鎳基合金堆焊和管子管板焊接工藝的研究

鄧為民，董 生，楊 挺

（1.海軍駐上海電站輔機(jī)廠軍事代表室，上海200090；2.上海電站輔機(jī)廠有限公司，上海200090）

鎳基合金堆焊和管子管板焊接工藝的研究

鄧為民1，董 生2，楊 挺2

（1.海軍駐上海電站輔機(jī)廠軍事代表室，上海200090；2.上海電站輔機(jī)廠有限公司，上海200090）

為研制某型熱交換器，進(jìn)行了管板堆焊和管子管板的焊接試驗(yàn)。該型熱交換器的換熱管采用了690鎳基合金管，管板材料為SA508Gr.3CL2，堆焊材料為690鎳基合金。堆焊前，先通過試驗(yàn)確定焊接工藝參數(shù)，再正式堆焊試件。管板堆焊采用帶極埋弧焊，管子管板焊接采用了自動鎢極氬弧焊。經(jīng)焊接試驗(yàn)，確定了各項(xiàng)焊接參數(shù)，并對焊后試件進(jìn)行了無損檢測、氦檢漏（管子管板）和各項(xiàng)理化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均符合試驗(yàn)大綱的要求。

熱交換器；管子管板；鎳基合金；帶極堆焊；自動焊；無損檢測；氦檢漏；理化試驗(yàn)

0 概 述

熱交換器的制造質(zhì)量，關(guān)系到整個換熱系統(tǒng)的安全運(yùn)行。在熱交換器制造中，管子管板焊接質(zhì)量是整臺設(shè)備的關(guān)鍵。因此，管子管板焊接接頭的質(zhì)量將直接影響設(shè)備的使用壽命。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，一旦管子管板接頭出現(xiàn)泄漏，可能導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)等事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，必須重視管子管板接頭的焊接質(zhì)量。當(dāng)換熱器采用特殊材料或結(jié)構(gòu)時(shí)，需通過大量的焊接試驗(yàn)并進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)要開展前期的焊接工藝試驗(yàn)，確定工藝方法和參數(shù)?，F(xiàn)對采用690材料的管板堆焊及管子管板進(jìn)行焊接試驗(yàn)，并按試驗(yàn)大綱的要求對焊接試驗(yàn)件進(jìn)行各項(xiàng)檢測，確定了焊接工藝方法和各項(xiàng)工藝參數(shù)，為后續(xù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)要求

1.1 管板堆焊

1.1.1 無損檢測

試板堆焊后，經(jīng)最終熱處理，還需進(jìn)行超聲波和液體滲透檢測，堆焊層及焊接的結(jié)合面必須符合相關(guān)技術(shù)條件的要求。

1.1.2 破壞性試驗(yàn)

堆焊的試板經(jīng)最終熱處理（焊態(tài)、焊態(tài)＋敏化處理晶間腐蝕的試樣除外）及無損檢測后，進(jìn)行彎曲試驗(yàn)、化學(xué)成分、金相檢驗(yàn)、晶間腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足試驗(yàn)大綱的要求。

1.2 管子管板

1.2.1 無損檢驗(yàn)

（1）目視和尺寸檢查

對焊妥的焊縫進(jìn)行目視檢查和尺寸檢查，不允許有任何未熔合、夾鎢、咬邊、表面氣孔、裂紋、凹陷和蜂窩狀缺陷。焊縫表面粗糙度應(yīng)能滿足液體滲透檢驗(yàn)的要求。換熱管材料采用690鎳基合金，規(guī)格為?12×1.1mm，管子管板的焊縫尺寸，應(yīng)滿足圖1所示要求。

圖1管子管板焊接尺寸要求

（2）液體滲透檢驗(yàn)

管子管板接頭按ASME規(guī)范卷V第6章的規(guī)定進(jìn)行液體滲透檢測，應(yīng)符合相關(guān)技術(shù)條件的要求。

（3）射線檢驗(yàn)

管子管板接頭按ASME規(guī)范卷V第2章的規(guī)定進(jìn)行射線檢測，質(zhì)量符合專用技術(shù)條件的要求。

（4）密封性檢驗(yàn)

采用氦氣對管子管板接頭焊縫進(jìn)行密封性檢測，每條管子管板接頭焊縫的氦氣泄漏率應(yīng)不超過1.33×10-8Pa·m3/s。

1.2.2 破壞性試驗(yàn)

（1）金相檢驗(yàn)

參照RCC-M標(biāo)準(zhǔn)，通過管子軸線和最后一個焊道的搭接區(qū)，對焊縫作徑向十字切片（4個觀察面），觀察焊縫的根部情況，并進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)和微觀檢驗(yàn)。宏觀檢驗(yàn)時(shí)，對疑似缺陷部位，需將圖像放大到足夠的倍數(shù)，以鑒定缺陷性質(zhì)。檢驗(yàn)時(shí)，要求焊縫焊喉厚度的平均值不得小于0.9e，單個值不得小于0.66e；不允許有裂紋，只有局部最短的泄漏途徑大于0.66e時(shí)，才允許存在氣孔和夾雜。

（2）晶間腐蝕試驗(yàn)

每組試樣取2條焊縫進(jìn)行接頭晶間腐蝕試驗(yàn)。將試樣沿管子軸線剖開，每條焊縫制備1個試樣。每組2個試樣中，取任1個試樣經(jīng)受敏化處理（675℃± 5℃，1h），然后按GB/T15260-1994標(biāo)準(zhǔn)中B法（試驗(yàn)周期為72h）進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。試樣經(jīng)處理后，進(jìn)行微觀金相觀察，應(yīng)無晶間腐蝕傾向。

2 堆焊工藝試驗(yàn)

2.1 管板堆焊

管板材料為SA508Gr.3CL2鍛件（國內(nèi)對應(yīng)牌號為18MnNiMo），該類材料系Mn-Mo-Ni低合金高強(qiáng)度鋼。堆焊焊材選用國外公司的INCONEL Weldstrip52M焊帶，規(guī)格為60mm×0.5mm，配套焊劑為INCOFLUXSAS2。管板堆焊采用埋弧自動焊，并附加磁控裝置。埋弧焊設(shè)備為Lincoln焊機(jī)。

根據(jù)焊材廠家提供的質(zhì)保書及焊接工藝參數(shù)，結(jié)合工廠對SA508Gr.3CL2及鎳基合金堆焊的經(jīng)驗(yàn)，在工藝試板上進(jìn)行試焊，并對參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，焊縫的表面成形較好。通過對試板無損檢測和破壞性試驗(yàn)，最終確定了所有的焊接工藝參數(shù)。相關(guān)的焊接參數(shù)，如表1所示。

表1堆焊焊接參數(shù)

堆焊前，管板的最低預(yù)熱溫度≥125℃。堆焊過程中，溫度需保持在最低預(yù)熱溫度以上，第一層最高層間溫度≤150℃，其余層的最高層間溫度≤200℃。堆焊完畢后，采用火焰加熱法進(jìn)行焊后熱處理，焊后熱處理的溫度控制在300～350℃，保溫時(shí)間為1～2h。經(jīng)機(jī)加工，將堆焊層厚度加工至8mm。隨后進(jìn)行熱處理消除應(yīng)力。熱處理的控制曲線，如圖2所示。熱處理后，對堆焊試板進(jìn)行了無損檢測。

圖2熱處理曲線

2.2 堆焊試板檢驗(yàn)

2.2.1 無損檢測

對試板堆焊層進(jìn)行了100%UT、100%PT檢測，檢測結(jié)果均符合專用技術(shù)條件的要求。

2.2.2 破壞性試驗(yàn)

試樣熱處理后，尚需進(jìn)行成分分析及力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目包括：試樣的縱向和橫向彎曲試驗(yàn)；堆焊層成分的化學(xué)分析；維氏硬度；試樣的縱向、橫向的宏觀金相及微觀金相；晶間腐蝕試驗(yàn)（焊態(tài)、焊態(tài)＋敏化處理在熱處理前取樣）。彎曲試驗(yàn)的試樣厚度為10mm，壓頭直徑為40mm，彎曲角度為180°。在堆焊層的縱向和橫向上，各取2個試樣進(jìn)行試驗(yàn)，均能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。堆焊層的化學(xué)成分，如表2所示，所測元素的含量符合試驗(yàn)大綱的要求。在垂直于試樣堆焊層的橫截面上，分別在焊縫金屬、熱影響區(qū)和母材位置進(jìn)行硬度測試，標(biāo)準(zhǔn)中要求HV10硬度≤350。各區(qū)域硬度的測量結(jié)果，如表3所示。縱向及橫向上的宏觀、微觀金相、晶間腐蝕結(jié)果，如表4所示。經(jīng)檢測，試驗(yàn)結(jié)果均滿足試驗(yàn)大綱的要求。

表2堆焊層的化學(xué)成分

表3堆焊層的HV10硬度

表4金相、晶間腐蝕結(jié)果

3 管子管板焊接試驗(yàn)

3.1 試件準(zhǔn)備

3.1.1 管板

根據(jù)堆焊試驗(yàn)，確定了管板試樣的堆焊工藝參數(shù)。管板試樣堆焊后，馬上進(jìn)行了焊后熱處理。然后，對堆焊層表面機(jī)加工，經(jīng)無損檢測合格后，按試驗(yàn)大綱要求，對試板進(jìn)行鉆孔加工。管孔尺寸為?12.25mm。

3.1.2 管子

換熱管材料為定制的690鎳基合金管，規(guī)格為?12mm×1.1mm。

3.1.3 定位脹接

按試驗(yàn)大綱要求，焊接管子管板前，需采用定位脹接的方式，讓管子在管板孔中定位。定位脹接前，應(yīng)清潔管板孔及換熱管脹接端，先用洗潔劑去除管孔及管端的油污等雜質(zhì)，再用丙酮擦洗。

3.2 管子管板焊接試

3.2.1 自動焊設(shè)備

管子管板焊接選用PC-508S自動全位置氬弧焊焊機(jī)。該設(shè)備除了設(shè)有常規(guī)的氬弧焊控制程序外，還能在不同位置，對焊接電流、焊接速度、送絲速度、脈沖頻率等參數(shù)進(jìn)行分區(qū)控制，從而保證了接頭外形尺寸的一致，熔深均勻。

3.2.2 焊接參數(shù)試驗(yàn)

施焊前，通過自動焊設(shè)備上的顯示屏進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的初步設(shè)置，并在試焊件上進(jìn)行焊接。在焊縫外形滿足要求的前提下，再對試焊件的焊縫進(jìn)行液體滲透檢測和解剖。通過對試樣的解剖分析，調(diào)整焊接分區(qū)的各項(xiàng)參數(shù)，再對試焊件進(jìn)行焊接。經(jīng)多次試焊后，使試焊件的焊接質(zhì)量滿足要求，再進(jìn)行試件的焊接。

根據(jù)試驗(yàn)大綱要求，管子管板采用單層自熔焊工藝。經(jīng)多次試焊及對試樣解剖分析，確定了焊接參數(shù)，焊接時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度為380°，分為三段，第一段0°～130°，第二段130°～375°，第三段375°～380°。主要焊接參數(shù)，如表5所示。焊后的試件，如圖3所示。

圖3焊后的試件

表5焊接參數(shù)

3.3 無損檢驗(yàn)

3.3.1 目視和尺寸檢查

管口焊接完成后，測量了兩組管口的最小內(nèi)徑，測量所得數(shù)據(jù)，如表6所示。

表6管子管板焊接尺寸記錄

3.3.2 無損檢測

兩組焊接接頭按ASME規(guī)范卷V第6章的規(guī)定進(jìn)行了液體滲透檢測，無缺陷顯示，符合試驗(yàn)大綱；然后按ASME規(guī)范卷V第2章的規(guī)定進(jìn)行射線檢測，未發(fā)現(xiàn)線性及體積性超標(biāo)缺陷。

3.3.3 氦檢漏

將管子后端用氬弧焊封堵，并將圓型試件裝入預(yù)先準(zhǔn)備好的氦檢漏筒體上，連接氦檢測設(shè)備進(jìn)行檢漏。檢測結(jié)果表明，每個焊口泄漏率均小于1.33 ×10-8Pa·m3/s，滿足試驗(yàn)大綱的要求。

3.3.4 破壞性試驗(yàn)

將試樣接頭分割后，每組取10個接頭進(jìn)行金相檢驗(yàn)，2個接頭進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。金相檢驗(yàn)進(jìn)行最小泄漏通徑測量、宏觀金相和微觀金相（放大倍數(shù)200X），兩組各10個焊口的最小泄漏通徑檢驗(yàn)結(jié)果，如表7所示。在宏觀金相檢測中，末發(fā)現(xiàn)試樣存在裂紋、未熔合等缺陷。微觀金相檢測時(shí)，試樣也無裂紋及其他異常組織等缺陷。晶間腐蝕的焊態(tài)和敏化態(tài)（675±5℃，1h）試驗(yàn)中，兩組中各取2個接頭試樣，其焊口的晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果，如表8所示。

表7最小泄露通徑

表8晶間腐蝕

4 結(jié) 語

4.1 SA508Gr.3CL2低合金管板材料，采用690鎳基合金焊帶（規(guī)格為60mm×0.5mm）進(jìn)行埋弧焊堆焊。經(jīng)堆焊試驗(yàn)后，確定了焊接工藝參數(shù)。管板試件堆焊結(jié)束經(jīng)熱處理后，進(jìn)行了無損檢測和破壞性試驗(yàn)，各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果均滿足試驗(yàn)大綱的要求。

4.2 690鎳基合金管與管板平口結(jié)構(gòu)的焊接，采用不填絲自動氬弧焊。經(jīng)焊接試驗(yàn)后，確定了焊接工藝參數(shù)。分別對兩組（間隙大、間隙?。┰嚰M(jìn)行了焊接，經(jīng)過無損檢測和破壞性試驗(yàn)，各項(xiàng)檢測結(jié)果均滿足試驗(yàn)大綱的要求，且最小泄漏通徑還有一定的富裕量。

4.3 通過試驗(yàn)確定的焊接工藝參數(shù)，可為后續(xù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造提供技術(shù)支持。

［1］ASME鍋爐及壓力容器委員會焊接分委員會.ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范.第9卷，焊接、釬焊和粘接評定［M］.北京：中國石化出版社，2014.

［2］王國璋.最新壓力容器焊接實(shí)用手冊［M］.北京：中國石化出版社，2013.

［3］徐紅，王天先.呂龍.鎳基合金管子與管板的焊接工藝試驗(yàn)［J］.壓力容器，2007，24（7）.62-63.

簡訊

哈薩克斯坦已成美國核燃料最大供應(yīng)國

據(jù)美國能源信息署數(shù)據(jù)顯示，目前，哈薩克斯坦是美國核電站最大的鈾供應(yīng)國，2014年的供應(yīng)量已超過澳大利亞。美國從哈薩克斯坦進(jìn)口1200萬磅鈾，占采購總量的23%，澳大利亞和加拿大分別占20%和18%。世界核電數(shù)據(jù)顯示，美國核電發(fā)電量居世界首位，占全球總量的30%左右。2014年，美國100座核反應(yīng)堆發(fā)電量占全國發(fā)電量的19%。目前，美國運(yùn)營的核反應(yīng)堆有99座，另有5座在建。

摘自上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠技術(shù)部《信息簡訊》第205期

TheProcessStudyofNi-BasedAlloyOverlayingWeldingand Tube-TubesheetWelding

DENGWei-min1，DONGSheng2，YANGTing2
（1.MilitaryRepresentativeOfficeoftheNavyinShanghaiPowerStationAuxiliaryEquipmentPlant，Shanghai200090，China；2.ShanghaiPowerStationAuxiliaryEquipmentPlant，Shanghai200090，China）

Tubesheetoverlayingweldingandtube-tubesheetweldingtestshavebeenconductedinordertodevelopa typeofheatexchangers.Tubesadoptedfortheheatexchangerare690Ni-basedalloytubesandthematerialofthe tubesheetisSA508Gr.3CL2with690Ni-basedalloyoverlayingwelding.Theweldingparametershavebeen determinedthroughthetestbeforeweldingforformaloverlayingoftestpiece.Weldingprocessusedfortubesheetis stripelectrodesubmergedarcwelding，andautomaticTIGfortube-tubesheet.Theweldingparametershavebeen determinedthroughthetest.Nondestructivetesting，heliumleaktesting（tube-tubesheet）andotherphysical andchemicaltestshavebeencarriedoutonthetestpiece，andthetestresultsmeetthetestrequirements.

heatexchangers；tube-tubesheet；Ni-basedalloy；stripoverlayingwelding；automaticwelding；nondestructivetesting；heliumleaktest；physicalandchemicaltest

TK264.9

A

1672-0210(2015)04-0022-05

2015-05-20

鄧為民（1970-），男，高級工程師，畢業(yè)于華中科技大學(xué)機(jī)械材料專業(yè)，從事核設(shè)備工程技術(shù)及質(zhì)量管理方面的工作。