N08825復(fù)合板換熱器制造工藝和焊接要點分析

耿亞鴿，白天祥，于成科

（1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院；2.中國石油天然氣第一建設(shè)有限公司，河南 鄭州 471000）

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)

固溶強化鎳基合金（如N08825）具有良好的耐點腐蝕、縫隙腐蝕性能，在氧化和還原環(huán)境下都具有抗酸和堿金屬腐蝕性能，其高鎳成分使合金具有有效的抗應(yīng)力腐蝕開裂性。在各種介質(zhì)中的耐腐蝕性都很好，在油氣田開采工業(yè)中也得到了越來越多的應(yīng)用。

國外某原油處理項目中用到一批導(dǎo)熱油-油換熱器，如圖1所示，設(shè)備總長度為14450mm，筒體內(nèi)徑為1600mm，按照ASME規(guī)范進行設(shè)計和制造。殼程介質(zhì)為導(dǎo)熱油，設(shè)計壓力1.6MPa，設(shè)計溫度255℃，主體材質(zhì)為SA-516M Gr.415。管程介質(zhì)為原油，設(shè)計壓力1.6MPa，設(shè)計溫度255℃，主體材質(zhì)為SA-516MGr.415+UNS N08825，換熱管材質(zhì)為SB-163M UNS N08825。

圖1 壓力容器示意圖

2 主要制造工藝

2.1 一般要求

制造中應(yīng)避免材料表面的機械損傷，復(fù)合鋼板的耐蝕面不應(yīng)采用硬印作為材料的確認標記。耐腐蝕表面的局部傷痕、刻槽等缺陷應(yīng)予修磨。N08825復(fù)合板的切割和坡口加工應(yīng)采用等離子、超高壓水切割及機械加工等方法。采用等離子切割時，復(fù)層放在下面，基層放在上面，切割從基層開始進行；采用機械法切割時，鋼板基層放在下面，復(fù)層放在上面，以避免復(fù)層損傷。如需采用熱切割時，切割邊緣和坡口仍應(yīng)采用機械方法加工并去除污染層。

2.2 殼體

換熱器殼程介質(zhì)為導(dǎo)熱油，殼體材質(zhì)為SA-516M Gr.415，接管材質(zhì)為SA-106 Gr.B，均為低碳鋼，相對來說比較容易焊接。在制造時主要是應(yīng)保證筒體的圓度和直線度。另外需要注意，筒體內(nèi)壁影響換熱管束穿入的焊縫余高均應(yīng)打磨至與母材表面平齊。筒體上的接管、鞍座墊板等焊接時應(yīng)采取防變形措施，不得影響管束的穿入。

2.3 管箱

換熱器管程介質(zhì)為原油，前端管箱（與原油接觸）筒體、封頭和接管材質(zhì)為SA-516M Gr.415+UNS N08825，管箱法蘭材質(zhì)為SA266M Gr.2N+ENiCrMo-3堆焊，接管法蘭面采用SA-105N+ENiCrMo-3堆焊。管箱預(yù)制完成需進行焊后消除應(yīng)力熱處理，所有焊接件應(yīng)在熱處理前焊接完畢，熱處理后不得施焊。熱處理后需要對管箱法蘭及分程隔板的密封面進行二次加工。堆焊完成后對密封面和內(nèi)壁堆焊層進行超聲檢測，超聲檢測合格后，除密封面外，法蘭其余部位再加工至規(guī)定尺寸。

后端管箱（與導(dǎo)熱油接觸）筒體、封頭和接管均采用低碳鋼，筒體和封頭材質(zhì)為SA-516M Gr.415，接管材質(zhì)為SA-106Gr.B。封頭采用整體熱沖壓成型。

2.4 浮頭蓋

浮頭蓋材質(zhì)為SA-516M Gr.415+UNS N08825，浮頭法蘭采用SA-266M Gr.2N+ENiCrMo-3堆焊。浮頭蓋整體冷沖壓成型，成型后應(yīng)進行100%超聲檢測，不允許有任何尺寸的剝離和材料分層。浮頭蓋應(yīng)進行焊后熱處理，熱處理完成后，再將法蘭密封面機加工至規(guī)定尺寸，同時加工螺栓孔。

2.5 管板

管板材質(zhì)為SA-266M Gr.2N+ENiCrMo-3堆焊，由于管板面積相對較大，制造時考慮采用帶極堆焊，密封面堆焊層厚度應(yīng)滿足機加工余量要求。管板加工和堆焊的大致流程為：粗車→預(yù)變形（將管板的待堆焊面預(yù)變形成龜背狀）→堆焊過渡層（堆焊前進行100%磁粉檢測）→堆焊覆層（測量管板平面度）→加工、堆焊隔板槽（固定管板）→加工管板正面→加工管板背面→加工隔板槽（隔板槽略低于密封面）。

2.6 換熱管

換熱管材質(zhì)為SB-163M UNS N08825，換熱管與管板的連接采用強度脹接+密封焊接。管板與換熱管接頭承受系統(tǒng)在運行中由于各種因素變化所產(chǎn)生的交變應(yīng)力，需要確保換熱管管端的密封性，避免產(chǎn)生間隙腐蝕和振動疲勞破環(huán)，同時保證管板管箱側(cè)耐高溫性能。

在正式脹接前應(yīng)進行試脹，以檢查脹管器的質(zhì)量和管材的脹接性能。在試脹后，要對試樣進行比較性檢查，檢查脹口部分是否有裂紋、脹接過渡部分是否有劇烈變化、喇叭口根部與管孔壁的結(jié)合狀態(tài)是否良好等，然后檢查管孔壁與管子外壁的接觸表面的痕跡和嚙合狀況。

2.7 熱處理

根據(jù)設(shè)計文件的技術(shù)要求，換熱器的管箱和浮頭蓋需要進行熱處理，熱處理溫度為620±20℃，熱處理時間大約2.5h，焊后熱處理應(yīng)在焊接工作全部完畢并經(jīng)檢驗合格后，并且在壓力試驗之前進行。經(jīng)焊后熱處理后，設(shè)備表面上不得再進行焊接。

2.8 耐壓試驗

在耐壓試驗前，應(yīng)以0.4～0.5MPa的壓縮空氣，檢查開孔補強板以及鞍座墊板的焊接接頭質(zhì)量。耐壓試驗采用水壓試驗，應(yīng)采用無毒、無腐蝕的新鮮潔凈水，注意控制水中氯離子含量不超過20mg/L。試壓之后應(yīng)將積液徹底排盡，并用干燥空氣將水漬清除干凈。

水壓試驗分三部分進行。一是管接頭試驗：組裝管束和殼體，利用試壓工裝，進行管接頭水壓試驗，檢查管接頭角焊縫有無滲漏。二是管程壓力試驗：裝配管箱、勾圈和浮頭蓋，進行管程壓力試驗，檢查焊縫及連接部位有無滲漏。三是殼程壓力試驗：全部組裝完成后，進行殼程壓力試驗，檢查焊縫及連接部位有無滲漏。

3 焊接技術(shù)要點

3.1 產(chǎn)品焊接試件

根據(jù)設(shè)計文件的要求，換熱器的管程應(yīng)進行焊后熱處理，需要制備產(chǎn)品焊接試件。試件應(yīng)取自合格的原材料，且與容器用材具有相同標準、相同牌號、相同厚度和相同熱處理狀態(tài)。試件應(yīng)由施焊該容器的焊工，采用與施焊容器相同的條件、過程與焊接工藝施焊。試件的尺寸和試樣的截取和試驗按ASME Sec.Ⅸ的相關(guān)規(guī)定。

3.2 焊接工藝評定

該換熱器制造時涉及到的焊接對象有低碳鋼焊接接頭，鎳基復(fù)合板焊接接頭，管板、浮頭蓋、管箱法蘭等表面的耐蝕堆焊，接管法蘭面的耐蝕堆焊，管板和換熱管的密封焊角接接頭等。如果先不考慮母材和焊縫厚度覆蓋問題，至少需要制作如下幾個焊接工藝評定試驗：采用焊條電弧焊和埋弧自動焊的低碳鋼焊接工藝評定（可單獨評定，也可組合評定），采用焊條電弧焊、埋弧自動焊和鎢極氬弧焊的鎳基復(fù)合板焊接工藝評定（可單獨評定，也可組合評定），采用采用埋弧自動焊或電渣焊的鎳基合金堆焊工藝評定，采用焊條電弧焊的鎳基合金堆焊工藝評定，采用鎢極氬弧焊的管板與換熱管焊接工藝評定。

3.3 復(fù)合板焊接

復(fù)合板在下料前，應(yīng)對覆層表面進行100%PT檢測，不得有結(jié)疤、裂紋、夾雜、折疊等缺陷。坡口預(yù)定線邊緣100mm范圍內(nèi)，進行100%超聲檢測，質(zhì)量水平不低于SA-265規(guī)定的1類，不允許有任何尺寸的剝離和材料分層。

復(fù)合板切割和坡口加工應(yīng)采用等離子及機械加工方法。采用等離子切割時，復(fù)層放在下面，基層放在上面，切割從基層開始進行；采用機械法切割時，鋼板基層放在下面，復(fù)層放在上面，以避免復(fù)層損傷。采用熱切割時，切割邊緣和坡口仍應(yīng)采用機械方法加工并去除污染層。制造中應(yīng)避免材料表面的機械損傷，對耐腐蝕表面的局部傷痕、刻槽等缺陷應(yīng)予修磨。

定位焊應(yīng)在基層上進行，并采用與正式焊接相同的焊接材料及焊接工藝。焊接時，宜先焊基層，經(jīng)清根及規(guī)定的質(zhì)量檢驗項目檢驗合格后，再焊過渡層，最后焊復(fù)層。先焊基層時，其焊道根部或表面，應(yīng)距復(fù)合界面1～2mm。焊接過渡層時，應(yīng)采用較小直徑的焊條或焊絲及較小的焊接線能量，盡量減少母材中Fe對合金的稀釋。復(fù)層焊接時，應(yīng)盡可能與復(fù)層表面保持平整、光順。對鎳基合金鋼，其道間溫度應(yīng)不高于100℃，并盡可能采用較小的焊接線能量。焊接完成后，應(yīng)清除表面的焊渣、焊瘤、飛濺及其他污物。

3.4 法蘭面耐蝕堆焊

為增加法蘭面的耐腐蝕性，應(yīng)進行鎳基合金的耐蝕堆焊，在堆焊前應(yīng)進行堆焊工藝評定，工藝評定項目均合格后，方可制定焊接工藝規(guī)程，進行施焊。法蘭機加工密封面堆焊槽和內(nèi)壁尺寸應(yīng)符合圖紙要求，待堆焊面進行100%磁粉檢測。覆層堆焊后，進行超聲檢測，然后將法蘭加工成形，加工后再對堆焊面進行100%滲透檢測。

3.5 復(fù)層表面的保護

在制造過程中應(yīng)注意對耐蝕合金的保護。原材料的擱置要穩(wěn)妥、堆放要整齊，要防止損傷和彎曲。設(shè)置專門的存放區(qū)域，與其它材料隔離。材料在搬運過程中，運輸用具必須配備必要的防鐵離子污染和碰傷的襯墊，如橡膠、木板等。復(fù)合板組對過程中，進行容器內(nèi)部工作時，必須采用鋪設(shè)襯墊等保護措施，以避免污染和損傷覆層表面。

在制造過程中，應(yīng)注意復(fù)合板表面和堆焊覆層表面的保護，嚴禁表面劃傷或者與低熔點金屬接觸以及銅鐵污染。設(shè)備制造完畢并檢驗合格后，所有耐蝕合金內(nèi)表面均應(yīng)進行酸洗+鈍化處理。酸洗可以是單獨進行，也可以酸洗鈍化一次處理，但要注意嚴防過酸洗。鈍化后須用清水將酸洗凈，呈中性。 經(jīng)過酸洗、鈍化處理的表面應(yīng)呈銀灰色，并且要均勻，無過度腐蝕現(xiàn)象。覆層去污垢可采用噴丸、磨光或拋光，噴丸不得使用形狀不規(guī)則或有棱角的介質(zhì)，不得使用噴過鐵器的介質(zhì)或含有鐵質(zhì)的介質(zhì)。

4 結(jié)語

復(fù)合板換熱器制造時的關(guān)鍵點就在復(fù)合板的焊接和耐蝕合金的堆焊，應(yīng)根據(jù)規(guī)范和設(shè)計文件的要求，制作產(chǎn)品焊接試件和進行焊接工藝評定試驗，同時在下料、焊接、熱處理、酸洗鈍化等過程中應(yīng)注意復(fù)合板復(fù)層和耐蝕堆焊表面的保護。