臨氫高壓換熱器用Ω環(huán)的焊接

易國英

(青海油田管道輸油處，青海 格爾木 816000)

臨氫高壓換熱器用Ω環(huán)的焊接

易國英

(青海油田管道輸油處，青海 格爾木 816000)

高壓換熱器用Ω型密封環(huán)材質(zhì)為奧氏體不銹鋼316L，由于Ω環(huán)彎管較薄，且結(jié)構(gòu)特殊，施焊空間狹小，焊接困難，一般采用手工鎢極氬弧焊；為防止背面金屬氧化，Ω環(huán)內(nèi)應(yīng)充氬氣保護(hù)，由于Ω環(huán)腔體較大，將浪費(fèi)大量氬氣，且保護(hù)效果不理想。通過焊接試驗(yàn)，在Ω環(huán)中間對接焊縫焊接時采用一種具有特殊涂層的焊絲打底(TGF316L)，焊接時，涂層熔化后會滲透到熔池背面，形成一層致密的保護(hù)層，使背面金屬不受氧化；待打底結(jié)束后，采用實(shí)芯焊絲(ER316L)蓋面，該工藝既有效地防止了316LΩ環(huán)背面金屬氧化，又節(jié)約了大量的氬氣，同時也獲得了滿意的焊接接頭質(zhì)量。實(shí)踐證明此焊接工藝在實(shí)際生產(chǎn)中是可行的。

Ω型密封環(huán)；奧氏體不銹鋼；焊絲TGF316L；焊接工藝

0 前言

高壓換熱器是加氫裂化裝置中的核心設(shè)備之一，由于Ω型密封環(huán)(簡稱Ω環(huán))密封蓋板封焊式換熱器是靠蓋板外周密封焊來實(shí)現(xiàn)管箱密封的，使得密封所需螺栓預(yù)緊力小，螺栓主要承擔(dān)內(nèi)壓引起的軸向力，密封則由焊接而成的Ω環(huán)來承受，因此螺栓直徑大大縮小，具有結(jié)構(gòu)簡單，密封安全可靠等優(yōu)點(diǎn)；檢修拆卸管束時，用砂輪將密封焊縫磨去，將蓋板打開即可抽出管束，檢修后再封焊，該種換熱器特別適用于干凈介質(zhì)和長周期操作的場合。

100萬t／年的中壓加氫裂化裝置反應(yīng)產(chǎn)物與分餾塔進(jìn)料換熱器由管箱、殼程殼體、U型管束組成，U型管束管板與管箱法蘭之間采用Ω型密封墊圈密封。換熱器殼程設(shè)計壓力8.9 MPa，管程設(shè)計壓力13.4 MPa；管箱、管板材質(zhì)為2.25Cr1Mo+不銹鋼堆焊層(309L+347L)，換熱器殼體材質(zhì)為Q345R，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中Ω環(huán)(見圖2)的材質(zhì)為奧氏體不銹鋼316L，Ω環(huán)彎管厚度為3mm。由于Ω環(huán)彎管較薄，且結(jié)構(gòu)特殊，同時施焊空間狹小，施焊困難(見圖3)。焊接方法一般采用手工鎢極氬弧焊，為防止背面金屬氧化，Ω環(huán)內(nèi)應(yīng)充氬氣保護(hù)，由于Ω環(huán)腔體較大，將浪費(fèi)大量氬氣，且保護(hù)效果不理想。因此，在設(shè)備使用過程中，在Ω環(huán)中間對接焊縫上，經(jīng)常會出現(xiàn)穿透性裂紋；如果焊接時操作不當(dāng)，固定管板與Ω環(huán)之間的焊縫也容易出現(xiàn)開裂(見圖4)。因此合理的焊接工藝是保證Ω 環(huán)焊接接頭質(zhì)量的關(guān)鍵[1-2]。

圖1 高壓換熱器結(jié)構(gòu)

圖2 Ω環(huán)結(jié)構(gòu)

圖3 Ω環(huán)彎管施焊困難

1 奧氏體不銹鋼316L的焊接特點(diǎn)

奧氏體不銹鋼韌性、塑性好，焊接時不易發(fā)生淬火硬化，其線膨脹系數(shù)比碳鋼大，焊接過程中較大的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變量帶來一些焊接性問題：一是焊接熱裂紋，這與奧氏體不銹鋼的晶界特性和對某些微量雜質(zhì)如S、P等敏感有關(guān)；二是焊接變形大。

針對奧氏體不銹鋼316L的焊接特點(diǎn)，焊接時采取的主要工藝措施如下：

(1)采用適當(dāng)?shù)暮附悠驴诨蚝附臃椒?，使母材金屬在焊縫金屬中所占的分量減少，即小的熔合比。

(2)焊接參數(shù)應(yīng)選用小的熱輸入，即小電流快速焊。在多層焊時，要等前一層焊縫冷卻后再焊次一層焊縫，層間溫度不宜過高，以避免焊縫過熱。施焊過程中焊條不允許擺動，采用窄焊縫的操作技能。

(3)選擇合理的焊接接頭形式和焊接順序，盡量減少焊接應(yīng)力，可以減少熱裂紋的產(chǎn)生。

(4)在焊接過程結(jié)束和中途斷弧前，收弧要慢且要設(shè)法填滿弧坑，以防止弧坑裂紋的形成。

圖4 固定管板與Ω環(huán)之間的焊縫開裂

2 焊接工藝的確定

結(jié)合Ω環(huán)彎管的特殊結(jié)構(gòu)、奧氏體不銹鋼316L的焊接特點(diǎn)以及產(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用情況，對Ω環(huán)中間對接焊縫采用背面自保護(hù)不銹鋼TIG焊絲打底(TGF316L)，這是一種具有特殊涂層的焊絲，涂層(即藥皮)熔化后會滲透到熔池背面，形成一層致密的保護(hù)層，相當(dāng)于焊條藥皮的熔渣覆蓋在焊縫表面，使背面金屬不受氧化。冷卻后這層渣殼會自動脫落，用壓縮空氣或水沖的方法極易清除。這種焊絲的使用方法與普通的TIG焊絲完全相同，涂層不會影響正面的電弧和熔池形態(tài)；待打底結(jié)束后，采用實(shí)心焊絲(ER316L)蓋面，焊道微凸，焊肉應(yīng)飽滿，保證焊接接頭有足夠的強(qiáng)度；管板及其兩側(cè)法蘭與Ω環(huán)之間的焊縫采用手工鎢極氬弧焊，焊肉應(yīng)飽滿[3]。

3 產(chǎn)品焊接工藝評定

綜合考慮Ω環(huán)型高壓換熱器產(chǎn)品技術(shù)條件要求和奧氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn)，對厚4 mm的316L鋼進(jìn)行焊接工藝評定，焊接坡口如圖5所示，焊接過程及試驗(yàn)結(jié)果如下。

3.1 焊接過程

坡口清理→裝配點(diǎn)焊→背面自保護(hù)不銹鋼TIG焊絲打底(焊絲TGF316L φ 2.6 mm)→焊縫100%著色(PT)檢查→采用實(shí)心焊絲(焊絲ER316L φ 2.0)蓋面(道間溫度≤100℃)→焊縫100%著色(PT)檢查→焊縫100%著色(RT)檢測。焊接工藝規(guī)范如表1所示。

圖5 焊接工藝評定坡口

3.2 焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果

試件焊接接頭按JB／T 4730-2005《承壓設(shè)備無損檢測》的要求進(jìn)行了RT(射線檢測)100%及100%著色(PT)檢測，結(jié)果合格。依據(jù)JB4708-2000《鋼制壓力容器工藝評定》及產(chǎn)品技術(shù)條件要求，分別進(jìn)行了熔敷金屬化學(xué)成分分析、焊接接頭力學(xué)性能及晶間腐蝕試驗(yàn)。焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

表1 焊接工藝規(guī)范參數(shù)

表2 熔敷金屬化學(xué)成分分析%

表3 力學(xué)性能和晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

由表2的熔敷金屬化學(xué)成分分析可知，無論打底層還是蓋面層，其結(jié)果均滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求，且S、P含量較低。

由表3的拉伸和彎曲試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊接接頭抗拉強(qiáng)度均高于要求值，且有較大富裕量；面彎和背彎試樣彎曲后，未產(chǎn)生裂紋或缺陷，焊接接頭連續(xù)、致密，塑性較好；按GB／T4334.5-2000晶間腐蝕要求制備試樣二件，彎曲180°后，在10倍放大鏡下觀察彎曲試樣外表面，無因晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋，證明制定的焊接工藝是合理可行的。

該工藝已在我公司生產(chǎn)的多臺裝置上得到應(yīng)用，使用效果非常理想。

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊(3版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]張其樞，堵耀庭.不銹鋼的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]吳樹雄.電焊條選用指南(3版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

The welding of Ω sealing ring on high pressure hydro-heat exchanger

YI Guo-ying
(The Oil Pipe-line Department，Qinghai Oil-field company，Geermu 816000，China)

The material of Ω sealing ring on high pressure heat exchanger is made of austenitic stainless steel，because of the Ω sealing ring is thin and narrow with special structure，and the welding space is small and narrow，it is very difficult to weld.So，GTAW is generally adopted；at the same time，if the back side is no argon for protection，the austenitic stainless is very easy to oxidize when used TIG welding，even we use argon to protect the back side when welding，it can waste large amount of argon，and the result is not sure to be ideal.The article gains a reasonable welding procedure using a kind of self-protecting rod as the first layer(TGF316L)，there is a thin layer of covering，the welding slag can penetrate through the welding pool over the back side of melting metal，this can avoid the back side of melting metal being oxidized.The welding procedure has been proved to be satisfied in practice.

Ω sealing ring；austenitic stainless steel；welding wire TGF316L；welding procedure

TG457.1

A

1001-2303(2011)09-0050-03

2011-08-10

易國英(1972—)，女，四川營山人，工程師，主要從事煉化設(shè)備的工藝研究。