新型Ni-Cr耐蝕合金換熱器管板焊接工藝評定及組織研究

■ 梁向榮，于海成，嚴與輝，劉詠詠，吳鴻鳴，崔彥龍

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目前換熱器是廣泛用于石油、化工、冶金等工業領域的熱交換設備。在熱交換器生產過程中，管板與換熱管的焊接是極為重要的一環，管接頭焊接質量的好壞直接決定換熱器能否正常工作，絕大多數換熱器的損壞和后失效都是因為焊接接頭出現問題。首先，在進行焊接時容易出現管壁熔透和焊縫未熔合等焊接缺陷；其次，數量眾多且密集分布的焊縫會造成焊接時管板上下不同區域存在著嚴重的熱輸入分配不均，這兩個問題會造成管接頭的焊接質量下降和較為嚴重的管板變形，對換熱器的密封性造成了威脅；再次，換熱器還更多的用于各種酸腐蝕環境中，甚至某些設備對焊接接頭耐酸腐蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕性能也同樣要求嚴格，其焊接連接質量的好壞直接關系到換熱器的安全、穩定運行，可能造成直接的經濟損失。

本文以宣達實業集團公司自主研發新型Ni-Cr合金鐵素體不銹鋼（以下簡稱XDS—Ⅰ）無縫管與高合金奧氏體不銹鋼（以下簡稱XDS—Ⅱ）板材焊接為例，對其焊接工藝評定進行分析，并結合換熱器管板工藝評定試件制備要求，對制備完成的試樣焊縫進行檢驗及探討。

1. 試驗材料

（1）試驗材質 XDS—Ⅰ材質是鉻質量分數為25%～30%的鐵素體不銹鋼，XDS—Ⅱ材質是鉻質量分數為24%～26%，鎳質量分數為19%～22%的奧氏體不銹鋼。兩種材質具有良好的力學性能和耐蝕性能。試驗所用管和板材性能如表1、表2所示。

（2）材料主要應用 換熱管板XDS—Ⅱ采用高鉻鉬合金化特種金屬材料，在強氧化性介質中具有優良的耐蝕性能。其主要用于制造耐200℃、98.6%～100%硫酸的泵、閥、罐、塔、管線等流程裝備和發煙硫酸流程裝備。

換熱管XDS—Ⅰ是采用高鉻合金化，并采用鈦鈮雙穩定的超純鐵素體不銹鋼材料。其耐濃硫酸性能優良，與換熱管板XDS—Ⅱ材質性能相當，且換熱管材質耐海水和氯離子腐蝕能力更佳，主要應用于硫酸生產系統流程中的流程裝備制造，可在相關領域代替換熱管板XDS—Ⅱ相同材質產品，可在海水淡化系統流程中制造冷凝器、換熱器等流程裝備。

表1 力學性能

（3）管-板試件制備 換熱管-板試件制備依據N B/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》附錄D的規定，并遵循GB151—2014《熱交換器》中8.8.2.1換熱管與管板焊接連接相關要求。由于管板焊縫焊接采用角焊縫，選用的管板厚度應不小于20mm，本試驗換熱管規格為φ25mm×2mm，長度80mm。換熱管板規格為φ120mm，厚度30mm，試板上加工7個φ25.1mm的孔，排列如圖1所示。管板焊后實物如圖2所示。

2. 焊接工藝評定試驗

（1）焊接性分析 換熱管板XDS－Ⅱ材質組織為奧氏體，焊接性能良好，但容易產生晶間腐蝕和焊接熱裂紋缺陷。由于奧氏體組織不銹鋼導熱系數小，而線膨脹系數大，焊接過程中易于產生拉應力，且奧氏體組織不銹鋼在結晶時晶粒間存在很薄的液相層，塑性很低，所以其焊接熱裂紋傾向較為嚴重，焊接過程需嚴格控制熱輸入。

圖1 管板結構與形式示意

換熱管XDS－Ⅰ材質組織為鐵素體。一方面，比馬氏體不銹鋼的延遲裂紋的敏感性小，焊接性能優良；另一方面，碳和氮在鐵素體基體中的溶解度非常低，在焊接加熱后冷卻過程中（即使急冷）難以防止晶間碳化物、氮化物析出，在焊縫和焊接熱影響區（HAZ）晶粒粗大更增加了C、N化物的濃度，從而使鐵素體不銹鋼的焊接接頭急劇脆化和晶間腐蝕敏感，這一現象是鐵素體鋼使用焊接性不良防礙其焊接結構使用的主要原因。而本試驗換熱管材質中C+N元素總含量≤0.025%，相比普通鐵素體不銹鋼材質大幅度降低了C、N的含量，在很大程度上改進了鐵素體不銹鋼的抗晶間腐蝕和使用焊接性及其他綜合性能，同時，為了防止其晶間腐蝕，通過采用小的熱輸入，快速冷卻等方法，降低熱影響區敏化溫度區的高溫停留時間，使之處于穩定狀態。

圖2 管板焊后實物

（2）焊前準備 焊接前，應對待焊區域表面嚴格清理，清除全部碳氫化合物，去除油污、銹等雜質污物，呈現出金屬光澤。坡口尺寸和形式屬于次要因素，其變更對焊接接頭性能基本影響不大，但對焊縫成形質量等有重要作用。因此，坡口尺寸按圖1換熱管坡口要求進行加工。

（3）焊接方法 本試驗采用手工鎢極氬弧焊（GTAW），因其熱源較集中，又有氬氣保護冷卻作用，其焊接熱影響區較窄，晶粒長大傾向小，焊后不需要清渣，可以全位置焊接。且氬氣保護效果好，合金元素過渡系數高，焊縫成分易于控制，同時隔離了空氣對熔化金屬的有害作用，是奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼最合適的焊接方法。

（4）焊接材料 本次試驗評定考慮換熱管與管板各方面性能因素，焊接材料全部由公司自主研發。焊絲是采用基于換熱管板相似材質XDS—Ⅱ，規格φ2.0mm，化學成分如表3所示。

（5）焊接參數 焊接參數的選擇對焊接質量的好壞至關重要。本文試驗考慮到為保證焊縫質量性能，采用手工鎢極氬弧焊，鎢極氬弧焊主要焊接參數如表4所示。

（6）操作要求及注意事項 ①XDS—Ⅰ、XDS—Ⅱ材質對焊縫周圍油污等雜物比較敏感，故焊前必須對焊縫坡口及管口位置及附近油污、雜物等清理干凈直至露出金屬光澤。②XDS—Ⅰ、XDS—Ⅱ材質需要選擇小的焊接熱輸入，必須嚴格控制。③鎢極氬弧焊焊槍鎢棒錐度磨成60°左右，保證電弧集中穩定，同時調整好鎢極伸出噴嘴長度，對于管板焊接角焊縫伸出長度選擇3～4mm，以更好的保護熔池，提高焊縫質量。④為防止熔池合金元素燒損和氧化，保護氣體氬氣純度要求99.99%，氣體流量選擇8～10L/min。⑤試件在室內焊接，采取防風和換氣措施，保證焊接環境不受影響。

表3 焊絲化學成分（質量分數） （%）

表4 焊接參數

（7）焊接記錄 焊接事項準備完成后，將管板和換熱管樣固定，伸出長度3～5mm，并調整均勻。焊接試件人員應取得相應焊工證書，并有焊接換熱管板的經驗，焊接時必須嚴格按照焊接作業指導書的工藝參數和順序要求施焊。實際焊接參數如表5所示。

3. 焊接檢測

焊接完成后，對焊接試件進行檢測，由于角焊縫受力較小，因此主要進行外觀檢測、滲透檢測及角焊縫厚度測定。任取呈對角線位置的兩個管接頭切開，兩切口互相垂直，切口一側面應通過換熱管中心線，該側面即為金相檢測面，共有7個，其中應包括一個取自接弧處，焊縫根部應焊透不允許有裂紋、未熔合（見圖3），試樣切片焊縫根部位置熔合良好，無裂紋和未熔合等缺陷，均符合要求。

（1）外觀檢測 外觀檢測要求焊縫平整光滑，焊縫均勻，表面無肉眼可見裂紋。試樣焊縫經檢測符合要求。

（2）滲透檢測 滲透檢測時需對焊縫表面清理干凈，著色劑著色時間不宜過長或過短，顯像劑要噴涂均勻，保證整個滲透檢測的準確性。每道焊接接頭按照NB/T47013.5規定進行PT滲透檢測，無裂紋為合格。本試驗焊后管板試樣經滲透檢測后焊縫無裂紋，符合NB/T47013.5規定滲透檢測PT規定，如圖4所示。

（3）焊縫厚度測定 在每個金相檢測面上測定。每個角焊縫的厚度都應≥2b/3（為換熱管公稱壁厚），即厚度≥1.33mm。經游標卡尺測量，角焊縫厚度均＞1.33mm符合標準規定，實際測定值如表6所示。

4. 金相檢測及組織分析

（1）管板焊接試樣接頭組織分析 體式顯微鏡10倍金相組織：采用萊卡M205C體視顯微鏡，對管板焊接試樣接頭組織進行宏觀觀察，如圖5所示。

從圖5可知，1～7號試樣，焊縫整體熔合界面穩定，其中序號3焊縫熔敷金屬較多，可以推測電壓有輕微波動，熱輸入較高，但焊縫熔敷金屬整體上組織分布良好。

圖3 管板焊接試樣接頭切片實物

表5 實際施焊參數

表6 角焊縫厚度測定值

圖4 管板試樣滲透檢測

通過以上7張管板及焊縫的10倍觀察金相形態，可以看出，管與管板的焊縫宏觀顯微組織，無明顯缺陷，形貌良好，無裂紋、未熔合、未焊透等缺陷。

焊縫熔合區金相組織分析：金相組織檢測按GB/T13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》評定。圖6為XDS—Ⅰ熔合區金相組織，圖中左側為XDS—Ⅰ母材，中間區域為熱影響區，右側焊縫區，從熔合區金相組織可以看到，熔合區過渡良好，熔合線明顯，沒有發現缺陷，熔合區焊縫一側晶粒20～30μm，而在過渡段（橢圓形區域）的熱影響區的組織相對較細，比較均勻，無過燒組織、無裂紋，無網狀析出物和網狀組織。

圖7熔合區金相組織，左側為XDS—Ⅱ母材，中間區域為熱影響區，右側焊縫區，熔合區的過渡也是良好，熔合線明顯，無缺陷，熔合區焊縫一側呈粗大柱狀晶，過渡段（橢圓形區域）的熱影響區相對較細，整體組織比較均勻。因焊縫區的化學成分與母材相近，金相組織仍是奧氏體組織，焊縫中間晶界被腐蝕較少，但仍然可以看到焊縫側具有均勻的組織形態、無過燒組織、無裂紋。

圖6 XDS—Ⅰ熔合區

通過以上金相組織觀察分析，換熱管板焊接接頭組織分布良好，符合微觀組織檢驗要求，滿足焊接工藝評定要求。

5. 結語

（1）本文對公司自主研發新型耐蝕Ni-Cr合金XDS—Ⅰ（鐵素體不銹鋼）管件與XDS—Ⅱ（奧氏體不銹鋼）材質管板進行了焊接工藝評定，符合NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》附錄D的規定，可以指導企業實際生產需要，滿足產品工藝性要求。

（2）換熱管板焊縫外觀及宏觀金相形貌良好，無裂紋、未熔合、未焊透等缺陷，焊縫合格。焊縫切面微觀金相組織熱影響區與熔合區過渡良好，無過燒組織、無淬硬馬氏體組織、無網狀析出物和網狀組織。

圖7 XDS—Ⅱ熔合區

（3）本次管板焊接工藝評定及組織分析，為后期新型耐蝕合金的開發及企業以實際生產提供參考依據。