氨冷卻器在線引流及漏管封堵措施綜述

李德軍

摘 要：針對(duì)氨冷器的列管泄漏實(shí)施了在線引流，將SUS304不銹鋼管焊接在20碳鋼泄漏管上，漏管管頭全部引至管箱外側(cè)，維持了化工氨系統(tǒng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，文章對(duì)上述兩種管材的現(xiàn)場(chǎng)焊接進(jìn)行了詳細(xì)研究，對(duì)異種鋼管現(xiàn)場(chǎng)施焊具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：引流；氨氣；焊接

中圖分類號(hào)：TG44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）31-0068-02

1 概述

合成氨設(shè)備09E005是冷凍回路的段間冷卻器，殼程介質(zhì)為0.8Mbar的氣氨，管程介質(zhì)為0.4Mbar的循環(huán)水，主要作用是降低冰機(jī)功耗和提高機(jī)組負(fù)荷。2013年2月17日，循環(huán)水回水出口氨含量取樣分析為1.2%，判斷管束堵塞和管子嚴(yán)重內(nèi)漏。換熱器氨氣入口68℃，出口溫度65℃（設(shè)計(jì)值為40℃），氣氨溫度幾乎沒(méi)有溫差。這種情況造成了冰機(jī)負(fù)荷增加、使用二次循環(huán)水銅管冷卻器07E001會(huì)腐蝕、循環(huán)水系統(tǒng)受到污染。

氨的物理性質(zhì)：通常為無(wú)色有強(qiáng)烈刺激性氣味，常溫下加壓可液化，臨界溫度132.9℃，臨界壓力11.38MPa，常壓下冷卻到-33.35℃時(shí)液化。液氨揮發(fā)性很強(qiáng)，氣化時(shí)吸熱很大，在-77.75℃時(shí)凝固成無(wú)色結(jié)晶。氨極易溶于水，并放出熱量。氨的水溶液稱為氨水，呈弱堿性，易揮發(fā)。自燃點(diǎn)630℃，在空氣中遇火能爆炸。常溫、常壓下在空氣中的爆炸極限為16%～28%（體積）。氨氣是高度水溶性無(wú)色、堿性的刺激性氣體，強(qiáng)烈刺激眼睛和黏膜。

2 堵漏方案

09E005換熱器的列管材質(zhì)為：20鋼，列管尺寸：？漬19×2.7mm。由于是在線帶壓堵漏，殼程氣氨無(wú)法切除，氣態(tài)氨易燃易爆且漏量較大，應(yīng)盡量避免在管箱內(nèi)部狹小范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)火。需要在泄漏的換熱管內(nèi)部，插入？漬14×3mmSUS304不銹鋼管，把不銹鋼管焊接在3/4"×2.7mm的碳鋼管上，將全部漏管匯集于此，再將總管鋼（3/4"×2.7mm的碳鋼管）管頭全部引至管箱外側(cè)，進(jìn)行堵漏。

3 引流的措施

將09E005在線交出循環(huán)水，清洗管束；配戴正壓空氣呼吸器和橡膠手套，使用？漬10的不鋼管作為導(dǎo)管，對(duì)換熱管進(jìn)行查漏和確定泄漏位置；將？漬13×3M的不鋼管兩頭焊死后置于泄漏的5根管子當(dāng)中，這樣可以減少氣氨的泄漏量。為了避開(kāi)在換熱器內(nèi)部動(dòng)火，采用在換熱器殼體的循環(huán)水管線上水側(cè)開(kāi)一個(gè)？漬35的孔，回水側(cè)開(kāi)一個(gè)？漬22的孔，作為引流總管引至設(shè)備外部，回收至氨受槽。對(duì)于需要引流的管子，使用活接頭，便于安裝；對(duì)于分體的引流管端部使用彈簧頂住盲法蘭封頭，以防止氨氣壓力高把堵漏管憋開(kāi)，產(chǎn)生泄漏。

4 焊接工藝

20鋼主要含有珠光體和鐵素體，SUS304主要含有奧氏體成分。這兩種材質(zhì)在焊接過(guò)程中要考慮材質(zhì)的物理、化學(xué)性能的不良影響，而且要考慮兩種材質(zhì)成分組織不同對(duì)接頭性能的影響。特別要考慮兩種材質(zhì)的焊接性能，像20鋼珠光體鋼存在冷裂紋、脆化等；304中奧氏體鋼存在熱裂紋等。

4.1 焊接性能分析

在物理性能方面20碳鋼與304不銹鋼母材，熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)等差異較大，焊接后想獲得較好的接頭，就必須從母材的基本焊接性能進(jìn)行分析，從而選擇正確焊接方法、焊條和焊接工藝。

從物理性能分析，304的線膨脹系數(shù)大，20碳鋼的冷卻收縮量少，焊縫的拉應(yīng)力大為減小，使焊縫與母材存在壓應(yīng)力，在設(shè)備高溫下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中，焊縫區(qū)將的持續(xù)蠕變，造成焊縫的破壞大大提前?？梢赃x用與20碳鋼相近膨脹系數(shù)的奧氏體焊縫成分，以改變整個(gè)焊縫隙的性能。

20碳鋼與304焊接過(guò)程形成的焊縫，其成分由兩種母材和填充金屬混合成分。如果焊縫中20碳鋼溶入焊縫金屬的份額增大，就會(huì)沖稀釋焊縫中合金元素濃度，焊縫出現(xiàn)冷裂紋、脆化等傾向增大。故此，為減少接頭焊縫裂紋和脆化，要求20碳鋼在焊縫金屬中所占質(zhì)量比越小越好，并要求熔合比穩(wěn)定，采用由焊接材料來(lái)控制焊縫金屬的成分和組織，從而獲得理想奧氏體和鐵素體雙相組織成分，避免引起脆化的馬氏體組織的出現(xiàn)。液態(tài)的金屬焊縫熔池邊緣維持時(shí)間及短，溫度也較熔池內(nèi)部低很多，流動(dòng)性較差，最容易結(jié)晶形成固態(tài)。在該雙金屬熔池中，20碳鋼側(cè)溶池一側(cè)，母材金屬和填充金屬不能充分熔化混合，焊縫金屬中20鋼成分所占份額增大，形成一個(gè)過(guò)渡層，其金屬成分梯度變化較大，在過(guò)渡層表面形成一層馬氏體組織，其為硬度很高的脆性層，使熔合區(qū)冷卻時(shí)遭到破壞，降低焊縫成型的可靠性度，故此必須選擇合適的焊接工藝，延長(zhǎng)焊縫熔池邊緣高溫時(shí)間，采用鎳基焊接材料，以減小過(guò)度層的寬度。同時(shí)，在20鋼一側(cè)的金屬熔合過(guò)程，焊縫中304的奧氏體組織的過(guò)飽和氫元素不能直接向空中擴(kuò)散，而只能向20鋼擴(kuò)散，造成20碳鋼中的氫元素高度聚集，極易出現(xiàn)延遲裂紋。

上述焊接接頭，在設(shè)備高溫長(zhǎng)時(shí)間服役時(shí)，焊縫熔合區(qū)發(fā)生碳由碳鋼去向不銹鋼焊縫隙區(qū)的擴(kuò)散，在碳鋼一側(cè)碳元素含量低，產(chǎn)生脫碳層，同時(shí)，在不銹鋼一側(cè)產(chǎn)生增碳層。這種擴(kuò)散會(huì)使焊縫中的珠光體由于碳含量降低而轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體組織，從而導(dǎo)致區(qū)域軟化，焊縫抗蠕變性能大幅度降低，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)裂紋，接頭最終斷裂。

根據(jù)這兩類鋼的特性，可以采用現(xiàn)場(chǎng)常用的非熔化極鎢極氳弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊和焊條電弧焊等方法，但綜合考慮到金屬熔合比對(duì)焊縫質(zhì)量的影響，以及工作效率和現(xiàn)場(chǎng)特殊的焊接環(huán)境，根據(jù)焊接管子的直徑大小，來(lái)選擇所用焊接方法：對(duì)直徑較小管材，可以優(yōu)先選用非熔化極鎢極氬弧焊，直徑較大管材可以優(yōu)先選擇非熔化極鎢極氬弧焊先打底，后再用熔化極氣體保護(hù)焊蓋面的焊接方法。

4.2 焊接工藝

4.2.1 焊絲選用

根據(jù)上述對(duì)這兩種鋼的焊接性能分析，主要從改變焊縫的應(yīng)力大小、調(diào)整焊縫熔合區(qū)的組織成分、減少高溫下熔合區(qū)焊縫元素中碳的擴(kuò)散、提高焊縫熔池邊緣溫度等方面考慮。綜合本次檢修的列管管徑，保證焊縫在帶壓氨介質(zhì)中使用良好，故采用先非熔化極鎢極氬弧焊先打底，后再用熔化極氣體保護(hù)焊蓋面的焊接方法。在非熔化極鎢極弧焊時(shí)，選用ER309L焊絲，在熔化極氣體保護(hù)焊時(shí)，選擇E309LT-3的帶藥芯氬焊絲。endprint

4.2.2 焊接坡口選擇

綜合考慮母材及焊接材料的熔合性能，需焊接管口以及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，為獲得可靠的焊縫性能，我們選擇了V型坡口，坡口間留有間隙，間隙保證在1.5-2.5mm之間，坡口角度保證60±5°。

4.2.3 焊接參數(shù)選擇

上述兩種異種鋼的焊接時(shí)，主要考慮降低20鋼在焊縫金屬的熔合比，同時(shí)兼顧焊縫接頭質(zhì)量，焊接操作過(guò)程應(yīng)選用較小的電流，采用快速的焊接方法，運(yùn)用多層多次焊接，從而達(dá)到降低熱源在焊縫熔池邊緣的停留滯留時(shí)間，避免碳元素的大量遷移，提高焊縫的高溫穩(wěn)定性能。選用ER309L，Φ2.5焊絲進(jìn)行打底焊接，直流正接，電流60±5A，電壓U=20±2V，焊速為75mm/min；蓋面焊縫采用E309LT-3的帶藥芯氬焊絲，電流為（60-70）A，電壓U=（24-26）V，焊速為（50-70）mm/min焊接規(guī)范進(jìn)行焊接。本次采用電流60A左右。在蓋面焊時(shí)，采用多層多道焊時(shí)，采用小參數(shù)，層間溫度控制在200℃～250℃之間，直至焊接結(jié)束。

4.2.4 焊縫檢驗(yàn)

在焊接完成后，必須對(duì)焊縫外觀檢查，杜絕出現(xiàn)咬邊、焊瘤、氣孔等缺陷；要求24小時(shí)后對(duì)焊縫進(jìn)行著色探傷，杜絕出現(xiàn)裂紋等缺陷；焊縫內(nèi)部進(jìn)行射線探傷必須符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的規(guī)定。

5 實(shí)施效果

完成后，09MT01透平蒸汽耗氣量由每小時(shí)130T下降125T，效果明顯。氨氣進(jìn)出口溫度由3度提升到34度，基本能滿足工藝生產(chǎn)的需要。說(shuō)明此方案取得了成功，焊接質(zhì)量得到了肯定。

6 結(jié)束語(yǔ)

我公司在化工檢修過(guò)程中，20鋼與304異種鋼管對(duì)接焊應(yīng)用非常廣泛，檢修的設(shè)備管線運(yùn)行良好使用至今，進(jìn)一步驗(yàn)證了異種鋼管只要采用適當(dāng)?shù)暮附臃椒?、選擇恰當(dāng)?shù)墓に嚭拖鄳?yīng)的焊接材料，是完全可以獲得良好機(jī)械性能和使用性能效果良好的焊縫。

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