N08825復合板換熱器制造工藝和焊接要點分析

耿亞鴿，白天祥，于成科

（1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院；2.中國石油天然氣第一建設有限公司，河南 鄭州 471000）

1 設備結構和基本參數

固溶強化鎳基合金（如N08825）具有良好的耐點腐蝕、縫隙腐蝕性能，在氧化和還原環境下都具有抗酸和堿金屬腐蝕性能，其高鎳成分使合金具有有效的抗應力腐蝕開裂性。在各種介質中的耐腐蝕性都很好，在油氣田開采工業中也得到了越來越多的應用。

國外某原油處理項目中用到一批導熱油-油換熱器，如圖1所示，設備總長度為14450mm，筒體內徑為1600mm，按照ASME規范進行設計和制造。殼程介質為導熱油，設計壓力1.6MPa，設計溫度255℃，主體材質為SA-516M Gr.415。管程介質為原油，設計壓力1.6MPa，設計溫度255℃，主體材質為SA-516MGr.415+UNS N08825，換熱管材質為SB-163M UNS N08825。

圖1 壓力容器示意圖

2 主要制造工藝

2.1 一般要求

制造中應避免材料表面的機械損傷，復合鋼板的耐蝕面不應采用硬印作為材料的確認標記。耐腐蝕表面的局部傷痕、刻槽等缺陷應予修磨。N08825復合板的切割和坡口加工應采用等離子、超高壓水切割及機械加工等方法。采用等離子切割時，復層放在下面，基層放在上面，切割從基層開始進行；采用機械法切割時，鋼板基層放在下面，復層放在上面，以避免復層損傷。如需采用熱切割時，切割邊緣和坡口仍應采用機械方法加工并去除污染層。

2.2 殼體

換熱器殼程介質為導熱油，殼體材質為SA-516M Gr.415，接管材質為SA-106 Gr.B，均為低碳鋼，相對來說比較容易焊接。在制造時主要是應保證筒體的圓度和直線度。另外需要注意，筒體內壁影響換熱管束穿入的焊縫余高均應打磨至與母材表面平齊。筒體上的接管、鞍座墊板等焊接時應采取防變形措施，不得影響管束的穿入。

2.3 管箱

換熱器管程介質為原油，前端管箱（與原油接觸）筒體、封頭和接管材質為SA-516M Gr.415+UNS N08825，管箱法蘭材質為SA266M Gr.2N+ENiCrMo-3堆焊，接管法蘭面采用SA-105N+ENiCrMo-3堆焊。管箱預制完成需進行焊后消除應力熱處理，所有焊接件應在熱處理前焊接完畢，熱處理后不得施焊。熱處理后需要對管箱法蘭及分程隔板的密封面進行二次加工。堆焊完成后對密封面和內壁堆焊層進行超聲檢測，超聲檢測合格后，除密封面外，法蘭其余部位再加工至規定尺寸。

后端管箱（與導熱油接觸）筒體、封頭和接管均采用低碳鋼，筒體和封頭材質為SA-516M Gr.415，接管材質為SA-106Gr.B。封頭采用整體熱沖壓成型。

2.4 浮頭蓋

浮頭蓋材質為SA-516M Gr.415+UNS N08825，浮頭法蘭采用SA-266M Gr.2N+ENiCrMo-3堆焊。浮頭蓋整體冷沖壓成型，成型后應進行100%超聲檢測，不允許有任何尺寸的剝離和材料分層。浮頭蓋應進行焊后熱處理，熱處理完成后，再將法蘭密封面機加工至規定尺寸，同時加工螺栓孔。

2.5 管板

管板材質為SA-266M Gr.2N+ENiCrMo-3堆焊，由于管板面積相對較大，制造時考慮采用帶極堆焊，密封面堆焊層厚度應滿足機加工余量要求。管板加工和堆焊的大致流程為：粗車→預變形（將管板的待堆焊面預變形成龜背狀）→堆焊過渡層（堆焊前進行100%磁粉檢測）→堆焊覆層（測量管板平面度）→加工、堆焊隔板槽（固定管板）→加工管板正面→加工管板背面→加工隔板槽（隔板槽略低于密封面）。

2.6 換熱管

換熱管材質為SB-163M UNS N08825，換熱管與管板的連接采用強度脹接+密封焊接。管板與換熱管接頭承受系統在運行中由于各種因素變化所產生的交變應力，需要確保換熱管管端的密封性，避免產生間隙腐蝕和振動疲勞破環，同時保證管板管箱側耐高溫性能。

在正式脹接前應進行試脹，以檢查脹管器的質量和管材的脹接性能。在試脹后，要對試樣進行比較性檢查，檢查脹口部分是否有裂紋、脹接過渡部分是否有劇烈變化、喇叭口根部與管孔壁的結合狀態是否良好等，然后檢查管孔壁與管子外壁的接觸表面的痕跡和嚙合狀況。

2.7 熱處理

根據設計文件的技術要求，換熱器的管箱和浮頭蓋需要進行熱處理，熱處理溫度為620±20℃，熱處理時間大約2.5h，焊后熱處理應在焊接工作全部完畢并經檢驗合格后，并且在壓力試驗之前進行。經焊后熱處理后，設備表面上不得再進行焊接。

2.8 耐壓試驗

在耐壓試驗前，應以0.4～0.5MPa的壓縮空氣，檢查開孔補強板以及鞍座墊板的焊接接頭質量。耐壓試驗采用水壓試驗，應采用無毒、無腐蝕的新鮮潔凈水，注意控制水中氯離子含量不超過20mg/L。試壓之后應將積液徹底排盡，并用干燥空氣將水漬清除干凈。

水壓試驗分三部分進行。一是管接頭試驗：組裝管束和殼體，利用試壓工裝，進行管接頭水壓試驗，檢查管接頭角焊縫有無滲漏。二是管程壓力試驗：裝配管箱、勾圈和浮頭蓋，進行管程壓力試驗，檢查焊縫及連接部位有無滲漏。三是殼程壓力試驗：全部組裝完成后，進行殼程壓力試驗，檢查焊縫及連接部位有無滲漏。

3 焊接技術要點

3.1 產品焊接試件

根據設計文件的要求，換熱器的管程應進行焊后熱處理，需要制備產品焊接試件。試件應取自合格的原材料，且與容器用材具有相同標準、相同牌號、相同厚度和相同熱處理狀態。試件應由施焊該容器的焊工，采用與施焊容器相同的條件、過程與焊接工藝施焊。試件的尺寸和試樣的截取和試驗按ASME Sec.Ⅸ的相關規定。

3.2 焊接工藝評定

該換熱器制造時涉及到的焊接對象有低碳鋼焊接接頭，鎳基復合板焊接接頭，管板、浮頭蓋、管箱法蘭等表面的耐蝕堆焊，接管法蘭面的耐蝕堆焊，管板和換熱管的密封焊角接接頭等。如果先不考慮母材和焊縫厚度覆蓋問題，至少需要制作如下幾個焊接工藝評定試驗：采用焊條電弧焊和埋弧自動焊的低碳鋼焊接工藝評定（可單獨評定，也可組合評定），采用焊條電弧焊、埋弧自動焊和鎢極氬弧焊的鎳基復合板焊接工藝評定（可單獨評定，也可組合評定），采用采用埋弧自動焊或電渣焊的鎳基合金堆焊工藝評定，采用焊條電弧焊的鎳基合金堆焊工藝評定，采用鎢極氬弧焊的管板與換熱管焊接工藝評定。

3.3 復合板焊接

復合板在下料前，應對覆層表面進行100%PT檢測，不得有結疤、裂紋、夾雜、折疊等缺陷。坡口預定線邊緣100mm范圍內，進行100%超聲檢測，質量水平不低于SA-265規定的1類，不允許有任何尺寸的剝離和材料分層。

復合板切割和坡口加工應采用等離子及機械加工方法。采用等離子切割時，復層放在下面，基層放在上面，切割從基層開始進行；采用機械法切割時，鋼板基層放在下面，復層放在上面，以避免復層損傷。采用熱切割時，切割邊緣和坡口仍應采用機械方法加工并去除污染層。制造中應避免材料表面的機械損傷，對耐腐蝕表面的局部傷痕、刻槽等缺陷應予修磨。

定位焊應在基層上進行，并采用與正式焊接相同的焊接材料及焊接工藝。焊接時，宜先焊基層，經清根及規定的質量檢驗項目檢驗合格后，再焊過渡層，最后焊復層。先焊基層時，其焊道根部或表面，應距復合界面1～2mm。焊接過渡層時，應采用較小直徑的焊條或焊絲及較小的焊接線能量，盡量減少母材中Fe對合金的稀釋。復層焊接時，應盡可能與復層表面保持平整、光順。對鎳基合金鋼，其道間溫度應不高于100℃，并盡可能采用較小的焊接線能量。焊接完成后，應清除表面的焊渣、焊瘤、飛濺及其他污物。

3.4 法蘭面耐蝕堆焊

為增加法蘭面的耐腐蝕性，應進行鎳基合金的耐蝕堆焊，在堆焊前應進行堆焊工藝評定，工藝評定項目均合格后，方可制定焊接工藝規程，進行施焊。法蘭機加工密封面堆焊槽和內壁尺寸應符合圖紙要求，待堆焊面進行100%磁粉檢測。覆層堆焊后，進行超聲檢測，然后將法蘭加工成形，加工后再對堆焊面進行100%滲透檢測。

3.5 復層表面的保護

在制造過程中應注意對耐蝕合金的保護。原材料的擱置要穩妥、堆放要整齊，要防止損傷和彎曲。設置專門的存放區域，與其它材料隔離。材料在搬運過程中，運輸用具必須配備必要的防鐵離子污染和碰傷的襯墊，如橡膠、木板等。復合板組對過程中，進行容器內部工作時，必須采用鋪設襯墊等保護措施，以避免污染和損傷覆層表面。

在制造過程中，應注意復合板表面和堆焊覆層表面的保護，嚴禁表面劃傷或者與低熔點金屬接觸以及銅鐵污染。設備制造完畢并檢驗合格后，所有耐蝕合金內表面均應進行酸洗+鈍化處理。酸洗可以是單獨進行，也可以酸洗鈍化一次處理，但要注意嚴防過酸洗。鈍化后須用清水將酸洗凈，呈中性。 經過酸洗、鈍化處理的表面應呈銀灰色，并且要均勻，無過度腐蝕現象。覆層去污垢可采用噴丸、磨光或拋光，噴丸不得使用形狀不規則或有棱角的介質，不得使用噴過鐵器的介質或含有鐵質的介質。

4 結語

復合板換熱器制造時的關鍵點就在復合板的焊接和耐蝕合金的堆焊，應根據規范和設計文件的要求，制作產品焊接試件和進行焊接工藝評定試驗，同時在下料、焊接、熱處理、酸洗鈍化等過程中應注意復合板復層和耐蝕堆焊表面的保護。