氨冷卻器在線引流及漏管封堵措施綜述

李德軍

摘 要：針對氨冷器的列管泄漏實施了在線引流，將SUS304不銹鋼管焊接在20碳鋼泄漏管上，漏管管頭全部引至管箱外側，維持了化工氨系統設備的安全穩定運行，文章對上述兩種管材的現場焊接進行了詳細研究，對異種鋼管現場施焊具有一定指導意義。

關鍵詞：引流；氨氣；焊接

中圖分類號：TG44 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0068-02

1 概述

合成氨設備09E005是冷凍回路的段間冷卻器，殼程介質為0.8Mbar的氣氨，管程介質為0.4Mbar的循環水，主要作用是降低冰機功耗和提高機組負荷。2013年2月17日，循環水回水出口氨含量取樣分析為1.2%，判斷管束堵塞和管子嚴重內漏。換熱器氨氣入口68℃，出口溫度65℃（設計值為40℃），氣氨溫度幾乎沒有溫差。這種情況造成了冰機負荷增加、使用二次循環水銅管冷卻器07E001會腐蝕、循環水系統受到污染。

氨的物理性質：通常為無色有強烈刺激性氣味，常溫下加壓可液化，臨界溫度132.9℃，臨界壓力11.38MPa，常壓下冷卻到-33.35℃時液化。液氨揮發性很強，氣化時吸熱很大，在-77.75℃時凝固成無色結晶。氨極易溶于水，并放出熱量。氨的水溶液稱為氨水，呈弱堿性，易揮發。自燃點630℃，在空氣中遇火能爆炸。常溫、常壓下在空氣中的爆炸極限為16%～28%（體積）。氨氣是高度水溶性無色、堿性的刺激性氣體，強烈刺激眼睛和黏膜。

2 堵漏方案

09E005換熱器的列管材質為：20鋼，列管尺寸：？漬19×2.7mm。由于是在線帶壓堵漏，殼程氣氨無法切除，氣態氨易燃易爆且漏量較大，應盡量避免在管箱內部狹小范圍內進行動火。需要在泄漏的換熱管內部，插入？漬14×3mmSUS304不銹鋼管，把不銹鋼管焊接在3/4"×2.7mm的碳鋼管上，將全部漏管匯集于此，再將總管鋼（3/4"×2.7mm的碳鋼管）管頭全部引至管箱外側，進行堵漏。

3 引流的措施

將09E005在線交出循環水，清洗管束；配戴正壓空氣呼吸器和橡膠手套，使用？漬10的不鋼管作為導管，對換熱管進行查漏和確定泄漏位置；將？漬13×3M的不鋼管兩頭焊死后置于泄漏的5根管子當中，這樣可以減少氣氨的泄漏量。為了避開在換熱器內部動火，采用在換熱器殼體的循環水管線上水側開一個？漬35的孔，回水側開一個？漬22的孔，作為引流總管引至設備外部，回收至氨受槽。對于需要引流的管子，使用活接頭，便于安裝；對于分體的引流管端部使用彈簧頂住盲法蘭封頭，以防止氨氣壓力高把堵漏管憋開，產生泄漏。

4 焊接工藝

20鋼主要含有珠光體和鐵素體，SUS304主要含有奧氏體成分。這兩種材質在焊接過程中要考慮材質的物理、化學性能的不良影響，而且要考慮兩種材質成分組織不同對接頭性能的影響。特別要考慮兩種材質的焊接性能，像20鋼珠光體鋼存在冷裂紋、脆化等；304中奧氏體鋼存在熱裂紋等。

4.1 焊接性能分析

在物理性能方面20碳鋼與304不銹鋼母材，熱導率、線膨脹系數等差異較大，焊接后想獲得較好的接頭，就必須從母材的基本焊接性能進行分析，從而選擇正確焊接方法、焊條和焊接工藝。

從物理性能分析，304的線膨脹系數大，20碳鋼的冷卻收縮量少，焊縫的拉應力大為減小，使焊縫與母材存在壓應力，在設備高溫下長時間運行中，焊縫區將的持續蠕變，造成焊縫的破壞大大提前。可以選用與20碳鋼相近膨脹系數的奧氏體焊縫成分，以改變整個焊縫隙的性能。

20碳鋼與304焊接過程形成的焊縫，其成分由兩種母材和填充金屬混合成分。如果焊縫中20碳鋼溶入焊縫金屬的份額增大，就會沖稀釋焊縫中合金元素濃度，焊縫出現冷裂紋、脆化等傾向增大。故此，為減少接頭焊縫裂紋和脆化，要求20碳鋼在焊縫金屬中所占質量比越小越好，并要求熔合比穩定，采用由焊接材料來控制焊縫金屬的成分和組織，從而獲得理想奧氏體和鐵素體雙相組織成分，避免引起脆化的馬氏體組織的出現。液態的金屬焊縫熔池邊緣維持時間及短，溫度也較熔池內部低很多，流動性較差，最容易結晶形成固態。在該雙金屬熔池中，20碳鋼側溶池一側，母材金屬和填充金屬不能充分熔化混合，焊縫金屬中20鋼成分所占份額增大，形成一個過渡層，其金屬成分梯度變化較大，在過渡層表面形成一層馬氏體組織，其為硬度很高的脆性層，使熔合區冷卻時遭到破壞，降低焊縫成型的可靠性度，故此必須選擇合適的焊接工藝，延長焊縫熔池邊緣高溫時間，采用鎳基焊接材料，以減小過度層的寬度。同時，在20鋼一側的金屬熔合過程，焊縫中304的奧氏體組織的過飽和氫元素不能直接向空中擴散，而只能向20鋼擴散，造成20碳鋼中的氫元素高度聚集，極易出現延遲裂紋。

上述焊接接頭，在設備高溫長時間服役時，焊縫熔合區發生碳由碳鋼去向不銹鋼焊縫隙區的擴散，在碳鋼一側碳元素含量低，產生脫碳層，同時，在不銹鋼一側產生增碳層。這種擴散會使焊縫中的珠光體由于碳含量降低而轉變為鐵素體組織，從而導致區域軟化，焊縫抗蠕變性能大幅度降低，導致焊縫出現裂紋，接頭最終斷裂。

根據這兩類鋼的特性，可以采用現場常用的非熔化極鎢極氳弧焊、熔化極氣體保護焊和焊條電弧焊等方法，但綜合考慮到金屬熔合比對焊縫質量的影響，以及工作效率和現場特殊的焊接環境，根據焊接管子的直徑大小，來選擇所用焊接方法：對直徑較小管材，可以優先選用非熔化極鎢極氬弧焊，直徑較大管材可以優先選擇非熔化極鎢極氬弧焊先打底，后再用熔化極氣體保護焊蓋面的焊接方法。

4.2 焊接工藝

4.2.1 焊絲選用

根據上述對這兩種鋼的焊接性能分析，主要從改變焊縫的應力大小、調整焊縫熔合區的組織成分、減少高溫下熔合區焊縫元素中碳的擴散、提高焊縫熔池邊緣溫度等方面考慮。綜合本次檢修的列管管徑，保證焊縫在帶壓氨介質中使用良好，故采用先非熔化極鎢極氬弧焊先打底，后再用熔化極氣體保護焊蓋面的焊接方法。在非熔化極鎢極弧焊時，選用ER309L焊絲，在熔化極氣體保護焊時，選擇E309LT-3的帶藥芯氬焊絲。endprint

4.2.2 焊接坡口選擇

綜合考慮母材及焊接材料的熔合性能，需焊接管口以及現場的實際情況，為獲得可靠的焊縫性能，我們選擇了V型坡口，坡口間留有間隙，間隙保證在1.5-2.5mm之間，坡口角度保證60±5°。

4.2.3 焊接參數選擇

上述兩種異種鋼的焊接時，主要考慮降低20鋼在焊縫金屬的熔合比，同時兼顧焊縫接頭質量，焊接操作過程應選用較小的電流，采用快速的焊接方法，運用多層多次焊接，從而達到降低熱源在焊縫熔池邊緣的停留滯留時間，避免碳元素的大量遷移，提高焊縫的高溫穩定性能。選用ER309L，Φ2.5焊絲進行打底焊接，直流正接，電流60±5A，電壓U=20±2V，焊速為75mm/min；蓋面焊縫采用E309LT-3的帶藥芯氬焊絲，電流為（60-70）A，電壓U=（24-26）V，焊速為（50-70）mm/min焊接規范進行焊接。本次采用電流60A左右。在蓋面焊時，采用多層多道焊時，采用小參數，層間溫度控制在200℃～250℃之間，直至焊接結束。

4.2.4 焊縫檢驗

在焊接完成后，必須對焊縫外觀檢查，杜絕出現咬邊、焊瘤、氣孔等缺陷；要求24小時后對焊縫進行著色探傷，杜絕出現裂紋等缺陷；焊縫內部進行射線探傷必須符合相應標準質量的規定。

5 實施效果

完成后，09MT01透平蒸汽耗氣量由每小時130T下降125T，效果明顯。氨氣進出口溫度由3度提升到34度，基本能滿足工藝生產的需要。說明此方案取得了成功，焊接質量得到了肯定。

6 結束語

我公司在化工檢修過程中，20鋼與304異種鋼管對接焊應用非常廣泛，檢修的設備管線運行良好使用至今，進一步驗證了異種鋼管只要采用適當的焊接方法、選擇恰當的工藝和相應的焊接材料，是完全可以獲得良好機械性能和使用性能效果良好的焊縫。

參考文獻：

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