新型Ni-Cr耐蝕合金換熱器管板焊接工藝評(píng)定及組織研究

■ 梁向榮，于海成，嚴(yán)與輝，劉詠詠，吳鴻鳴，崔彥龍

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目前換熱器是廣泛用于石油、化工、冶金等工業(yè)領(lǐng)域的熱交換設(shè)備。在熱交換器生產(chǎn)過程中，管板與換熱管的焊接是極為重要的一環(huán)，管接頭焊接質(zhì)量的好壞直接決定換熱器能否正常工作，絕大多數(shù)換熱器的損壞和后失效都是因?yàn)楹附咏宇^出現(xiàn)問題。首先，在進(jìn)行焊接時(shí)容易出現(xiàn)管壁熔透和焊縫未熔合等焊接缺陷；其次，數(shù)量眾多且密集分布的焊縫會(huì)造成焊接時(shí)管板上下不同區(qū)域存在著嚴(yán)重的熱輸入分配不均，這兩個(gè)問題會(huì)造成管接頭的焊接質(zhì)量下降和較為嚴(yán)重的管板變形，對(duì)換熱器的密封性造成了威脅；再次，換熱器還更多的用于各種酸腐蝕環(huán)境中，甚至某些設(shè)備對(duì)焊接接頭耐酸腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能也同樣要求嚴(yán)格，其焊接連接質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到換熱器的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，可能造成直接的經(jīng)濟(jì)損失。

本文以宣達(dá)實(shí)業(yè)集團(tuán)公司自主研發(fā)新型Ni-Cr合金鐵素體不銹鋼（以下簡(jiǎn)稱XDS—Ⅰ）無縫管與高合金奧氏體不銹鋼（以下簡(jiǎn)稱XDS—Ⅱ）板材焊接為例，對(duì)其焊接工藝評(píng)定進(jìn)行分析，并結(jié)合換熱器管板工藝評(píng)定試件制備要求，對(duì)制備完成的試樣焊縫進(jìn)行檢驗(yàn)及探討。

1. 試驗(yàn)材料

（1）試驗(yàn)材質(zhì) XDS—Ⅰ材質(zhì)是鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～30%的鐵素體不銹鋼，XDS—Ⅱ材質(zhì)是鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%～26%，鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19%～22%的奧氏體不銹鋼。兩種材質(zhì)具有良好的力學(xué)性能和耐蝕性能。試驗(yàn)所用管和板材性能如表1、表2所示。

（2）材料主要應(yīng)用 換熱管板XDS—Ⅱ采用高鉻鉬合金化特種金屬材料，在強(qiáng)氧化性介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐蝕性能。其主要用于制造耐200℃、98.6%～100%硫酸的泵、閥、罐、塔、管線等流程裝備和發(fā)煙硫酸流程裝備。

換熱管XDS—Ⅰ是采用高鉻合金化，并采用鈦鈮雙穩(wěn)定的超純鐵素體不銹鋼材料。其耐濃硫酸性能優(yōu)良，與換熱管板XDS—Ⅱ材質(zhì)性能相當(dāng)，且換熱管材質(zhì)耐海水和氯離子腐蝕能力更佳，主要應(yīng)用于硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)流程中的流程裝備制造，可在相關(guān)領(lǐng)域代替換熱管板XDS—Ⅱ相同材質(zhì)產(chǎn)品，可在海水淡化系統(tǒng)流程中制造冷凝器、換熱器等流程裝備。

表1 力學(xué)性能

（3）管-板試件制備 換熱管-板試件制備依據(jù)N B/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》附錄D的規(guī)定，并遵循GB151—2014《熱交換器》中8.8.2.1換熱管與管板焊接連接相關(guān)要求。由于管板焊縫焊接采用角焊縫，選用的管板厚度應(yīng)不小于20mm，本試驗(yàn)換熱管規(guī)格為φ25mm×2mm，長(zhǎng)度80mm。換熱管板規(guī)格為φ120mm，厚度30mm，試板上加工7個(gè)φ25.1mm的孔，排列如圖1所示。管板焊后實(shí)物如圖2所示。

2. 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

（1）焊接性分析 換熱管板XDS－Ⅱ材質(zhì)組織為奧氏體，焊接性能良好，但容易產(chǎn)生晶間腐蝕和焊接熱裂紋缺陷。由于奧氏體組織不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，而線膨脹系數(shù)大，焊接過程中易于產(chǎn)生拉應(yīng)力，且奧氏體組織不銹鋼在結(jié)晶時(shí)晶粒間存在很薄的液相層，塑性很低，所以其焊接熱裂紋傾向較為嚴(yán)重，焊接過程需嚴(yán)格控制熱輸入。

圖1 管板結(jié)構(gòu)與形式示意

換熱管XDS－Ⅰ材質(zhì)組織為鐵素體。一方面，比馬氏體不銹鋼的延遲裂紋的敏感性小，焊接性能優(yōu)良；另一方面，碳和氮在鐵素體基體中的溶解度非常低，在焊接加熱后冷卻過程中（即使急冷）難以防止晶間碳化物、氮化物析出，在焊縫和焊接熱影響區(qū)（HAZ）晶粒粗大更增加了C、N化物的濃度，從而使鐵素體不銹鋼的焊接接頭急劇脆化和晶間腐蝕敏感，這一現(xiàn)象是鐵素體鋼使用焊接性不良防礙其焊接結(jié)構(gòu)使用的主要原因。而本試驗(yàn)換熱管材質(zhì)中C+N元素總含量≤0.025%，相比普通鐵素體不銹鋼材質(zhì)大幅度降低了C、N的含量，在很大程度上改進(jìn)了鐵素體不銹鋼的抗晶間腐蝕和使用焊接性及其他綜合性能，同時(shí)，為了防止其晶間腐蝕，通過采用小的熱輸入，快速冷卻等方法，降低熱影響區(qū)敏化溫度區(qū)的高溫停留時(shí)間，使之處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 管板焊后實(shí)物

（2）焊前準(zhǔn)備 焊接前，應(yīng)對(duì)待焊區(qū)域表面嚴(yán)格清理，清除全部碳?xì)浠衔?，去除油污、銹等雜質(zhì)污物，呈現(xiàn)出金屬光澤。坡口尺寸和形式屬于次要因素，其變更對(duì)焊接接頭性能基本影響不大，但對(duì)焊縫成形質(zhì)量等有重要作用。因此，坡口尺寸按圖1換熱管坡口要求進(jìn)行加工。

（3）焊接方法 本試驗(yàn)采用手工鎢極氬弧焊（GTAW），因其熱源較集中，又有氬氣保護(hù)冷卻作用，其焊接熱影響區(qū)較窄，晶粒長(zhǎng)大傾向小，焊后不需要清渣，可以全位置焊接。且氬氣保護(hù)效果好，合金元素過渡系數(shù)高，焊縫成分易于控制，同時(shí)隔離了空氣對(duì)熔化金屬的有害作用，是奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼最合適的焊接方法。

（4）焊接材料 本次試驗(yàn)評(píng)定考慮換熱管與管板各方面性能因素，焊接材料全部由公司自主研發(fā)。焊絲是采用基于換熱管板相似材質(zhì)XDS—Ⅱ，規(guī)格φ2.0mm，化學(xué)成分如表3所示。

（5）焊接參數(shù) 焊接參數(shù)的選擇對(duì)焊接質(zhì)量的好壞至關(guān)重要。本文試驗(yàn)考慮到為保證焊縫質(zhì)量性能，采用手工鎢極氬弧焊，鎢極氬弧焊主要焊接參數(shù)如表4所示。

（6）操作要求及注意事項(xiàng) ①XDS—Ⅰ、XDS—Ⅱ材質(zhì)對(duì)焊縫周圍油污等雜物比較敏感，故焊前必須對(duì)焊縫坡口及管口位置及附近油污、雜物等清理干凈直至露出金屬光澤。②XDS—Ⅰ、XDS—Ⅱ材質(zhì)需要選擇小的焊接熱輸入，必須嚴(yán)格控制。③鎢極氬弧焊焊槍鎢棒錐度磨成60°左右，保證電弧集中穩(wěn)定，同時(shí)調(diào)整好鎢極伸出噴嘴長(zhǎng)度，對(duì)于管板焊接角焊縫伸出長(zhǎng)度選擇3～4mm，以更好的保護(hù)熔池，提高焊縫質(zhì)量。④為防止熔池合金元素?zé)龘p和氧化，保護(hù)氣體氬氣純度要求99.99%，氣體流量選擇8～10L/min。⑤試件在室內(nèi)焊接，采取防風(fēng)和換氣措施，保證焊接環(huán)境不受影響。

表3 焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 焊接參數(shù)

（7）焊接記錄 焊接事項(xiàng)準(zhǔn)備完成后，將管板和換熱管樣固定，伸出長(zhǎng)度3～5mm，并調(diào)整均勻。焊接試件人員應(yīng)取得相應(yīng)焊工證書，并有焊接換熱管板的經(jīng)驗(yàn)，焊接時(shí)必須嚴(yán)格按照焊接作業(yè)指導(dǎo)書的工藝參數(shù)和順序要求施焊。實(shí)際焊接參數(shù)如表5所示。

3. 焊接檢測(cè)

焊接完成后，對(duì)焊接試件進(jìn)行檢測(cè)，由于角焊縫受力較小，因此主要進(jìn)行外觀檢測(cè)、滲透檢測(cè)及角焊縫厚度測(cè)定。任取呈對(duì)角線位置的兩個(gè)管接頭切開，兩切口互相垂直，切口一側(cè)面應(yīng)通過換熱管中心線，該側(cè)面即為金相檢測(cè)面，共有7個(gè)，其中應(yīng)包括一個(gè)取自接弧處，焊縫根部應(yīng)焊透不允許有裂紋、未熔合（見圖3），試樣切片焊縫根部位置熔合良好，無裂紋和未熔合等缺陷，均符合要求。

（1）外觀檢測(cè) 外觀檢測(cè)要求焊縫平整光滑，焊縫均勻，表面無肉眼可見裂紋。試樣焊縫經(jīng)檢測(cè)符合要求。

（2）滲透檢測(cè) 滲透檢測(cè)時(shí)需對(duì)焊縫表面清理干凈，著色劑著色時(shí)間不宜過長(zhǎng)或過短，顯像劑要噴涂均勻，保證整個(gè)滲透檢測(cè)的準(zhǔn)確性。每道焊接接頭按照NB/T47013.5規(guī)定進(jìn)行PT滲透檢測(cè)，無裂紋為合格。本試驗(yàn)焊后管板試樣經(jīng)滲透檢測(cè)后焊縫無裂紋，符合NB/T47013.5規(guī)定滲透檢測(cè)PT規(guī)定，如圖4所示。

（3）焊縫厚度測(cè)定 在每個(gè)金相檢測(cè)面上測(cè)定。每個(gè)角焊縫的厚度都應(yīng)≥2b/3（為換熱管公稱壁厚），即厚度≥1.33mm。經(jīng)游標(biāo)卡尺測(cè)量，角焊縫厚度均＞1.33mm符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，實(shí)際測(cè)定值如表6所示。

4. 金相檢測(cè)及組織分析

（1）管板焊接試樣接頭組織分析 體式顯微鏡10倍金相組織：采用萊卡M205C體視顯微鏡，對(duì)管板焊接試樣接頭組織進(jìn)行宏觀觀察，如圖5所示。

從圖5可知，1～7號(hào)試樣，焊縫整體熔合界面穩(wěn)定，其中序號(hào)3焊縫熔敷金屬較多，可以推測(cè)電壓有輕微波動(dòng)，熱輸入較高，但焊縫熔敷金屬整體上組織分布良好。

圖3 管板焊接試樣接頭切片實(shí)物

表5 實(shí)際施焊參數(shù)

表6 角焊縫厚度測(cè)定值

圖4 管板試樣滲透檢測(cè)

通過以上7張管板及焊縫的10倍觀察金相形態(tài)，可以看出，管與管板的焊縫宏觀顯微組織，無明顯缺陷，形貌良好，無裂紋、未熔合、未焊透等缺陷。

焊縫熔合區(qū)金相組織分析：金相組織檢測(cè)按GB/T13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》評(píng)定。圖6為XDS—Ⅰ熔合區(qū)金相組織，圖中左側(cè)為XDS—Ⅰ母材，中間區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)，右側(cè)焊縫區(qū)，從熔合區(qū)金相組織可以看到，熔合區(qū)過渡良好，熔合線明顯，沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，熔合區(qū)焊縫一側(cè)晶粒20～30μm，而在過渡段（橢圓形區(qū)域）的熱影響區(qū)的組織相對(duì)較細(xì)，比較均勻，無過燒組織、無裂紋，無網(wǎng)狀析出物和網(wǎng)狀組織。

圖7熔合區(qū)金相組織，左側(cè)為XDS—Ⅱ母材，中間區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)，右側(cè)焊縫區(qū)，熔合區(qū)的過渡也是良好，熔合線明顯，無缺陷，熔合區(qū)焊縫一側(cè)呈粗大柱狀晶，過渡段（橢圓形區(qū)域）的熱影響區(qū)相對(duì)較細(xì)，整體組織比較均勻。因焊縫區(qū)的化學(xué)成分與母材相近，金相組織仍是奧氏體組織，焊縫中間晶界被腐蝕較少，但仍然可以看到焊縫側(cè)具有均勻的組織形態(tài)、無過燒組織、無裂紋。

圖6 XDS—Ⅰ熔合區(qū)

通過以上金相組織觀察分析，換熱管板焊接接頭組織分布良好，符合微觀組織檢驗(yàn)要求，滿足焊接工藝評(píng)定要求。

5. 結(jié)語

（1）本文對(duì)公司自主研發(fā)新型耐蝕Ni-Cr合金XDS—Ⅰ（鐵素體不銹鋼）管件與XDS—Ⅱ（奧氏體不銹鋼）材質(zhì)管板進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，符合NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》附錄D的規(guī)定，可以指導(dǎo)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需要，滿足產(chǎn)品工藝性要求。

（2）換熱管板焊縫外觀及宏觀金相形貌良好，無裂紋、未熔合、未焊透等缺陷，焊縫合格。焊縫切面微觀金相組織熱影響區(qū)與熔合區(qū)過渡良好，無過燒組織、無淬硬馬氏體組織、無網(wǎng)狀析出物和網(wǎng)狀組織。

圖7 XDS—Ⅱ熔合區(qū)

（3）本次管板焊接工藝評(píng)定及組織分析，為后期新型耐蝕合金的開發(fā)及企業(yè)以實(shí)際生產(chǎn)提供參考依據(jù)。