臥式水冷器換熱管與管板間接頭的焊接工藝探討

張宇睦 趙路寧 石 巖 王明悅 程 康

（1．淄博市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 淄博 255000)

（2．山東省特種設(shè)備協(xié)會(huì) 濟(jì)南 250000)

1 概述

1.1 基本情況

某化工單位使用的臥式水冷器為U形管換熱器，基本情況見(jiàn)表1，該設(shè)備使用時(shí)間一般不超過(guò)一年半，管頭焊縫即發(fā)生泄漏，就需要停車(chē)維修，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。臥式水冷器管板材質(zhì)為20MnMo（Ⅳ級(jí)鍛件），規(guī)格為φ1 460 mm×309 mm，換熱管為20鋼管，規(guī)格為φ25 mm×3 mm，以往的臥式水冷器制造中，管頭焊縫采用氬弧焊焊2層，焊接過(guò)程進(jìn)行了焊前預(yù)熱、焊后緩冷等工藝措施，管頭焊接示意圖如圖1所示。

圖1 管頭焊接示意圖（原工藝）

表1 臥式水冷器基本參數(shù)

1.2 臥式水冷器管頭焊縫泄漏原因探討

1）管板20MnMo具有一定淬硬和延遲裂紋傾向，且管頭焊縫熔池小，冷卻速度快，加上管板較厚，焊縫冷卻收縮時(shí)受到的拘束度較大，因此管頭焊縫易產(chǎn)生冷裂紋。

2）管頭焊縫為管板20MnMo與換熱管（20）之間的異種鋼焊接，在管板20MnMo一側(cè)熔合線(xiàn)處存在結(jié)晶過(guò)渡區(qū)，該區(qū)域化學(xué)成分、組織變化較大，性能不穩(wěn)定，易產(chǎn)生焊接缺陷和應(yīng)力集中。

3）管程設(shè)計(jì)壓力（16 MPa）高，管程與殼程間壓差大，管頭焊縫承受了很大的拉脫力和應(yīng)力沖擊。

4）管頭焊縫截面積較小，受介質(zhì)腐蝕和焊接缺陷影響較大，一旦存在腐蝕或焊接缺陷，焊縫有效承載截面積將銳減，導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度不足而發(fā)生泄漏。

2 管頭焊接工藝措施及分析

2.1 管頭焊接工藝措施

基于以上分析，對(duì)管頭焊接提出以下工藝措施[1]，管頭焊接示意圖（改進(jìn)后）如圖2所示。

圖2 管頭焊接示意圖（改進(jìn)后）

1）清理待堆焊層，采用埋弧帶極堆焊工藝在管板表面堆焊低碳鋼過(guò)渡層，堆焊2層，每層高度為4 mm，厚度不少于7 mm，具體焊接工藝見(jiàn)“3.1管板表面堆焊低碳鋼過(guò)渡層”。

2）堆焊后的管板進(jìn)行爐內(nèi)消除應(yīng)力熱處理，加熱溫度為610±10 ℃，保溫時(shí)間應(yīng)≥4.6 h，升溫速度和降溫速度為70～90 ℃／h[2]。

3）對(duì)管板進(jìn)行機(jī)加工，機(jī)加工后堆焊層厚度應(yīng)不低于5 mm。

4）無(wú)損檢測(cè)：堆焊前管板待堆焊面進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)[3]，堆焊層進(jìn)行100%超聲檢測(cè)[4]，機(jī)加工后表面進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)[3]。

5）管板按圖紙機(jī)加工、鉆孔，將換熱管穿入管孔內(nèi)裝配點(diǎn)固，換熱管伸出管板表面4～5 mm。

6）采用手工鎢極氬弧焊焊接管頭，施焊3層，第1層采用不填絲自熔焊接，保證根部焊透，第2層、第3層填絲焊接，保證焊腳高度滿(mǎn)足要求，具體見(jiàn)“3.2管頭焊接工藝”。

7）對(duì)管頭進(jìn)行貼脹，脹接壓力選擇150～170 MPa，脹度選擇2%～3%。

8）貼脹完成后，在管頭碳鋼焊縫及管橋上再堆焊1層鎳基金屬，具體見(jiàn)“3.3鎳基金屬堆焊工藝”。

9）對(duì)管頭進(jìn)行局部消除應(yīng)力熱處理[5]，加熱帶應(yīng)水平固定在管板表面，4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)均勻布置，外面包覆保溫材料，加熱溫度為610±10 ℃，保溫時(shí)間為2 h。

10）對(duì)鎳基金屬堆焊層進(jìn)行100%滲透檢測(cè)[6]，對(duì)管頭焊縫進(jìn)行5%射線(xiàn)檢測(cè)[7]。

2.2 工藝措施分析

1）由于埋弧帶極堆焊技術(shù)熔敷效率高，熔深淺而均勻（熔深能控制在1 mm以?xún)?nèi)），稀釋率低（只有3%～9%），堆焊層成形良好[8]，所以選擇埋弧帶極堆焊在管板表面堆焊低碳鋼過(guò)渡層。堆焊時(shí)，應(yīng)合理地選擇焊接線(xiàn)能量[8]，線(xiàn)能量過(guò)大，一是焊接時(shí)易形成過(guò)熱組織，降低焊接接頭的力學(xué)性能，二是熔深大，熔合比增大，母材對(duì)焊縫的稀釋作用變大，不利于低碳鋼過(guò)渡層的堆焊；線(xiàn)能量過(guò)小，熔池溫度低，冷卻速度快，在20MnMo一側(cè)易形成淬硬組織，產(chǎn)生冷裂紋。

2）利用帶極堆焊在管板上堆焊低碳鋼過(guò)渡層，把承受工作應(yīng)力較大且容易開(kāi)裂的管頭焊縫從異種鋼焊接變?yōu)橥N鋼（20）焊接，降低了焊接難度。

3）增加低碳鋼過(guò)渡層，使在管板（20MnMo）上堆焊低碳鋼和在低碳鋼上堆焊鎳基材料都相對(duì)比較容易，堆焊質(zhì)量也容易保證。

4）在管頭焊縫及低碳鋼過(guò)渡層堆焊1層鎳基金屬，提高了管頭焊縫的承載能力以及管程側(cè)的耐腐蝕性能，消除了貼脹產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；對(duì)管頭進(jìn)行貼脹，減少了管頭焊縫與殼程介質(zhì)的接觸，降低了其在殼程側(cè)的腐蝕，同時(shí)貼脹減輕了換熱管在工作中的振動(dòng)，避免了管頭焊縫承受交變振動(dòng)載荷，間接提高了管頭焊縫的壽命。

5）鎳基金屬堆焊時(shí)易形成熱裂紋[9]。焊接時(shí)應(yīng)注意以下3點(diǎn)：（1）清理管板待堆焊面的氧化皮、油污、灰塵等雜物；（2）嚴(yán)格控制低碳鋼堆焊層及鎳基焊材的S、P含量；（3）采用較低的焊接線(xiàn)能量施焊，防止熔池過(guò)熱，產(chǎn)生焊接熱裂紋。

6）對(duì)鎳基堆焊層進(jìn)行滲透檢測(cè)，對(duì)管頭焊縫進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)，減少了焊接缺陷，提高了管頭焊縫質(zhì)量。

3 焊接工藝

3.1 管板表面堆焊低碳鋼過(guò)渡層

采用帶極堆焊技術(shù)在管板表面堆焊低碳鋼過(guò)渡層，焊接工藝見(jiàn)表2。

表2 管板（20MnMo）堆焊低碳鋼焊接工藝參數(shù)

1）焊帶選用HD05，規(guī)格為50×0.4 mm，焊劑選用中性焊劑SJ246，應(yīng)控制焊材中的S、P含量，其中，焊帶：S≤0.020%，P≤0.020%；焊劑：S≤0.035%，P≤0.040%；堆焊金屬：S≤0.025%，P≤0.025%。

2）按NB／T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》[2]的要求，20MnMo的最低預(yù)熱溫度為80 ℃，后熱溫度一般為200～350 ℃，保溫不少于30 min。考慮到管板較厚（厚度為309 mm），預(yù)熱溫度適當(dāng)提高到120～150 ℃，層間溫度為200～250 ℃，消氫處理溫度為300～350 ℃，保溫1 h。

3）利用埋弧自動(dòng)帶極堆焊焊接低碳鋼過(guò)渡層，旋轉(zhuǎn)堆焊2層，2層焊道錯(cuò)開(kāi)半個(gè)焊道，每層高度為4 mm，厚度不少于7 mm，堆焊層表面要求平整，管板的邊緣和中心采用焊條電弧焊進(jìn)行焊補(bǔ)，確保管板表面完全覆蓋。

4）按圖紙對(duì)管板進(jìn)行機(jī)加工，在低碳鋼過(guò)渡層表面進(jìn)行化學(xué)成分分析，實(shí)測(cè)值應(yīng)滿(mǎn)足焊帶、焊劑熔敷金屬化學(xué)成分要求。

3.2 管頭焊接工藝

采用手工鎢極氬弧焊焊接管頭焊縫，焊接工藝見(jiàn)表3，第1層采用自熔方式，不填絲焊接，確保根部焊透，第2層、第3層進(jìn)行填絲焊接，保證焊腳高度不低于3 mm。

表3 管頭手工鎢極氬弧焊焊接工藝參數(shù)

3.3 鎳基金屬堆焊工藝

貼脹完成后，在管頭碳鋼焊縫及管橋上再堆焊1層鎳基金屬，焊接工藝見(jiàn)表4。

表4 鎳基金屬堆焊層手工鎢極氬弧焊焊接工藝參數(shù)

1）焊絲選用SNi6082，規(guī)格為φ2.5 mm，控制焊絲中的S、P、Si含量，其中，S≤0.015%，P≤0.020%，Si≤0.50%，Ni≥67%，Cr為18.0%～22.0%，Mo為2.5%～3.5%[10]。

2）利用手工鎢極氬弧焊堆焊管頭焊縫，并將管頭周?chē)牡吞间摱押笇油耆采w。為防止熱裂紋產(chǎn)生，焊接采用較低線(xiàn)能量，即小電流、短弧焊接，適當(dāng)提高焊接速度，焊槍直線(xiàn)運(yùn)作，收弧時(shí)要填絲，將收弧點(diǎn)引到管板上，減少收弧點(diǎn)，焊道盡量長(zhǎng)，堆焊層厚度不低于2 mm。

3）堆焊層表面進(jìn)行化學(xué)成分分析，實(shí)測(cè)值應(yīng)滿(mǎn)足焊絲SNi6082化學(xué)成分要求。

4 焊接工藝評(píng)定

按上述焊接工藝方案，依據(jù)NB／T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[11]進(jìn)行了3組焊接工藝評(píng)定。

4.1 在鍛件20MnMo Ⅳ帶極堆焊低碳鋼層

堆焊低碳鋼層試件示意圖如圖3所示。

圖3 堆焊低碳鋼層試件示意圖

1）適用范圍：基層厚度≥18 mm，堆焊層厚度≥5 mm。

2）焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

3）評(píng)定結(jié)果。各項(xiàng)檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果均合格，見(jiàn)表5。其中，堆焊層評(píng)定最小厚度為5 mm，該處化學(xué)成分分析見(jiàn)表6，滿(mǎn)足焊帶HD05與焊劑SJ246組配堆焊熔敷金屬化學(xué)成分的要求。

表5 焊接工藝評(píng)定結(jié)果

表6 堆焊層化學(xué)成分分析%

4.2 在低碳鋼層上堆焊鎳基材料

堆焊鎳基材料試件示意圖如圖4所示。

圖4 堆焊鎳基材料試件示意圖

1）適用范圍：基層鋼厚度≥10 mm，堆焊層厚度≥2 mm。

2）焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

3）評(píng)定結(jié)果。各項(xiàng)檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果均合格，見(jiàn)表7，其中，堆焊層評(píng)定最小厚度為2 mm，該處化學(xué)成分分析見(jiàn)表8，化學(xué)成分分析能夠滿(mǎn)足焊絲的化學(xué)成分要求。

表7 焊接工藝評(píng)定結(jié)果

表8 堆焊層化學(xué)成分分析%

4.3 管頭附加焊接工藝評(píng)定

1）按NB／T 47014—2011[11]附錄D的要求對(duì)管頭焊縫進(jìn)行附加評(píng)定，其中管板為20 Ⅱ鍛件，厚度為20 mm，換熱管φ25 mm×3 mm。

2）管頭手工鎢極氬弧焊焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

3）評(píng)定結(jié)果。各項(xiàng)檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果均合格，見(jiàn)表9。

表9 焊接工藝評(píng)定結(jié)果

綜上所述，3項(xiàng)評(píng)定所擬定的預(yù)焊接工藝經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，滿(mǎn)足NB／T 47014—2011和圖紙的要求，可用于實(shí)際生產(chǎn)。

5 焊接施工

2018年9月，某制造單位采用上述工藝制造了1臺(tái)臥式水冷器，經(jīng)過(guò)各項(xiàng)檢驗(yàn)與試驗(yàn)，產(chǎn)品質(zhì)量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求，其中，管頭焊縫進(jìn)行X射線(xiàn)拍片30張，返修片2張，不合格管頭經(jīng)返修、復(fù)探、擴(kuò)探后全部合格。該設(shè)備2018年底投用后，至今運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

6 結(jié)論

1）臥式水冷器管頭焊縫的泄漏原因如下：管板材料和管頭焊接結(jié)構(gòu)存在一定冷裂紋傾向；管頭焊縫為異種鋼焊接，化學(xué)成分、金相組織、接頭性能存在很大不均勻性；管頭焊縫承受了很大的內(nèi)外壓差；介質(zhì)腐蝕和焊接缺陷的影響。

2）對(duì)臥式水冷器管頭焊接工藝提出以下改進(jìn)措施：在管板（20MnMo）上堆焊低碳鋼過(guò)渡層，將管頭的異種鋼焊接變?yōu)橥N鋼焊接，以降低焊接難度；在低碳鋼管頭焊縫及管橋上堆焊1層鎳基金屬，并對(duì)管頭進(jìn)行貼脹，以提高管頭焊縫的耐腐蝕性能；對(duì)管頭焊縫進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)和滲透檢測(cè)，以減少焊接缺陷，提高焊接質(zhì)量。

3）按照改進(jìn)的工藝措施對(duì)管板堆焊和管頭焊接進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，評(píng)定結(jié)果合格。

4）某制造單位按照本文所述管頭的焊接工藝，制造了1臺(tái)臥式水冷器，運(yùn)行良好。