劉寧??

摘要： 針對(duì)高壓空冷器管箱上的管板與換熱管焊接工藝進(jìn)行研究，形成了合理、可行的焊接工藝，作為該設(shè)備管箱焊接的指導(dǎo)性文件。

關(guān)鍵詞： 換熱管與管板的焊接；全自動(dòng)深孔填絲焊；焊接

中圖分類號(hào)： TG422

High pressure air cooler pipe welding tank

Liu Ning

（Dalian Ruixue Refrigeration Co.， Ltd.，Dalian 116050，Liaoning，China）

Abstract： Aiming high pressure air cooler tube sheet tube box on research carried out with the heat transfer tubes welding process， the formation of a reasonable and feasible welding process， as the device header welded guiding document.

Key words： tube to tube sheet welding； automatic deep welding with filler wire； welding

1 概述

為墾利三合新材料科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的5臺(tái)30萬(wàn)噸/年低聚物裂化精制裝置的空冷器，其中有一臺(tái)位號(hào)為A1101的產(chǎn)品是高壓空冷器。高壓空冷器是這批產(chǎn)品中制造難度最大的產(chǎn)品。

1.1 管箱制造

1.2 換熱管與管板間的管頭焊接

該高壓空冷器管箱部分的主要設(shè)計(jì)參數(shù)與技術(shù)要求見表1。

設(shè)計(jì)溫度/℃設(shè)計(jì)壓力/MPa工作介質(zhì)主要材質(zhì)熱處理要求管板焊接質(zhì)量檢驗(yàn)要求

12517.12H2S，H2管板材質(zhì)為Q345R（R-HIC）/δ=55 mm換熱管為Q345R（R-HIC）/25 mm×3 mm無(wú)縫鋼管等管箱焊后均進(jìn)行焊道消除應(yīng)力熱處理，硬度值≤180 HB為合格。換熱管與管板的焊接接頭采用全自動(dòng)深孔填絲焊，且做焊接工藝評(píng)定和宏觀檢驗(yàn)，合格后方可施焊，焊接時(shí)必須有保證管板不變形的工藝措施，外觀及質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)符合GB150.1～150.4-2011，GB/T 151—2014相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2 空冷器管箱組焊要解決的問(wèn)題

2.1 焊縫力學(xué)性能和化學(xué)成份符合抗氫鋼要求

空冷器管箱材料為Q345R（R-HIC），它是在Q345R鋼板規(guī)定的范圍內(nèi)增加一些附加要求得到的，其含義是抗氫致開裂或抗氫致裂紋。它降低了鋼中P，S和O2的含量，提高了鋼材的純凈度，改善了鋼材的焊接性能，減少了鋼材對(duì)焊接冷裂紋的敏感性，同時(shí)又降低了鋼中含Mn量，也就減少鋼材在使用期中對(duì)氫誘導(dǎo)開裂或氫致裂紋的敏感性，尤其是對(duì)H2S應(yīng)力腐蝕的敏感性。Q345R（R-HIC）化學(xué)成份見表2，力學(xué)性能見表3。

為保證焊縫具有與母材同樣的抗氫誘導(dǎo)開裂的能力，即提高其抗裂性，對(duì)焊縫金屬提出以下要求，需保證含S≤0.003，含P≤0.012，焊縫金屬-30 ℃夏比沖擊試驗(yàn)平均值KV≥27 J，單個(gè)值≥20 J，硬度值不大于180 HB，根據(jù)這些要求，制定了Q345R（HIC）焊材訂貨技術(shù)條件，經(jīng)篩選確定為焊條牌號(hào)為J507SH、埋弧焊焊絲為H09MnSH、焊劑為SJ204SH；氬弧焊焊絲為H09MnSHG-6。

由于Q345R（R-HIC）腐蝕試驗(yàn)做氫致開裂檢驗(yàn)（HIC）和硫化物應(yīng)力腐蝕（SSC）檢驗(yàn)， 從每批鋼板中取一組試樣，首先做氫致開裂檢驗(yàn)（HIC），焊接工藝評(píng)定SAW，SMAW試板上各取一組試樣進(jìn)行抗氫誘導(dǎo)裂紋試驗(yàn)，方法按GB/T 8650—2015《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評(píng)定方法》，取樣部位為T×T/2，按橫向制取試樣，試樣尺寸為20 mm×20 mm×100 mm。具體要求如下：PH=3.0～4.0，H2S飽和0.5%醋酸+5%氯化鈉混合溶液，試驗(yàn)溫度20～27 ℃，試驗(yàn)壓力0.084 5 MPa。其試驗(yàn)結(jié)果為：①試樣表面未發(fā)現(xiàn)氫鼓包；②開裂長(zhǎng)度比CLR=3.08%，開裂厚度比CTR=0.82%，開裂敏感性比CSR=0.16%，按要求滿足：CLR≤5%，CTR≤1.5%，CSR≤0.5%。即試樣抗?jié)窳蚧瘹湔T導(dǎo)開裂（HIC）試驗(yàn)合格。再做硫化物應(yīng)力腐蝕（SSC）檢驗(yàn)，從A，B，D類焊接接頭焊接工藝評(píng)定試板中抗拉強(qiáng)度或硬度最高者取一組試樣，根據(jù)GB/T 4157—2006《金屬在硫化氫環(huán)境中抗特殊形式環(huán)境開裂試驗(yàn)室試驗(yàn)》規(guī)定的方法A進(jìn)行抗環(huán)境開裂（EC）性能試驗(yàn)，試驗(yàn)溶液采用溶液A，試驗(yàn)溫度為室溫（維持在24 ℃±3 ℃），合格標(biāo)準(zhǔn)為臨界應(yīng)力不低于247 MPa。試樣無(wú)裂紋，臨界應(yīng)力266 MPa，即試樣硫化物應(yīng)力腐蝕（SSC）試驗(yàn)合格。

2.2 解決焊接變形問(wèn)題

管箱在高壓條件下工作，處理的介質(zhì)又是易燃易爆，焊縫的質(zhì)量必須確保萬(wàn)無(wú)一失，否則在使用中發(fā)生問(wèn)題將會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性事故，這就要求焊縫的結(jié)構(gòu)是保證全焊透結(jié)構(gòu)的焊接工藝，焊接方法是最不易產(chǎn)生任何缺陷的方法。

制造高壓空冷器首先是進(jìn)行空冷器管箱的組裝，組對(duì)工裝和焊接順序決定了管箱的成型質(zhì)量。管箱主要由管板、絲堵板、上、下蓋板、中間隔板、支撐板、側(cè)板組成，如圖1所示。首先是上、下蓋板與中間隔板、支撐板的組裝，然后是側(cè)板，最后是管板與絲堵板的裝配。主要的焊縫是蓋板、管板、絲堵板與側(cè)板的六條對(duì)接焊縫，對(duì)接焊縫全部采用U形坡口型式全焊透結(jié)構(gòu)。由于底層清根困難，打底焊一般采用氬弧焊單面焊雙面成型工藝，氬弧焊焊完所有的U型坡口后再用焊條電弧焊填充，埋弧焊蓋面。焊接時(shí)采用對(duì)稱施焊并隨時(shí)注意焊接變形情況，這樣可以有效地防止焊接變形，保證了焊接質(zhì)量，最后進(jìn)行管板與換熱管的深孔焊。

圖1 高壓空冷器管箱結(jié)構(gòu)圖

3 管板與換熱管的焊接

3.1 管板與換熱管焊縫的化學(xué)成分符合抗氫鋼要求

管板材料焊接性分析，管板與換熱管的材質(zhì)均為Q345R（R-HIC），管板δ=55 mm，換熱管25 mm×3 mm，標(biāo)準(zhǔn)為GB 9948—2013《石油裂化用無(wú)縫鋼管》，其化學(xué)成分見表4。

由于空冷器管箱上管板與換熱管材料為Q345R（R-HIC），它具有抗氫致裂紋的能力。因此，焊接參數(shù)的選擇、焊接順序、焊接方向、過(guò)程加熱方式及過(guò)程檢驗(yàn)等各個(gè)環(huán)節(jié)均將會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量有較大的影響。為保證焊縫具有與母材同樣的抗裂性，應(yīng)使用與母材成分相同的同類焊材，因此選用焊材牌號(hào)為ER50-3（HIC），焊絲直徑為0.8 mm。焊絲化學(xué)成分見表5。

3.2 解決焊接變形問(wèn)題

換熱管與管板焊接難點(diǎn)之一就是實(shí)現(xiàn)管子與管板間的深孔加絲全位置脈沖自動(dòng)鎢極氬弧焊接，只有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的試驗(yàn)確定合理、可行的焊接工藝，才能在保證質(zhì)量、滿足設(shè)計(jì)要求的前提下完成管頭的焊接工作。

由于高壓空冷器為兩個(gè)矩形管箱中部由換熱管焊接而成，其換熱管與管板間管頭的焊接，只能從絲堵板側(cè)來(lái)進(jìn)行，這就要求管子與管板必須有深孔焊功能，而且換熱管與管板焊接最困難的問(wèn)題是焊槍必須通過(guò)M30的絲堵孔橫穿管箱內(nèi)腔伸入管板孔內(nèi)進(jìn)行內(nèi)角焊縫焊接。在管頭焊接時(shí)，只有填加焊絲才能滿足強(qiáng)度焊的要求。為此專門為空冷器購(gòu)買一臺(tái)焊管頭的深孔焊機(jī)，采用數(shù)控全位置深孔填絲脈沖自動(dòng)鎢極氬弧焊，采用ER50-3（HIC）焊絲，對(duì)于焊絲直徑的選擇非常關(guān)鍵，直徑太細(xì)，剛度不夠，不能使焊絲穩(wěn)定到達(dá)電弧區(qū)，焊絲太粗，設(shè)備不允許，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，選用0.8 mm的焊絲較為適宜。焊前應(yīng)將換熱管與管板施焊范圍20 mm內(nèi)的銹蝕、油、污、水或氧化皮等其它臟物徹底清除干凈。

在進(jìn)行管頭的深孔焊之前先進(jìn)行換熱管與管板的焊接工藝評(píng)定，測(cè)試一下?lián)Q熱管與管板的焊接接頭是否滿足強(qiáng)度焊的要求，試驗(yàn)材料管與板選取Q345R（R-HIC），選擇一名有經(jīng)驗(yàn)的焊工，首先根據(jù)《熱交換器》的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 151—2014準(zhǔn)備換熱管與管板的焊評(píng)試板如圖2所示，再選擇與抗氫鋼匹配的氬弧焊焊絲ER50-3（HIC），焊絲直徑0.8 mm，采用合適的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行管頭的焊接，連接形式如圖3所示，其焊接工藝參數(shù)見表6。

3.3 工藝評(píng)定

試驗(yàn)結(jié)果見表7，可以看出，其H值圖4所示，金相檢驗(yàn)實(shí)物圖片如圖5所示，均大于管壁厚的2/3，即2 mm，且拉脫力大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的將管子拉斷的最低載荷，評(píng)定合格。

以工藝方案要求和工藝評(píng)定合格的參數(shù)為依據(jù)，編制了高壓空冷器換熱管與管板的焊接工藝，對(duì)換熱管與管板接頭進(jìn)行了焊接，管箱的換熱管與管板焊接示意圖如圖6所示。

3.4 管板孔直徑的尺寸及裝配

管孔直徑較大，剛開始焊接時(shí)，管子被拉向起焊一側(cè)，在焊接間隙大的一側(cè)時(shí)易出現(xiàn)未熔合、焊肉薄、焊縫凹面等缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成絲堵孔與管子同軸度過(guò)大，從而使焊槍桿旋轉(zhuǎn)過(guò)程中阻力過(guò)大，造成轉(zhuǎn)速不均勻，甚至造成斷弧現(xiàn)象，因此在鉆孔和鉸孔時(shí)，在不影響穿管的情況下，管板孔內(nèi)徑與換熱管外徑之差小于0.15 mm，換熱管應(yīng)縮進(jìn)管板2.5～3 mm，如圖7所示。

上述各參數(shù)在施焊時(shí)，互相制約，只有相互協(xié)調(diào)好才能得到滿意的效果，施焊管頭時(shí)采用兩層的工藝，即第一層采用自熔，使換熱管與管板間的根部充分熔透；第二層填絲焊，從而保證焊縫金屬厚度達(dá)到一定要求，在一周的焊接過(guò)程中，將周圍分為8個(gè)區(qū)段，通過(guò)大量的工藝性試驗(yàn)確定，將6點(diǎn)作為起弧點(diǎn)，焊接方向?yàn)轫槙r(shí)針，如圖8所示。焊接前先把管板一側(cè)的換熱管與管板點(diǎn)焊固定，焊另一側(cè)，焊接時(shí)，盡量使熱量均勻輸入，以使應(yīng)力分散，變形量減少，從而預(yù)防和控制因焊接而引起的管板變形。

3.5 焊后檢驗(yàn)結(jié)果

換熱管與管板施焊完畢后，對(duì)焊接部位進(jìn)行了肉眼檢查，并用PT法對(duì)能檢查的部位進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，管板與換熱管接頭的焊接質(zhì)量能完全達(dá)到填絲強(qiáng)度焊的要求。管箱焊后均進(jìn)行焊道消除熱應(yīng)力處理，整個(gè)產(chǎn)品制造完畢后進(jìn)行了19 MPa的水壓試驗(yàn)，管頭均無(wú)滲漏，合格。

4 結(jié)論

實(shí)踐證明，該高壓空冷器管箱在制造過(guò)程中，通過(guò)采取嚴(yán)格的過(guò)程控制，使管板的變形量降低到最小程度，避免了由于管板的變形而在設(shè)備進(jìn)入下一工序時(shí)出現(xiàn)難以組裝的現(xiàn)象，深孔加絲式全位置脈沖自動(dòng)鎢極氬弧焊接應(yīng)用在高壓空冷器上，保證了焊接質(zhì)量，提高了工作效率，降低了成本，縮短了工期，還為公司生產(chǎn)設(shè)計(jì)壓力10 MPa以上的高壓空冷器積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。