內(nèi)縮式316L換熱管與管板焊接接頭組織與性能

羅永智，武靖偉，李義民，王志剛，王有銀，車文斌，厚喜榮，石慧君，龔 芳，王金霞

(1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，蘭州 730314;2.甘肅省壓力容器特種材料焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，蘭州 730314)

0 引言

管殼式換熱器是石油、化工、核電領(lǐng)域中最常見的一種通用設(shè)備[1-4]，由于換熱管與管板焊接接頭長期承受加熱、冷卻以及介質(zhì)的腐蝕，換熱管與管板結(jié)構(gòu)的質(zhì)量直接影響著換熱器的安全和穩(wěn)定運(yùn)行[5-6]，因此換熱管與管板的連接是制造過程中的關(guān)鍵程序[7]。常見換熱管與管板的焊接接頭形式有3種，即管端伸出式、平齊式和內(nèi)縮式接頭結(jié)構(gòu)[8]。內(nèi)縮式結(jié)構(gòu)與其他兩種常見接頭形式相比，其優(yōu)點(diǎn)是對于根部熔合質(zhì)量有改善，產(chǎn)品接頭射線檢測一次合格率較高，從而縮短了生產(chǎn)周期。對于立式換熱器的上管板應(yīng)用，可有效避免積液現(xiàn)象，而且焊縫位于管程側(cè)，當(dāng)殼程溫度過低時，可利用管程較高溫度對焊縫部位進(jìn)行高溫保護(hù)，換熱管與管板接頭可承受更大的拉脫力，故常用于高溫高壓、振動、交變載荷和應(yīng)力腐蝕等服役條件比較苛刻的工況[9-10]，但不足之處是手工焊接操作難度大，對焊工的技能水平要求較高[11]，需熟練掌握送絲技巧和控制熔池形狀及溫度[12-13]。

某裝置中間冷卻器為臥式結(jié)構(gòu)，設(shè)備及管箱結(jié)構(gòu)如圖1所示，管板與管箱筒體為一整體鍛件，管箱內(nèi)徑為805 mm，長度為1 105 mm，厚度為207.5 mm，管孔數(shù)量共計(jì)1 012。由于管箱空間狹小，焊工只能蜷縮在管箱筒體中進(jìn)行焊接，同時管孔坡口角度小(單邊25°)，若選用焊接管頭的氬弧焊絲直徑較大(?2.0 mm)，換熱管與管板焊接時根部很難焊透，容易出現(xiàn)未熔合、未焊透等缺陷，因此如何保證換熱管與管板的焊接質(zhì)量成為該設(shè)備制造的關(guān)鍵。本文針對內(nèi)縮式結(jié)構(gòu)的板-管進(jìn)行了大量的焊接試驗(yàn)，以獲得最佳焊接工藝參數(shù)。

圖1 中間冷卻器簡圖

1 換熱管與管板結(jié)構(gòu)

中間冷卻器管板材料為SA-765 Gr.Ⅱ堆焊309MoL+316L型不銹鋼材料，堆焊層總厚度12 mm；換熱管采用?15.9 mm×3 mm的SA-213 TP316L型不銹鋼材料，換熱管長度為100 mm。換熱管與管板焊接采用內(nèi)縮式接頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)(見圖2)，坡口深度3.5 mm，坡口角度為25°，圖3示出管孔分布，相鄰兩換熱管中心距為20 mm。

(a)管板-換熱管結(jié)構(gòu)

圖3 管孔分布示意

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用手工鎢極氬弧焊(M-GTAW)進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備為型號ADP 400 的直流氬弧焊機(jī)，如圖4所示。

(a)電源

2.2 試驗(yàn)材料

管板試件材料為SA-765 Gr.Ⅱ堆焊309MoL+316L，換熱管試件材料SA-213 TP316L，規(guī)格為?15.9 mm×3 mm，焊接所用的氬弧焊絲(直絲)為ER316L(?1.0 mm)。堆焊層、換熱管及焊絲的成分如表1所示。

表1 化學(xué)成分

2.3 試驗(yàn)過程

待管板試件堆焊完畢并完成焊后熱處理(PWHT)后，按照圖5 所示加工坡口。焊前采用鋼絲刷清理換熱管與管板坡口處及附近區(qū)域的雜質(zhì)，并用無水乙醇擦拭換熱管、管孔及坡口表面，然后再進(jìn)行裝配，采用M-GTAW進(jìn)行點(diǎn)焊固定，并對管頭進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記如圖6所示。

(a)管板主視圖

圖6 管頭編號示意

試件采用M-GTAW進(jìn)行焊接，其中氬氣純度≥99.99%，焊接參數(shù)見表2。

表2 管板與換熱管焊接工藝規(guī)范

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 內(nèi)縮深度對比結(jié)果分析

如圖5所示的換熱管-管板結(jié)構(gòu)中，管板側(cè)焊接坡口僅25°，相鄰換熱管最小間距為20 mm，換熱管內(nèi)縮深度為2.5 mm，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)內(nèi)縮深度為3.5 mm時形成的焊接接頭比內(nèi)縮深度2.5 mm的接頭美觀，分析認(rèn)為當(dāng)內(nèi)縮深度為3.5 mm，保護(hù)氣流量為25～30 mm/L時，可以有效地解決孔橋間距小和坡口角度小而導(dǎo)致根部無法焊透的問題，能夠保證管接頭的焊接質(zhì)量[14-15]。

(a)首層填絲焊

3.2 改變打底焊工藝的對比試驗(yàn)分析

換熱管與管板的打底焊接有自熔和填絲兩種方式，分別采用兩種焊接工藝進(jìn)行對比試驗(yàn)，焊縫宏觀圖片如圖7所示。

從圖7可以看出,采用首層填絲進(jìn)行的焊接的焊縫表面(見圖7(a))存在未熔合現(xiàn)象，而采用首層自熔進(jìn)行焊接的焊縫(見圖7(b))熔合良好且焊縫飽滿。經(jīng)PT檢測,兩種工藝下的管頭均未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔等表面缺陷，但首層填絲下的接頭經(jīng)剖切后發(fā)現(xiàn)未熔合缺陷。分析原因?yàn)楣芸灼驴诮嵌容^小(25°)，首層填絲時焊絲不能伸至管頭根部，通過自熔后管板坡口會隨熱輸入的增加而增大，焊絲也將伸至管頭根部。焊縫根部未焊透是換熱管與管板接頭形式不允許出現(xiàn)的缺陷，它會造成應(yīng)力集中，最終在拉伸載荷的作用下，將會成為裂紋的源頭，從而降低設(shè)備換熱性能。

3.3 無損檢測結(jié)果分析

對第1層自熔+3層填絲焊后的管板與換熱管接頭分別編號，宏觀形貌如圖8所示，再按NB/T 47013.5—2015進(jìn)行100%PT檢測，焊縫表面未發(fā)現(xiàn)任何缺陷；其后采用X射線探傷儀對焊縫按NB/T 47013.2—2015進(jìn)行100%RT檢測，10個焊接接頭焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋及未熔合缺陷，射線底片如圖9所示。

圖8 焊接接頭截面形貌

3.4 宏觀形貌分析

采用線切割機(jī)沿劃線部位(見圖8)橫向切割(按NB/T 47014標(biāo)準(zhǔn)附加試驗(yàn)規(guī)定，缺少縱向切割對比過程，建議補(bǔ)充)，部分宏觀剖切圖如圖10所示，可以看出管頭剖切面未有現(xiàn)明顯缺陷及裂紋，同時對剖切面進(jìn)行剖光、腐蝕，觀察并采用角焊縫測量儀測量所有管頭角焊縫厚度，測量結(jié)果如圖11所示。

圖9 管頭射線底片

圖10 管頭宏觀剖切面

圖11 試樣角焊縫尺寸

從圖11可以看出所有接頭的角焊縫厚度均大于0.9t(t為換熱管的名義厚度，t=3 mm)，滿足NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》的要求。

3.5 微觀組織分析

采用Olympus DX510顯微鏡對9#管-板焊接接頭剖切面進(jìn)行金相分析，金相圖像如圖12所示，可以看出，焊縫與母材熔合良好，熱影響區(qū)晶粒較大，而焊縫區(qū)域晶粒細(xì)小，管板母材和換熱管母材均為奧氏體組織，分析原因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)與焊縫區(qū)均有少量的鐵素體析出。

圖12 管-板焊接接頭顯微組織

3.6 微觀硬度分析

使用維氏硬度儀分別對8#,9#,10#換熱管與管板焊接接頭和母材顯微硬度進(jìn)行測量，每個區(qū)域取3個點(diǎn)求平均值，顯微硬度分布曲線如圖13所示。可以看出，換熱管母材硬度最低，焊縫部位硬度最高，熱影響區(qū)硬度介于二者之間，在數(shù)值上各個區(qū)域的硬度變化相差較大;焊縫區(qū)域的顯微硬度稍高于其他區(qū)域，分析原因?yàn)樯倭胯F素體的析出導(dǎo)致晶界強(qiáng)化，從而減少了有害雜質(zhì)的偏析。

3.7 應(yīng)用情況

通過上述試驗(yàn)，將換熱管與管板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化成內(nèi)縮式結(jié)構(gòu)，換熱管內(nèi)縮3.5 mm且管板上的換熱管端進(jìn)行3.5 mm×25°內(nèi)倒角的接頭形式，并分區(qū)域焊接，中間冷卻器管板與換熱管焊接圖樣如圖14所示，共1 012個管頭，管板與換熱管焊接接頭一次性通過了外觀檢查、氦檢漏試驗(yàn)、滲透檢測、射線檢測以及水壓試驗(yàn)的圖紙技術(shù)條件要求的各項(xiàng)檢測。

圖14 產(chǎn)品管頭圖樣

4 結(jié)論

(1) 采用第1層自熔+3層填絲焊接，內(nèi)縮深度為3.5 mm進(jìn)行焊接時，可有效解決根部未焊透現(xiàn)象，所獲得的焊縫均勻美觀，焊縫飽滿。

(2)經(jīng)過RT檢測及斷面宏觀檢測均未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷及裂紋，同時測量出了最小角焊縫厚度，所有接頭的角焊縫厚度均大于要求值2.7 mm，滿足要求圖紙技術(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。