耐熱合金鋼管子-管板仰焊工藝研究及應用

鄭明濤

(哈電集團(秦皇島)重型裝備有限公司，河北秦皇島 066200)

0 引言

SA-213 T22(2.25Cr-1Mo)換熱管和SA-182 Grade F22 Class 1鍛件均屬于耐熱合金Cr-Mo鋼種，具備較高熱強性和耐持久能力[1]。Cr-Mo鋼在石油化工高溫高壓設備中具有較為廣泛的用途。部分熱交換器、廢熱爐等管殼式承壓設備也選用Cr-Mo鋼換熱管及管板作為換熱介質的承壓邊界，這類設備的管子與管板焊縫是設備制造的關鍵承壓焊縫[2-3]。

為某電廠制造的立式換熱蒸汽發生器，由于內部換熱構件長期在超過550 ℃的環境中運行，因此產品入口給水管板選用耐高溫低合金Cr-Mo 鋼SA-182 Grade F22 Class 1鍛件，換熱管選用尺寸為?19 mm×3 mm的耐高溫低合金Cr-Mo 鋼SA-213 T22材料。

依據耐熱合金鋼材料的焊接特點，該類材料在焊接過程中需要經歷較高溫度的預熱、后熱和焊后熱處理等工序；同時該產品結構復雜，只能采用立式裝焊結構，不同于以往的換熱類設備的焊接操作方式，管子-管板焊縫只能在仰焊位置實施焊接。因此，通過對耐熱合金管子-管板仰焊焊接工藝的研究，確定可靠的工藝參數和控制措施，確保產品的焊縫質量。

1 焊接工藝選擇

耐熱合金鋼SA-213 T22換熱管規格為?19 mm×3 mm，屬于厚壁小直徑換熱管，管板孔名義孔橋尺寸為8 mm。管子-管板焊縫在高溫高壓下運行，優先采用焊接加脹接的雙重工藝，即強度脹和密封焊的接頭形式[4]?？紤]到該立式換熱設備的設計原理和運行環境，尤其是管子-管板焊縫最小泄漏通道不小于2 mm的檢驗要求，工藝研究的管子-管板的接頭設計為管板開坡口、換熱管不開坡口的內縮式焊接坡口形式，其中內縮深度t為2～2.5 mm，管板側管孔坡口角度θ為45°±0.5°，如圖1所示。

圖1 管子-管板內縮式焊接坡口示意

為了獲得高質量的焊接接頭，采用多層多道的填絲焊接工藝。其中，填充焊絲選用化學成分及力學性能與SA-182 Grade F22 Class 1鍛件和SA-213 T22換熱管相同等級的ER90S-B3低合金鋼焊絲。

考慮到產品管板的特殊的立式組裝結構，管子-管板焊接在仰焊位置實施，焊接工藝優先選用線能量小、熱輸入集中的自動鎢極脈沖氬弧焊方法。

2 材料及工藝試驗

2.1 試驗材料

試驗選用?19 mm×3 mm的SA-213 T22換熱直管和厚度δ=50 mm的SA-182 Grade F22 Class 1鍛件。焊接材料選用ER90S-B3焊絲(?0.8 mm)。

換熱管、鍛件及焊接材料的化學成分分析結果分別如表1～3所示。

表1 SA-213 T22換熱管的化學成分復驗值

表2 SA-182 Grade F22 Class 1鍛件的化學成分復驗值

表3 ER90S-B3(HS10Cr2MoG) 焊絲的化學成分復驗值

采用深孔加工設備，對厚度為50 mm的SA-182 Grade F22 Class 1鍛件進行深孔加工，加工后管板孔橋尺寸為7.85～8 mm；將SA-213 T22換熱管直段，截取成每段長約100 mm的短管，去除換熱管短管端部及管端內外表面的氧化層，露出金屬光澤。裝配換熱管與管板，切除管端余量，對焊接接頭位置進行定位固定，加工如圖1所示的管端內縮式焊接坡口，按照ASME Ⅸ卷的相關要求進行管子-管板焊接試驗。

2.2 焊接工藝研究

耐熱Cr-Mo合金鋼管子-管板仰焊選用自動鎢極氬弧焊工藝，采用自動脈沖管子-管板自動氬弧焊接設備PS406焊接電源和TS2000焊接機頭。

如圖2所示，將焊接試件裝配在固定操作架上，使換熱短管軸線垂直于水平面，焊接位置處于仰焊位置。

圖2 自動鎢極氬弧焊管子-管板仰焊示意

不同于以往的管子-管板焊接位置，仰焊位置的自動鎢極氬弧焊工藝，焊接熔池受到重力的作用存在向下墜落的趨勢，不易選擇使熔池流動性更好的保護氣體。焊接試驗使用高純氬氣(Ar≥99.997%)。

對于仰焊自動鎢極氬弧焊，除了保護氣體對焊縫成形的影響以外，其他工藝參數對于焊縫的成形和根部熔合質量也有很大的影響。對于如脈沖焊接電流及時間、基值焊接電流及時間、焊接速度、送絲速度等主要的焊接工藝參數，需要針對材料的特性進行優化選擇和合理匹配，否則易造成焊縫凹陷、咬邊、夾渣、最小泄漏通道(焊喉)尺寸不足、根部未熔透等缺陷。

在焊接過程中，基值焊接電流和基值時間的合理匹配起到了維持電弧穩定燃燒的作用，與脈沖焊接電流相配合，有效地控制焊縫的成形，確保焊縫熔池緩慢冷卻，從而易于熔池中的氣孔溢出；脈沖焊接電流的大小和脈沖時間對焊縫的成型尺寸，尤其是管子-管板焊縫的根部熔深起到了主導作用[5-6]。為了得到滿足產品焊縫最小泄漏通道的最低要求(最小泄漏通道≥2 mm)，得到質量良好的管子-管板焊縫，優化的焊接工藝參數如表4所示，管子-管板焊縫如圖3所示。仰焊位置焊接時，由于焊縫熔覆過程中熔池流動趨勢一致的特點，焊接工藝參數可不采用分區設置。

表4 管子-管板仰焊自動鎢極氬弧焊工藝參數

圖3 管子-管板焊縫示意

管子-管板焊縫焊接結束后，需要對換熱管內壁進行液壓脹接和單根管氦檢漏試驗，因此對焊縫成形的內外徑尺寸的要求較為苛刻。工藝研究發現，除了與母材匹配的焊接材料、合理的焊接參數外，選擇合理的焊炬(鎢極)角度、焊炬(鎢極)旋轉直徑、鎢極定位的穩定可靠性、鎢極與管板、管壁及焊絲的幾何尺寸等也很重要。

對于換熱管壁厚度為3 mm的內縮式(45°×2 mm)管子-管板坡口，選擇如圖4所示的角度為-5°的焊炬，可使鎢極對準管子-管板的交界處，焊接時形成的熔池更好地保證了焊縫根部熔透；焊接時鎢極的對中稍偏向管板側，可以避免電弧直接作用于換熱管的管端內沿，減少熔池凝固時焊縫金屬流向換熱管內壁而造成液壓脹管器無法進入管孔、影響后續的脹管工序的情況。

圖4 管子-管板焊接用焊炬(角度-5°)

鎢極旋轉直徑對焊縫成形影響與焊炬角度類似，旋轉直徑小，管板側坡口邊緣易熔合不良，焊后管端焊縫內徑較小，影響后期脹管工作；旋轉直徑過大，引起換熱管內側熔合不良，焊縫外徑過大，減小焊縫剩余孔橋，制約氦檢漏檢查。經過反復驗證試驗，鎢極旋轉直徑為18.5～18.7 mm時，管子-管板焊縫成形良好，滿足產品設計和制造要求。

2.3 管子-管板焊縫無損檢測

管子-管板焊接結束后，對焊縫及焊縫四周進行了目視檢測、液體滲透檢測和射線透照檢測。

目視檢測按照ASME Ⅴ卷第9章和ASME Ⅲ卷的要求進行。目視檢測結果：焊縫整周成形均勻良好，顏色呈銀白或金黃色；焊縫及熱影響區域無裂紋、咬邊、氣孔等缺陷。液體滲透檢測按照ASME Ⅴ卷第6章和ASME Ⅲ卷的要求進行，其結果符合ASME Ⅸ卷QW-195.2中的相關合格標準，無超標的線性顯示和圓形顯示。射線透照檢測按照ASME Ⅴ卷第2章和ASME Ⅲ卷的要求進行，檢測結果：焊縫及熱影響區無裂紋、氣孔等缺陷。

2.4 焊接試件的熱處理

根據耐熱合金Cr-Mo鋼的材料特性，焊接結束后，焊縫及熱影響區內極易產生淬硬組織，焊縫易產生冷裂紋等焊接缺陷，因此在焊接工藝過程中，需要對預熱溫度、道間溫度和焊后熱處理等進行嚴格控制。

管子-管板仰焊工藝試驗時，預熱溫度控制在180～200 ℃，道間溫度控制在180～250 ℃，焊接中斷及結束不能立即進行焊后熱處理時，采用后熱處理，后熱溫度250～300 ℃，保溫時間不小于1 h。

按照ASME規范的相關材料分類標準，SA-213 T22換熱管和SA-182 Grade F22 Class 1鍛件均屬于P-No.5A類材料。按照ASME BPVC-Ⅲ 第一冊NB分卷相關要求，管子-管板焊縫焊接結束后進行了局部消應力熱處理，熱處理工藝曲線如圖5所示。

圖5 SA-182 Grade F22 Class 1鍛件與SA-213 T22換熱管管子-管板焊縫局部熱處理工藝曲線

考慮到管子-管板焊縫待焊位置的清潔度控制，為了避免火焰加熱造成碳化物等雜質，降低耐熱合金Cr-Mo鋼管子-管板焊縫根部產生缺陷的幾率，采用在管子-管板焊縫側鋪設紅外感應加熱裝置及保溫氈的工藝方式進行焊縫的預熱、后熱和局部消應力熱處理，如圖6所示。

圖6 管子-管板焊縫預熱、后熱及焊后熱處理現場

3 結果分析

管子-管板焊縫宏觀金相檢驗照片如圖7所示，采用OLYMPUS-GX71萬能金相顯微鏡(放大10倍)對焊縫和熱影響區進行宏觀檢查，結果顯示焊縫和熱影響區無裂紋、無氣孔。

圖7 管子-管板焊縫宏觀金相檢驗照片

通過金相檢測，對管子-管板焊縫最小泄漏通道(焊喉)尺寸進行測量，結果在2.2～3.2 mm之間，以2.6～2.8 mm居多，均滿足產品設計要求(≥2 mm)。

4 管子-管板焊縫質量影響因素

在產品制造和工藝應用階段，管子-管板焊縫質量除了受焊接工藝自身的影響以外，還受到其他因素的影響，如定位脹接參數的合理性、焊接區域的清潔度控制、焊接坡口加工尺寸精度等。

管子-管板焊接前，采用機械脹接方式對換熱管與管板管孔進行貼合定位，脹接參數將直接影響到焊縫根部質量。定位脹接參數應適宜，參數過小會引起焊縫根部出現裂紋或氣孔等焊接缺陷[7]；參數過大會造成管壁減薄量過大，影響根部焊道的尺寸，造成焊縫最小泄漏通道不滿足設計要求。

焊接過程中的清潔控制是減少焊接缺陷的必要手段。管子-管板焊縫的脹接及焊接前，要求對管板孔內壁、換熱管內外壁及焊接坡口周邊進行清理，保證無銹、油、氧化物等雜質，避免管子-管板焊縫根部和填充焊縫中出現裂紋或氣孔等缺陷(如圖8所示)。

圖8 清理不徹底造成的氣孔缺陷

管子-管板焊接坡口加工采用便攜式管端坡口加工設備。管端焊接坡口的加工質量同樣影響焊縫成形和焊縫內在質量，常見的焊接缺陷有坡口邊緣無法完全熔合，出現未熔合現象(見圖9)，無法滿足焊縫最小泄漏通道的設計要求，根部焊道熔合不良、裂紋等缺陷。

圖9 焊接坡口加工不同軸引起的坡口邊緣未熔合

5 結語

(1)選擇合理的焊接材料和工藝可以在仰焊位置實現耐熱合金鋼材料換熱管與管板之間的管子-管板焊接操作，并滿足焊縫成形和內在質量要求。

(2)對于小直徑厚壁低合金鋼換熱管的管子-管板焊接，可選用內縮式(45°×2 mm)接頭形式；在采用自動鎢極氬弧焊工藝時，可選擇角度為-5°的焊炬。

(3)耐熱合金鋼的管子-管板焊接應嚴格控制焊前定位脹接質量和焊接過程中的清潔度，避免出現焊接缺陷。

(4)耐熱合金鋼的管子-管板焊接應嚴格控制焊接過程中的預熱溫度、道間溫度、后熱處理等工藝。