換熱器專用鋼管08Cr2AIMo與20鍛管板異種鋼的焊接工藝

彭素芬 劉同根 王季民 李長江

摘要：著重介紹了換熱器專用鋼管08Cr2AIMo的耐腐蝕性能、力學(xué)性能以及08Cr2AIMo與20鍛管板異種鋼的焊接工藝及換熱器制造中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：08Cr2AIMo;換熱管;腐蝕;焊接

酸性水—氨水換熱器原管板、換熱管的材質(zhì)采用的是20Ⅱ和10號鋼。在使用過程中，由于換熱器介質(zhì)為H2O+H2S ，設(shè)備運(yùn)行兩個月后換熱管嚴(yán)重腐蝕，導(dǎo)致多處泄漏。若保證換熱管長周期良性運(yùn)轉(zhuǎn)，就必須更新管束材料 。[1]在20世紀(jì)70年代初，由上海材料研究所、上鋼三廠等單位研制出了抗H2S、HCI、H2O系列應(yīng)力腐蝕開裂用鋼12Cr2AIMoV板材。該鋼具有良好的抗H2S應(yīng)力腐蝕能力，適用于制造較厚的塔體和容器，若用該鋼生產(chǎn)鋼管制造換熱器管束卻存在不少問題。為滿足石化行業(yè)設(shè)備的需要，上海材料研究所與江蘇興澄集團(tuán)及上海煉油廠合作改進(jìn)了12Cr2AIMo，研究出換熱器專用鋼管—08Cr2AIMo鋼管。

一、08Cr2AIMo鋼管的性能

（一）08Cr2AIMo鋼的化學(xué)成分

08Cr2AIMo鋼保留了12Cr2AIMoV鋼的耐腐蝕元素Cr、AI、Mo，降低了碳的含量，這是因?yàn)椋?dāng)鋼中CrHC<0.14%時形成的（FeCr）5C對耐H2S腐蝕不利，故把碳的含量降低為0.10%以下，AI的加入可以提高單質(zhì)硫耐腐蝕能力，而且提高了碳的活度，但是AI可使鋼中鐵素體的脆性增加，從而導(dǎo)致鋼的韌性降低，特別是焊接時在熔合線處易產(chǎn)生鐵素體，由此通常把AI控制在中下限;Mo和V都是碳化物強(qiáng)烈形成元素，可以提高鐵素體和珠光體在溫室和高溫的強(qiáng)度，而且Mo的加入可以提高鋼在水介質(zhì)中的耐腐蝕性，但是考慮到換熱器管壁薄，低硬度和低強(qiáng)度的要求與換熱管板相匹配，因此不再加入V元素。

（二） 08Cr2AIMo鋼的顯微組織和力學(xué)性能

08Cr2AIMo鋼主要作為換熱管，其顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒度為8級，從室溫到500℃高溫的拉伸力學(xué)性能變化不大、沖擊隨溫度變化無明顯的突變特點(diǎn);08Cr2AIMo鋼在標(biāo)準(zhǔn)的H2S實(shí)驗(yàn)溶液中腐蝕速率為0.2mgH（cm2.h）; 具有較高的耐H2S腐蝕性能[6]。

08Cr2AIMo鋼和10號鋼在80℃、5%HCI水溶液進(jìn)行24h試驗(yàn)，08Cr2AIMo鋼的腐蝕速率大約是10號鋼的22.6%。具有良好的耐濕HCI性能。

故酸性水-氨水換熱器的換熱管選用08Cr2AIMo專用鋼管，管板選用20Ⅱ;20Ⅱ與16MnⅡ比較見（表3），20Ⅱ的硬度與強(qiáng)度更接近08Cr2AIMo;20Ⅱ的硬度明顯低于16MnⅡ，20Ⅱ抗H2S腐蝕開裂性較16MnⅡ好。

二、20Ⅱ管板與08Cr2AIMo換熱管焊接

20Ⅱ管板與08Cr2AIMo換熱管焊接質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響換熱器的使用壽命，本文作者通過對20Ⅱ管板與08Cr2AIMo換熱管的焊接性能分析，并進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，證明所確定的焊接工藝是可行的，解決了20Ⅱ管板與08Cr2AIMo換熱管異種鋼焊接問題。

（一）焊接性能分析

20Ⅱ管板與08Cr2AIMo換熱管化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表4、表3、表2、表1;從以上各表可見，通過上述分析08Cr2AIMo換熱管具有抗H2S-H2O、HCI- H2O等體系的應(yīng)力腐蝕能力和抗氫致開裂能力，同時08Cr2AIMo鋼管硬度與20Ⅱ管板的硬度相匹配，可以滿足換熱器制造工藝。

（二）焊接中易出現(xiàn)問題及預(yù)防措施

08Cr2AIMo鋼雖然具有良好的耐H2S腐蝕性能，但08Cr2AIMo異種鋼焊材熔焊的焊接接頭在焊后高溫冷卻至800～850℃時發(fā)生強(qiáng)烈的碳擴(kuò)散，因碳遷移而形成脫碳層，即鐵素體帶狀組織，從而降低焊接接頭的綜合性能;為保證焊接金屬成分和性能與母材相匹配，具有良好的耐腐蝕性，宜采用08Cr2AIMo鋼管專用焊絲[2]。

另外，08Cr2AIMo鋼中的AI元素提高了相變溫度，08Cr2AIMo的A3點(diǎn)在950～1000℃之間，為了減少焊接線能量，適當(dāng)增加相變溫區(qū)冷卻速度，以防止鐵素體帶狀組織產(chǎn)生[2]。

碳素鋼及低合金鋼在H2O+H2S環(huán)境中易產(chǎn)生氫致開裂，并且焊接接頭的氫誘發(fā)敏感性隨著接頭顯微組織的硬度提高而增大，當(dāng)硬度低于HB200時，焊接接頭具有良好的抗氫致開裂性能;當(dāng)硬度大于HB200時，焊接接頭表現(xiàn)出氫致開裂傾向。焊接輸入線能量增大時，焊接組織長大晶粒粗化，S、P夾雜物尺寸邊隨之長大，導(dǎo)致焊縫抗氫致開裂能力下降[3]。所以需要嚴(yán)格控制焊接線能量，并且進(jìn)行焊后消氫處理及焊后熱處理，以降低焊接接頭硬度，從而避免氫致開裂。

（三）焊接工藝試驗(yàn)

（1）確定焊接方法及焊材

20Ⅱ管板與08Cr2AIMo換熱管焊接屬于異種金屬焊接，異種金屬焊接能否獲得滿意的焊接接頭，關(guān)鍵取決于選擇焊接方法及合適的焊接填充材料。因此選擇操作方便、易于控制熔邊形狀及焊縫成形好、能量集中、熱影響區(qū)小、焊接變形小的變頻自動管板鎢機(jī)氬弧焊方法;焊接填充材料08Cr2AIMo換熱管專用焊絲[4]。

（2）焊接試樣的制備

焊接工藝試驗(yàn)時，20Ⅱ管板厚度50mm，選用08Cr2AIMo換熱管、規(guī)格為Ф25×2.5mm，管子與管板試板坡口形式及尺寸，如圖1所示

（3）焊接工藝參數(shù)的確定

借鑒08Cr2AIMo材料的焊接，針對性制定合適的焊接工藝;焊絲直徑0.8mm，鎢極直徑為2.5mm，氬氣流量為8～10L/min，焊接工藝參數(shù)見表5[5]

（4）焊接技術(shù)要求：

①焊接前用丙酮清洗管板坡口兩側(cè)及列管管端50mm范圍內(nèi)除去油污、鐵銹。為防止冷裂紋，對組裝好的管板與列管進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為120～150℃。

②焊接過程中，嚴(yán)格控制焊接線能量，盡量采用小的焊接線能量。為防止焊接應(yīng)力和變形，焊接時采用對稱焊接，保持溫度上限在規(guī)定的范圍內(nèi)。焊接第一層不加焊絲，直接熔合母材，主要是熔合08Cr2AIMo材料;焊接第二層、三層時添加08Cr2AIMo專用焊絲進(jìn)行焊接。

③焊后立即對試板進(jìn)行250℃時長1h的后熱處理。

④后熱處理后冷卻，再對試板進(jìn)行670℃ 保溫2h的焊后消除應(yīng)力熱處理。

三、焊后對試板檢驗(yàn)

（一）著色檢驗(yàn)[7]

試板焊接完畢后，先對焊縫進(jìn)行外觀檢查，合格后進(jìn)行熱處理 ，24h后再對每個焊接接頭按照NB/T47017規(guī)定進(jìn)行100%滲透檢測，未發(fā)現(xiàn)有裂紋、氣孔等焊接缺陷。

（二）金相檢驗(yàn)[3]

按照圖1虛線所示，熱區(qū)呈對角線位置的兩管頭切開，兩切口互相垂直。切口一側(cè)面應(yīng)通過換熱管中心線，該側(cè)面即為金相檢測面，如圖1中A、B、C、D、E、F、G、H ?8個截面，通過對各截面的宏觀檢查，未發(fā)現(xiàn)有裂紋、氣孔、未熔合等缺陷，接頭熔合良好。

（三）硬度測定

對管子-管板焊接接頭的硬度測定，測定結(jié)果為：焊縫硬度 HB183/185/190， 平均為HB186，管子測熱影響區(qū)硬度為HB193/195/197， 平均為HB195，管板則熱影響區(qū)硬度為HB176/182/185， 平均為HB181。

經(jīng)過焊接工藝評定試驗(yàn)，采用上述焊接工藝規(guī)范（包括熱處理規(guī)范）焊接08Cr2AIMo換熱管與20鍛管板，避免了焊接時易出現(xiàn)的問題，焊接接頭性能可以滿足設(shè)備工作需求。

四、工程應(yīng)用

鑫大公司生產(chǎn)的4臺上下重疊浮頭式酸性水—氨水換熱器，設(shè)計(jì)圖號HJD662、HJD663、HJD664、HJD665、HJD666，設(shè)計(jì)類別Ⅰ類，其設(shè)計(jì)條件見表6。

按照上述焊接工藝規(guī)范進(jìn)行20Ⅱ管板與08Cr2AIMo換熱管焊接，具有良好的焊接性能，24h后再對每個焊接接頭按照NB/T47017規(guī)定進(jìn)行100%滲透檢測，未發(fā)現(xiàn)有裂紋、氣孔等焊接缺陷。經(jīng)1.81 MPa壓力試驗(yàn)，管子與管板焊接接頭處無泄漏現(xiàn)象，滿足制造要求[7]。

該換熱器投入使用已兩年，工作中未發(fā)生腐蝕泄露。實(shí)踐證明，選擇該篇文章論述的焊接工藝規(guī)范，對20Ⅱ管板與08Cr2AIMo換熱管進(jìn)行焊接，焊縫不僅具有合格的機(jī)械強(qiáng)度，還具有較高的耐腐蝕性，保證了產(chǎn)品制造過程的質(zhì)量。

五、結(jié)論

通過對20Ⅱ管板與08Cr2AIMo換熱管焊接性能分析，進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)，確定了合適的焊接工藝規(guī)范，解決了20Ⅱ管板與08Cr2AIMo換熱管異種鋼的焊接問題。

實(shí)踐證明，采用本文論述的工藝規(guī)范焊接的換熱器，保證了制造過程的焊接質(zhì)量;所制造的換熱器經(jīng)過兩年多的運(yùn)行，工作中未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，焊接接頭完全能滿足企業(yè)工程要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭文龍、朱中亞、林榮瓏 ?抗硫化氫應(yīng)力腐蝕的08Cr2AIMo換熱器專用管。壓力容器 2011.18.（1）18～21

[2]周旭輝、胡傳順、將方用08Cr2AIMo鋼一種焊接接頭中鐵素體帶形成溫度 ?壓力容器 2003. 20.（6）42～45

[3]NB/T470014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》

[4]焊接工程師手冊

[5]NB/T47014《承壓設(shè)備焊接工藝評定》

[6]GB/T152—2014《換熱器》

[7]《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能試驗(yàn)》