Alloy825 材料換熱管對管板自動焊焊接工藝研究

韓永強，劉 斌，吳秀峰

（大慶石油化工機械廠有限公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

螺紋鎖緊環(huán)式換熱器是當(dāng)今世界最先進(jìn)的的熱交換設(shè)備，國內(nèi)外大型煉油企業(yè)在加氫裂化、加氫精制、加氫脫硫裝置中一般均采用此種形式換熱器。此次承擔(dān)的某煉油廠120 萬噸/年加氫裂化裝置熱高分氣與混氫換熱器就是螺紋鎖緊環(huán)式換熱器，U 形管束中管板采用12Cr2Mo1（H）Ⅳ堆焊Alloy625，換熱管采用Alloy825 材料，換熱管與管板的焊接是此次換熱器制造質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。

根據(jù)技術(shù)統(tǒng)計，換熱器發(fā)生泄漏60%以上的原因是由于管對管板焊接接頭的焊接質(zhì)量未能滿足質(zhì)量要求而引起的。隨著當(dāng)今世界石油煉化行業(yè)的大力發(fā)展，對壓力容器制造的質(zhì)量要求也越來越高，尤其是換熱器中管板管頭焊接提出了更加嚴(yán)格的質(zhì)量要求。為提高換熱管與管板接頭的焊接質(zhì)量，本次管對管板焊接使用自動焊。管板設(shè)計壓差為3.6 MPa，換熱面積131 m2，折流板間距330 mm，腐蝕余量（管/殼）為0/5 mm；壓力容器為Ⅲ類（A1級），換熱管規(guī)格為Φ19×2 mm，管板、換熱管的材料為12Cr2Mo1（H）Ⅳ堆焊Alloy625+Alloy825。其他設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 設(shè)備參數(shù)

1 焊接相關(guān)參數(shù)確定

1.1 管板管孔坡口確定

在焊接試驗時發(fā)現(xiàn)：Alloy825 合金材料在焊接熔化時液體金屬的流動性不如一般普通的鋼材；焊接坡口角度選擇不合適，很容易在焊接過程中產(chǎn)生未熔合現(xiàn)象。根據(jù)以上兩點采取如下措施：一是通過加大焊接電流來增加金屬的流動性，焊接試驗后效果不大，而且還會導(dǎo)致焊接過熱造成不良影響；二是管板管孔焊接坡口加工尺寸嚴(yán)格按照圖1 加工。

圖1 管孔坡口加工示意

1.2 工藝制定

針對管束的材料規(guī)格和設(shè)備運行的工藝性能要求自動焊焊接，首先根據(jù)所用材料選擇相應(yīng)的焊材（ERNiCr-3）及焊接工藝參數(shù)：焊接采用填絲的兩遍焊，交錯起弧60°～180°；焊接過程中層間溫度應(yīng)不大于100 ℃，保證根部熔合和焊腳高度及管頭完整；第一遍焊后應(yīng)進(jìn)行報檢，合格后再進(jìn)行第二遍焊接（表2）。

首先進(jìn)行焊接試板的制作，要求焊工嚴(yán)格按照上述工藝進(jìn)行管對管板的焊接。在施焊過程中，發(fā)現(xiàn)有很多管頭有燒穿的現(xiàn)象，整個管板管頭的焊縫的外觀質(zhì)量也比較差（圖2）。

圖2 管頭管板焊接時缺陷

表2 第一遍填絲和第二遍填絲焊接工藝參數(shù)

針對上述情況，分析認(rèn)為導(dǎo)致管頭燒穿的原因可能有以下5 個：①焊接的工藝參數(shù)、管板管孔焊接處的坡口型式不合適；②換熱管管頭伸出管板的長度不一致；③焊前清理不干凈；④預(yù)熱及道間溫度的控制未控制好；⑤施焊人員未規(guī)范操作。

2 工藝試驗和措施

2.1 焊接工藝

此臺U 形管束的管板為：12Cr2Mo1（H）Ⅳ堆焊Alloy625 材料，厚度為104+4 mm；換熱管為Alloy825 材質(zhì)，規(guī)格為Φ19×2（2.5）mm。焊絲采用ERNiCr-3，焊接工藝參數(shù)按照表2 執(zhí)行。

2.2 管頭伸出長度

焊接時發(fā)現(xiàn)換熱管伸出管板長度不一致：圖紙要求管頭的伸出長度為3 mm，管頭伸出長度的不一致會直接影響焊接時焊槍的行走軌跡，從而影響焊接質(zhì)量。經(jīng)過分析，管頭伸出長度不一致的原因是換熱管在穿管定管時人工操作的不精確性造成的。針對人工操作不精確制作了如圖3 所示工裝，定尺時將Φ24 mm 的工裝靠在換熱管的伸出部位，然后輕輕推動到位，立即用手工氬弧焊點焊管板管頭，從而確保實際焊接時管頭伸出長度的一致性。

圖3 調(diào)整管頭長短工裝

2.3 加強清理工作

Alloy825 換熱管表面在制造時在換熱管表面存在難熔的氧化膜，焊前如果不除去該氧化膜，焊接時焊縫易生成夾雜物，影響焊接質(zhì)量。將換熱管管頭50～100 mm 外表面及管板表面用不銹鋼絲刷至露出金屬光澤，用丙酮或甲醇擦拭磨刷部位，待表面干后用不銹鋼絲輪再輕微打磨一遍，保證焊道的清潔。

2.4 預(yù)熱及道間溫度的控制

當(dāng)操作的環(huán)境溫度低于0 ℃時，在焊件的表面會有冷凝水或者潮濕現(xiàn)象出現(xiàn)。這時應(yīng)將管板烘干，保證金屬表面的預(yù)熱溫度不應(yīng)超過50 ℃。焊接時每道間溫度嚴(yán)格控制在60 ℃以下（絕對不可超過此溫度），防止接頭出現(xiàn)問題。

2.5 施焊人員

操作人員的麻痹心理也是造成管頭燒穿的原因。根據(jù)持證和實際練兵情況，選擇一位在試驗件的焊接中能力強的電焊工，由技術(shù)人員組織了一次詳細(xì)的技術(shù)交底會，并要求車間領(lǐng)導(dǎo)、班長和實際操作焊工參加，會上把焊接工藝中的各種參數(shù)加以說明，從而使操作人員領(lǐng)會焊接工藝要求及控制難點，并能從思想認(rèn)識上樹立遵守焊接工藝要求的重要性。

3 產(chǎn)品施焊

通過采取上述一系列的工藝試驗及改進(jìn)措施，管板管頭焊接的接頭未出現(xiàn)管頭燒穿現(xiàn)象，且焊縫的整體外觀質(zhì)量也滿足要求。隨著施焊人員焊接數(shù)量及熟練程度的不斷增加，焊接效率及質(zhì)量有了穩(wěn)步提升（圖4）。

圖4 管對管板焊接檢測后的成品

4 結(jié)論

（1）采用焊絲ERNiCr-3 焊接，其焊接熱輸入、坡口角度的選擇是正確的。

（2）電焊工對Alloy825 合金材料的焊接手法與碳鋼、低合金鋼和不銹鋼焊接的工藝操作規(guī)范不同，必須在焊前按此工藝對焊工進(jìn)行崗前培訓(xùn)。

（3）按照此焊接工藝，管對管板管頭自動焊焊接完全滿足產(chǎn)品的技術(shù)質(zhì)量要求。