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．淄博市特種設備檢驗研究院 淄博 255000)

（2．山東省特種設備協會 濟南 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，基本情況見表1，該設備使用時間一般不超過一年半，管頭焊縫即發生泄漏，就需要停車維修，造成較大經濟損失。臥式水冷器管板材質為20MnMo（Ⅳ級鍛件），規格為φ1 460 mm×309 mm，換熱管為20鋼管，規格為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，焊接過程進行了焊前預熱、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

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，焊縫冷卻收縮時受到的拘束度較大，因此管頭焊縫易產生冷裂紋。

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一側熔合線處存在結晶過渡區，該區域化學成分、組織變化較大，性能不穩定，易產生焊接缺陷和應力集中。

3）管程設計壓力（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力沖擊。

4）管頭焊縫截面積較小，受介質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，導致焊縫強度不足而發生泄漏。

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，對管頭焊接提出以下工藝措施[1]，管頭焊接示意圖（改進后）如圖2所示。

圖2 管頭焊接示意圖（改進后）

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“3.1管板表面堆焊低碳鋼過渡層”。

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

3）對管板進行機加工，機加工后堆焊層厚度應不低于5 mm。

4）無損檢測：堆焊前管板待堆焊面進行100%磁粉檢測[3]，堆焊層進行100%超聲檢測[4]，機加工后表面進行100%磁粉檢測[3]。

5）管板按圖紙機加工、鉆孔，將換熱管穿入管孔內裝配點固，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，保證焊腳高度滿足要求，具體見“3.2管頭焊接工藝”。

7）對管頭進行貼脹，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“3.3鎳基金屬堆焊工藝”。

9）對管頭進行局部消除應力熱處理[5]，加熱帶應水平固定在管板表面，4個測溫點均勻布置，外面包覆保溫材料，加熱溫度為610±10 ℃，保溫時間為2 h。

10）對鎳基金屬堆焊層進行100%滲透檢測[6]，對管頭焊縫進行5%射線檢測[7]。

2.2 工藝措施分析

1）由于埋弧帶極堆焊技術熔敷效率高，熔深淺而均勻（熔深能控制在1 mm以內），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渡層。堆焊時，應合理地選擇焊接線能量[8]，線能量過大，一是焊接時易形成過熱組織，降低焊接接頭的力學性能，二是熔深大，熔合比增大，母材對焊縫的稀釋作用變大，不利于低碳鋼過渡層的堆焊；線能量過小，熔池溫度低，冷卻速度快，在20MnMo一側易形成淬硬組織，產生冷裂紋。

2）利用帶極堆焊在管板上堆焊低碳鋼過渡層，把承受工作應力較大且容易開裂的管頭焊縫從異種鋼焊接變為同種鋼（20）焊接，降低了焊接難度。

3）增加低碳鋼過渡層，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比較容易，堆焊質量也容易保證。

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

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

6）對鎳基堆焊層進行滲透檢測，對管頭焊縫進行射線檢測，減少了焊接缺陷，提高了管頭焊縫質量。

3 焊接工藝

3.1 管板表面堆焊低碳鋼過渡層

采用帶極堆焊技術在管板表面堆焊低碳鋼過渡層，焊接工藝見表2。

表2 管板（20MnMo）堆焊低碳鋼焊接工藝參數

1）焊帶選用HD05，規格為50×0.4 mm，焊劑選用中性焊劑SJ246，應控制焊材中的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《壓力容器焊接規程》[2]的要求，20MnMo的最低預熱溫度為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），預熱溫度適當提高到120～150 ℃，層間溫度為200～250 ℃，消氫處理溫度為300～350 ℃，保溫1 h。

3）利用埋弧自動帶極堆焊焊接低碳鋼過渡層，旋轉堆焊2層，2層焊道錯開半個焊道，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行焊補，確保管板表面完全覆蓋。

4）按圖紙對管板進行機加工，在低碳鋼過渡層表面進行化學成分分析，實測值應滿足焊帶、焊劑熔敷金屬化學成分要求。

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

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，焊接工藝見表4。

表4 鎳基金屬堆焊層手工鎢極氬弧焊焊接工藝參數

1）焊絲選用SNi6082，規格為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，并將管頭周圍的低碳鋼堆焊層完全覆蓋。為防止熱裂紋產生，焊接采用較低線能量，即小電流、短弧焊接，適當提高焊接速度，焊槍直線運作，收弧時要填絲，將收弧點引到管板上，減少收弧點，焊道盡量長，堆焊層厚度不低于2 mm。

3）堆焊層表面進行化學成分分析，實測值應滿足焊絲SNi6082化學成分要求。

4 焊接工藝評定

按上述焊接工藝方案，依據NB／T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》[11]進行了3組焊接工藝評定。

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）焊接工藝參數見表2。

3）評定結果。各項檢驗試驗結果均合格，見表5。其中，堆焊層評定最小厚度為5 mm，該處化學成分分析見表6，滿足焊帶HD05與焊劑SJ246組配堆焊熔敷金屬化學成分的要求。

表5 焊接工藝評定結果

表6 堆焊層化學成分分析%

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）焊接工藝參數見表4。

3）評定結果。各項檢驗試驗結果均合格，見表7，其中，堆焊層評定最小厚度為2 mm，該處化學成分分析見表8，化學成分分析能夠滿足焊絲的化學成分要求。

表7 焊接工藝評定結果

表8 堆焊層化學成分分析%

4.3 管頭附加焊接工藝評定

1）按NB／T 47014—2011[11]附錄D的要求對管頭焊縫進行附加評定，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見表3。

3）評定結果。各項檢驗試驗結果均合格，見表9。

表9 焊接工藝評定結果

綜上所述，3項評定所擬定的預焊接工藝經過試驗驗證，滿足NB／T 47014—2011和圖紙的要求，可用于實際生產。

5 焊接施工

2018年9月，某制造單位采用上述工藝制造了1臺臥式水冷器，經過各項檢驗與試驗，產品質量符合相關標準及設計要求，其中，管頭焊縫進行X射線拍片30張，返修片2張，不合格管頭經返修、復探、擴探后全部合格。該設備2018年底投用后，至今運轉良好。

6 結論

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構存在一定冷裂紋傾向；管頭焊縫為異種鋼焊接，化學成分、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外壓差；介質腐蝕和焊接缺陷的影響。

2）對臥式水冷器管頭焊接工藝提出以下改進措施：在管板（20MnMo）上堆焊低碳鋼過渡層，將管頭的異種鋼焊接變為同種鋼焊接，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，并對管頭進行貼脹，以提高管頭焊縫的耐腐蝕性能；對管頭焊縫進行射線檢測和滲透檢測，以減少焊接缺陷，提高焊接質量。

3）按照改進的工藝措施對管板堆焊和管頭焊接進行了焊接工藝評定，評定結果合格。

4）某制造單位按照本文所述管頭的焊接工藝，制造了1臺臥式水冷器，運行良好。