試驗及評定，試板模擬產品進行焊后熱處理，然后進行各項性能試驗和腐蝕試驗。

埋弧方法堆焊鎳基高溫合金工藝相關研究報道較少[10]，在進行了大量堆焊試驗及堆焊層性能檢測的情況下，通過對焊接電流、電壓及堆焊速度等堆焊工藝參數比對優化，最終得出了一組最佳工藝參數，制造出了合格的堆焊管板。表3為帶極堆焊Inconel625的工藝參數。

表3 Inconel625合金帶極堆焊工藝參數

2.3 試板堆焊

圖1為厚度30 mm的Q345R(HIC)鋼板表面帶極堆焊厚度6 mm的Inconel625試板。圖2為Inconel625合金堆焊層(兩層兩道)。由圖2可以看出，堆焊層成形良好，厚度均勻,表面平整、光滑，兩相鄰焊道之間的凹下量不大于1 mm。

圖1 試板帶極堆焊

圖2 Inconel625合金堆焊層

3 堆焊層試驗評定

合金堆焊層質量好壞直接影響到產品在實際工作環境中的性能及合金堆焊層與基體金屬的結合強度。合金堆焊層的抗腐蝕性能是決定產品整體性能的重要指標。

試板堆焊完成后，按照相關技術要求，選取試樣進行了堆焊層力學性能、抗腐蝕性能等試驗。

3.1 力學性能試驗

試板堆焊后取樣，進行了橫向、縱向側彎試驗。取厚度10 mm試樣和厚度3 mm試樣各4件,彎曲后試樣照片見圖3。由圖3可知，彎曲角度達到180°，所有試樣堆焊層和熔合線上均未發現開裂，可見堆焊層金屬與基材融合良好，結合牢固。

同時，對堆焊層表層、第一層堆焊層、基層母材和堆焊層側面分別進行硬度檢驗。表4為材料表面硬度測試結果，其硬度全部符合技術條件要求。

圖3 彎曲試驗后試樣

試驗位置硬度值/HV測點1測點2表層216227第一層206201基層168168堆焊層側面1219227堆焊層側面2219233

3.2 化學成分分析及金相試驗

按照GB/T 223《鋼鐵及合金化學分析方法》對堆焊試樣進行了化學分析，結果見表5。由表5可以看出，堆焊層化學成分滿足相關技術條件要求。金相分析結果顯示，堆焊層未發現裂紋、氣孔、夾雜及弧坑等缺陷。圖4為金相試樣橫截面宏觀照片。由圖4可知，堆焊層與基材熔合情況良好，堆焊層厚度均勻。

表5 試樣化學分析結果 w,%

圖4 金相試樣橫截面

3.3 堆焊層腐蝕試驗

合金堆焊過程相當于金屬重熔，合金中的鎳與雜質元素易形成低熔點共晶物，此外熔融金屬的黏度比較大，在焊接過程中容易形成未熔合等焊接缺陷，這些都會對合金堆焊層的抗腐蝕性能造成不利影響。同時，加氫裂化裝置空冷器所接觸的介質腐蝕性較強，因此， Inconel625堆焊層的抗腐蝕性能是生產實際中關注的重點。

按照YB/T 5362—2006《不銹鋼在沸騰氯化鎂溶液中應力腐蝕試驗方法》進行了氯化物應力腐蝕試驗。將堆焊層表面磨平、取樣，試樣尺寸為2 mm×3 mm×30 mm。試樣加載應力243 MPa，經96 h應力腐蝕試驗，檢查試樣均未發現裂紋，試樣耐應力腐蝕性能合格。

按照標準ASTM A262 C法對兩組試樣進行了5個周期晶間腐蝕試驗。結果表明，試樣平均腐蝕速率分別為0.051 mm/月和0.054 mm/月，遠遠小于相關技術條件要求的腐蝕速率值(0.075 mm/月),可以滿足實際生產需要。

4 產品管板帶極堆焊

經過試板堆焊試驗并檢驗合格后，進行產品管板堆焊。產品管板Inconel625合金堆焊層為兩層兩道，厚度約6 mm,寬度約116 mm，見圖5。

圖5 產品管板堆焊層

管板堆焊的主要流程為：管板焊前清理(噴砂)、管板劃線、焊前預熱、堆焊第一層、焊后消氫處理、堆焊第二層、焊后熱處理、按圖加工堆焊層和無損探傷等。

圖6是經過機械加工后的合金堆焊層照片，堆焊層按照國內相關標準要求進行100%超聲檢測合格，達到設計要求。堆焊后管板的外形尺寸、平整度及堆焊層厚度均滿足產品要求。

圖6 機械加工后產品管板堆焊層

5 結 論

(1)通過優化焊接工藝，首次在高壓空冷器碳鋼管板上實現大面積帶極埋弧堆焊技術，成功堆焊Inconel625鎳基高溫合金層。

(2)堆焊合金層表面光滑平整，厚度均勻；與基材結合強度高;其抗腐蝕性能達到標準要求。

(3)堆焊Inconel625鎳基高溫合金的碳鋼管板能夠滿足實際產品的制造要求，為國內新型加氫裂化裝置高壓空冷器制造提供了方法和經驗。

[1] 郭其新，莫少明，卞玉峰，等.重油加氫裝置高壓空冷器管束的腐蝕與防護[J].石油化工腐蝕與防護，2002,19(6):14-16.

[2] 章炳華，陳江，譚金龍.加氫裂化高壓空冷器腐蝕分析與防護[J].揚子石油化工，2007,22(1)：9-11.

[3] 吳麗娜，靳鈞.加氫裂化裝置高壓空冷器的腐蝕及防護[J].石油煉制與化工，2007,38(2):69-70.

[4] 孫毅，張小莉，董建偉.加氫裂化高壓空冷器的防腐分析與措施[J].石油煉制與化工，2009,40(6):65-69.

[5] 馮勇，羅春東.Incoloy825材料在加氫裂化裝置高壓空冷器上的應用[J].煉油技術與工程,2006,36(5):24-26.

[6] 李春蘭，王增新，陸建英,等.Incoloy825材質高壓空冷器制造[J].石油化工設備，2010,39(1):60-63.

[7] 李春蘭.管板堆焊Inconel625合金材料高壓空冷器研制[J].化工機械，2013,40(5):672-675.

[8] 李雙燕.核電設備中鎳基合金帶極電渣堆焊[J].壓力容器，2011,28(3):33-37.

[9] 羅成.核電蒸汽發生器管板鎳基合金雙熱絲鎢極氬弧焊堆焊技術[J].壓力容器，2012,29(7):61-65.

[10]王莉，徐祥久，王舒偉，等.AP1000非能動余熱排出熱交換器管板堆焊技術[J].壓力容器，2016,33(1):74-78.

(編輯 王維宗)

Performance of Inconel625 Alloy Deposited on Carbon Steel Tubesheet of High Pressure Air Cooler Using Strip Surfacing Method

TengMin,YangFengming,LiuHong

(HarbinAirConditioningCo.,Ltd.,Harbin150078,China)

Nickel-base super alloy Inconel625 was deposited on the surface of carbon steel Q345R (HIC) using strip surfacing method. The mechanical and corrosion resistant performance of deposited layer was investigated. The results showed that the bond strength between layer and base metal was high. The corrosion resistant property of layer was not decreased after hydrogen elimination heat treatment. With the strip surfacing technology, corrosion resistant of high pressure air cooler could be enhanced, at the same time, the cost of air cooler could be reduced greatly, which could provide valuable experience for the manufacture of high pressure air cooler in hydrogenation unit.

hydrogenation cracking unit, high pressure air cooler, strip surfacing, Inconel625

2017-01-05；修改稿收到日期：2017-03-09。

滕敏(1972—)，高級工程師，主要從事石化空冷器制造工藝工作。E-mail:smart_teng@126.com