15CrMoR換熱管與管板焊接工藝研究

武守輝　陳志強(qiáng)　薛蛟祖　吳運(yùn)治潘麗杰（河南環(huán)宇石化裝備科技股份有限公司)

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15CrMoR換熱管與管板焊接工藝研究

武守輝*陳志強(qiáng)薛蛟祖吳運(yùn)治潘麗杰
（河南環(huán)宇石化裝備科技股份有限公司)

摘要研究了15CrMoR換熱管與管板的焊接工藝評(píng)定，采用非熔化極氣體保護(hù)焊在選定的焊接參數(shù)下施焊，獲得了性能良好的焊接接頭。對(duì)焊接接頭進(jìn)行了宏觀檢測(cè)、硬度檢測(cè)和接頭斷面的滲透檢測(cè)，結(jié)果表明接頭的各項(xiàng)性能完全滿(mǎn)足使用要求。

關(guān)鍵詞換熱管管板焊接工藝氣體保護(hù)焊焊接接頭

*武守輝，男，1986年生，碩士。焦作市，454350。

0　前言

15CrMoR材料是一種珠光體低合金耐熱鋼，由于其良好的耐腐蝕性、抗氧化性和抗氫能力，在天然氣、化工、石油等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。由15CrMoR所制成的石油化工設(shè)備、宇航器械等不僅工藝性能良好，而且更經(jīng)濟(jì)適用[3]。但是由于15CrMoR中含有Cr、Mo等強(qiáng)碳化物元素，因而其焊接接頭在過(guò)熱區(qū)容易產(chǎn)生不同程度的再熱裂紋。另外，低合金耐熱鋼具有一定程度的淬硬傾向，在焊接熱循環(huán)情況下，焊縫中可能形成冷裂紋顯微組織。為了防止裂紋的產(chǎn)生，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮盖邦A(yù)熱、層間溫度控制和焊后熱處理。另外，焊接參數(shù)

對(duì)焊縫組織也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。為了獲得性能良好的管板角焊縫，應(yīng)進(jìn)行大量的試驗(yàn)。

1　試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)中所用的材料為厚20 mm的15CrMoRⅢ鋼板和覫45 mm×3 mm的15CrMo接管。焊接參數(shù)如表1所示。按照NB/T 47014—2011的要求，管板角焊縫焊前的結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

本評(píng)定是為了滿(mǎn)足公司所接設(shè)備甲醇裂解制氫裝置換熱管與管板的焊接要求而進(jìn)行的[4]。該設(shè)備名稱(chēng)：轉(zhuǎn)化器；設(shè)計(jì)規(guī)范和制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：GB 150—2011、GB 151—1999；管程參數(shù)：管程設(shè)計(jì)壓力1.98 MPa，管程容積19.31 m3，換熱面積1382 m2；物料名稱(chēng)：甲醇、水、氫氣、二氧化碳；工作溫度：300℃；工作原理：甲醇與水在催化劑的作用下，通過(guò)加熱生成氫氣和二氧化碳，實(shí)現(xiàn)物料轉(zhuǎn)換。焊接要求：D類(lèi)焊縫按照HG 20583/G2的要求須全焊透，焊角尺寸符合GB/T 985.1—2008；所有Cr-Mo低合金鋼的D類(lèi)接頭、經(jīng)火焰切割的坡口表面、容器缺陷的修磨或補(bǔ)焊處和拉筋等拆除處的焊痕表面，均需要進(jìn)行PT100%檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格，并須符合JB/T 4730.5—2005要求。其中，換熱管與管板間焊縫的PT檢測(cè)應(yīng)在焊接完成24 h后進(jìn)行；換熱管與管板的連接為強(qiáng)度焊加貼脹，且為氬弧焊焊接；換熱管與管板間焊縫需焊后緩冷并進(jìn)行局部消除應(yīng)力熱處理[5]。

表1　焊接參數(shù)

圖1　管板的管口布置和焊接結(jié)構(gòu)

2　工藝要求[6]

2.1管板加工

換熱管采用整管制作，不允許拼接，并應(yīng)符合GB 9948—2006標(biāo)準(zhǔn)的要求。管子外徑為45 mm，偏差在±0.3 mm以?xún)?nèi)。管板孔的加工應(yīng)注意坡口角度，其坡口為單邊V形，坡口深度為2.5 mm，管板表面應(yīng)光滑平整，加工結(jié)束后應(yīng)噴涂防銹劑。

2.2換熱管處理

換熱管切割后，應(yīng)將管頭表面的毛刺及鐵銹等清除干凈。清除鐵銹的長(zhǎng)度范圍應(yīng)比管板厚度大5 mm，且不得小于25 mm。

2.3換熱管與管板對(duì)裝

換熱管伸出管板長(zhǎng)度為1.5~2 mm。在保證管

板及換熱管管頭除去鐵銹、氧化皮和油污等的前提下，進(jìn)行組對(duì)與點(diǎn)焊。

2.4換熱管與管板脹接注意事項(xiàng)[7]

2.4.1換熱管的連接部位和管板孔表面應(yīng)清理干凈，不應(yīng)留有影響脹接或焊接質(zhì)量的毛刺、鐵屑、銹斑、油污等。連接部位以呈現(xiàn)金屬光澤為準(zhǔn)。

2.4.2進(jìn)行脹接時(shí)，換熱管的脹接長(zhǎng)度不應(yīng)伸出管板背面（殼程一側(cè)）。換熱管的脹接部分和非脹接部分應(yīng)圓滑過(guò)渡，不應(yīng)有尖銳的棱角。

2.4.3由于采用機(jī)械滾脹法，所以應(yīng)先焊后脹。機(jī)械滾脹的時(shí)候產(chǎn)生大量的熱，需要用適當(dāng)?shù)臋C(jī)油進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，油液浸進(jìn)接頭焊縫，徹底清除十分困難。若接頭處有油污等存在，焊接時(shí)容易產(chǎn)生氣體，氣體殘留在焊縫中容易形成氣孔等缺陷。

2.5換熱管與管板焊接注意事項(xiàng)[7-8]

2.5.1換熱管和管板焊接接頭較特殊，除了受到管程和殼程壓力的作用外，還受管板變形的影響，特別是固定管板式換熱器還受溫差應(yīng)力的影響。角焊接接頭不僅本身具有應(yīng)力集中，同時(shí)還存在焊接熱應(yīng)力。由于管板開(kāi)孔較密集，焊接時(shí)受熱的影響較大，熱應(yīng)力集中點(diǎn)多，因此微裂紋產(chǎn)生的可能性大。

2.5.2將換熱管管頭打磨出金屬光澤、管板鉆孔后應(yīng)立即進(jìn)行施焊，放置時(shí)間太長(zhǎng)容易再次生銹。若涂防銹油劑，組裝時(shí)難以清理，容易導(dǎo)致焊肉中雜質(zhì)較多。

2.5.3采用氬弧焊焊接時(shí)，應(yīng)避免電流過(guò)大。若電流過(guò)大，易將管頭燒穿，從而形成過(guò)大的熔瘤。氬氣一定要隨焊接速度、電弧長(zhǎng)度的增加而增加，以保證焊接質(zhì)量。

2.5.4焊接時(shí)，焊渣及凸出于換熱管內(nèi)壁的焊瘤均應(yīng)清除干凈。對(duì)于焊縫缺陷的返修，應(yīng)先清除缺陷后補(bǔ)焊。

2.6焊后處理及其他

2.6.1焊接結(jié)束后，應(yīng)先對(duì)檢測(cè)部位進(jìn)行修磨處理。在外觀檢查合格后，按技術(shù)要求進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

2.6.2試件焊接應(yīng)由具有相應(yīng)資格的焊工擔(dān)任，且 應(yīng)嚴(yán)格按照通過(guò)的焊接工藝評(píng)定進(jìn)行施焊。

3　工藝試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)NB/T 47014—2011的要求，按焊接工藝對(duì)10個(gè)接頭進(jìn)行了焊接，并進(jìn)行了以下檢驗(yàn)。

3.1外觀檢驗(yàn)

在焊接過(guò)程中，分別對(duì)第一層填絲焊縫、第二層填絲焊縫進(jìn)行了外觀檢驗(yàn)，目測(cè)焊縫表面無(wú)氣孔、弧坑、咬邊等缺陷，焊縫成型良好，且沒(méi)有未熔化的管頭和焊絲，外觀檢查合格。

3.2滲透檢測(cè)[9]

根據(jù)JB/T 4730.5—2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)——第五部分：滲透檢測(cè)》對(duì)10個(gè)焊接接頭進(jìn)行表面滲透檢測(cè)。檢測(cè)前先對(duì)試樣進(jìn)行打磨清理，用清洗劑HR-ST清洗，然后噴灑滲透劑HP-ST，待10 min后用清洗劑將焊縫表面清洗干凈，最后噴灑顯像劑HD-ST顯像。10 min后，用10倍的放大鏡進(jìn)行觀察。檢查結(jié)果為無(wú)表面氣孔、表面裂紋、咬邊等缺陷，試驗(yàn)結(jié)果合格。

3.3宏觀金相檢驗(yàn)

任意選取對(duì)角線(xiàn)位置的兩個(gè)接管，在接頭中間切開(kāi)[4]，將8個(gè)接頭剖面的焊腳打磨拋光，用10%的過(guò)硫酸銨水溶液進(jìn)行腐蝕[10]，用蘸有腐蝕劑的棉球在剖面處往返擦拭2~3次，然后用酒精清洗，緊接著用清水沖洗，再用吹風(fēng)機(jī)將焊縫表面吹干。最后，在10倍的放大鏡下進(jìn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、咬邊等缺陷，試驗(yàn)結(jié)果合格。

3.4角焊縫厚度檢測(cè)

對(duì)上述拋光腐蝕后的8個(gè)接頭剖面，借助10倍放大鏡與游標(biāo)卡尺進(jìn)行角焊縫厚度檢測(cè)，其角焊縫厚度分別為6.62 mm、7.00 mm、7.12 mm、7.40 mm、6.80 mm、7.10 mm、7.08 mm、6.96 mm。根據(jù)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》附錄D的規(guī)定，角焊縫厚度值均大于2/3倍管壁厚度2 mm，試驗(yàn)結(jié)果合格。

3.5硬度測(cè)定

用TH110里氏硬度計(jì)對(duì)焊接接頭（焊縫中心、熱影響區(qū)、母材）進(jìn)行硬度測(cè)試，其硬度值分別為：焊縫中心（三點(diǎn)平均值）220 HL；熱影響區(qū)（三點(diǎn)平均值）167 HL；母材（三點(diǎn)平均值）217 HL。由測(cè)試結(jié)果可知，焊縫區(qū)硬度略高于基體母材，熱影響區(qū)硬度最低。由于填充金屬在快速冷卻的過(guò)程中晶粒細(xì)化，且有一定的淬硬傾向，故焊縫區(qū)硬度略高于基體母材。熱影響區(qū)在焊接過(guò)程中相當(dāng)于一次正火處理，因此這一區(qū)域珠光體與馬氏體增多，塑性增大，硬度降低。

4　結(jié)論

本文研究了15CrMoR換熱管與管板的焊接工藝評(píng)定，采用非熔化極氣體保護(hù)焊在選定的焊接參數(shù)下施焊，獲得了性能良好的焊接接頭。

（1）焊接時(shí)一定要嚴(yán)格按照擬定的焊接工藝進(jìn)行焊接，其中預(yù)熱溫度、層間溫度、焊后熱處理溫度更是要嚴(yán)格控制，且焊接過(guò)程中的層間溫度不得低于預(yù)熱要求的最低溫度150℃。

（2）按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》的要求，對(duì)焊接接頭進(jìn)行了相應(yīng)的檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格。

（3）通過(guò)對(duì)15CrMoR換熱管與管板焊接工藝的評(píng)定，將該非熔化極氣體保護(hù)焊工藝成功應(yīng)用到換熱管與管板的焊接中，不僅提高了焊接效率和焊接質(zhì)量，而且得到了監(jiān)檢部門(mén)的認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇海清.15CrMoR鋼的焊接工藝[J] .焊接技術(shù)，2006,35（5）:63-64.

[2]王懷建，李雷.15CrMoR鋼焊接接頭的組織和力學(xué)性能[J] .金屬鑄鍛焊技術(shù)，2008，137（3）：78-79.

[3]焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)（第2卷）[M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4]NB/T 47014—2011承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定[S] .

[5]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì).熱處理手冊(cè)（第一卷）：工藝基礎(chǔ)[M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[6]NB/T 47015—2011壓力容器焊接規(guī)程[S] .

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[8]時(shí)鴻儒，劉惠杰.換熱器管板的焊接變形與控制[J] .化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2005，26（3）：46-47.

[9]JB/T 4730.5—2005承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)——第5部分：滲透檢測(cè)[S] .

[10]機(jī)械工業(yè)理化檢驗(yàn)人員技術(shù)培訓(xùn)和資格鑒定委員會(huì).金相檢驗(yàn)[M] .上海：上?？茖W(xué)普及出版社，2003.

化機(jī)制造

Research on Welding Technology of 15CrMoR Heat Exchange Tube and Tube Sheet

Wu Shouhui Chen Zhiqiang Xue Jiaozu Wu Yunzhi Pan Lijie

Abstract：The welding technology of the 15CrMoR heat exchange tube and tube sheet is studied and evaluated.The welded joints with good performance are obtained through the welding under the protection of the non-consumable gas and with the selected welding parameters.The macroscopic testing and hardness testing on the welded joints, as well as the penetrant testing on the cross section of the joints are carried out.The results show that the properties of the joints completely satisfies the operating requirements.

Key words：Heat exchange tube; Tube sheet; Welding technology; Gas shielded welding; Welded joint

(收稿日期：2015-06-26)

中圖分類(lèi)號(hào)TQ 050.6

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.02.014