馬鳴，柳云天，張德金

（1. 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司），哈爾濱 150046；2. 哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

近年來，隨著國內(nèi)化工產(chǎn)業(yè)鏈的技術升級、耐高溫腐蝕的指標高參數(shù)化和有色金屬冶煉技術的發(fā)展，鎳基合金材料的焊接已經(jīng)在壓力容器及其相關領域逐步開始廣泛應用[1]。

某化肥廠蒸汽過熱器改造產(chǎn)品是制氨鏈引進技術國產(chǎn)化應用設計制造的難度較高的U型管管殼式換熱器設備，設計參數(shù)見表1。根據(jù)國家對工業(yè)有毒有害易爆型氣體管排限制規(guī)定，此類蒸汽過熱器需連續(xù)運行超18個月才可停車維護，而國內(nèi)同行業(yè)制造的產(chǎn)品中能連續(xù)穩(wěn)定運行的很少，短期失效案例中多以換熱管與管板焊縫開裂為主[2]，故保證換熱管與管板接頭的焊接質(zhì)量成為此類設備連續(xù)穩(wěn)定運行的關鍵[3]。管板設計是SA-336F22CL3鉻鉬鋼堆焊公稱成分為72Ni-15Cr-8Fe的INCONEL 600型（以下簡稱600型）鎳基材料的復合型結(jié)構，換熱管為公稱成分58Ni-29Cr-9Fe的SB-167 N06690（以下簡稱690型）鎳基材料，與600型相比，其在高溫高壓工況條件中具有更優(yōu)異的耐腐蝕性能和更高的強度以保證抗應力腐蝕開裂的優(yōu)點，但弊端是制造成本高昂、焊接抗裂性差，故尚未普及使用[4]，二者相焊實屬于異種鎳基材料之間的焊接。為滿足設備連續(xù)運行，本文詳細介紹了690型鎳基材料換熱管與復合型管板的焊接技術研究過程。

1 焊接技術要點

結(jié)合標準及制造經(jīng)驗判斷，此接頭共存在三方面技術要點。

1.1 焊接結(jié)構設計容易忽視的問題

國內(nèi)高溫高壓類換熱器產(chǎn)品設計的接頭多采用GB/T 151熱交換器標準中的強度焊加貼脹的連接方式，即管板復合層加工單邊V型坡口與外角焊縫的組合施焊結(jié)構（圖1），選型初衷認為此結(jié)構對接頭的強度和穩(wěn)定性具有“雙重保險”作用。本產(chǎn)品接頭亦參考此標準設計（圖2），但易忽視以下兩點問題：即此坡口形式是否適合鎳基材料的焊接？當l1與l2相近時，實際施焊會存在圖3a和圖3b兩種不同工藝控制方式[5]，該如何選擇？

1.2 焊接方法應用及焊材選型

對于窄管橋兼小口徑薄壁換熱管與管板接頭設計結(jié)構焊接，業(yè)內(nèi)常采用手工恒流TIG焊和脈沖自動TIG焊，兩方法雖各有利弊，但同等條件下，無論是控制外觀成形還是接頭內(nèi)在質(zhì)量的穩(wěn)定性上，后者都更具優(yōu)勢，宜優(yōu)先采用[6]。對于2 mm厚的鎳基換熱管而言，無論采用哪種方法，既要保證換熱管與管板的異種鋼接頭根部熔透且焊道無裂紋，又要避免管內(nèi)壁不得產(chǎn)生塌陷，維持焊縫外觀形態(tài)均勻飽滿且焊腳尺寸滿足設計要求，就需對焊接參數(shù)進行精確調(diào)試，以至于密控制焊接過程，其焊接難度更高，應通過嚴格工藝試驗調(diào)試確定合適的焊接參數(shù)及操作要點。

圖1 GB/T 151標準推薦結(jié)構Fig.1 Recommended structure of GB/T 151 standard

圖2 換熱管與管板圖紙原設計接頭形式Fig.2 The original design joint of tube and tube sheet

圖3 焊后接頭外觀形貌Fig.3 The appearance and formation of the joint after welding

另外，本接頭屬于成分和性能差異較大的異種鎳基材料之間焊接，焊材通常可按兩側(cè)母材匹配選用，既可選ERNiCr-3（匹配600型）的低配型，也可選ERNiCrFe-7A（匹配690型）的高配型，但對比二者在可焊性、抗裂性、實用性及成本方面的差異，選擇ERNiCr-3的低配型更合適[7]。

1.3 熱處理對此接頭性能的影響

受產(chǎn)品設計結(jié)構影響，本產(chǎn)品不宜進行整體焊后消除應力熱處理（以下簡稱PWHT），但GB/T 151和GB/T 150標準規(guī)定，管箱組件以及鉻鉬鋼材料的PWHT分別都是強制性的，而對于鎳基材料焊接接頭，相關標準或技術文件未要求進行PWHT，亦無法評估PWHT對此接頭性能的影響，行業(yè)內(nèi)對690型鎳基材料執(zhí)行鉻鉬鋼PWHT后的性能也鮮有研究。

2 焊接工藝試驗

結(jié)合產(chǎn)品特性及設計理念，圍繞上述問題開展焊接工藝研究。

2.1 焊接結(jié)構影響因素及優(yōu)化方案

經(jīng)工藝試驗驗證，確定了影響接頭質(zhì)量的關鍵因素和改進點，如表2所示。

表2 影響接頭焊接質(zhì)量的關鍵因素及改進點Table 2 Key influence factors to welding joint quality and improvement point

圖4 被電弧燒損的管端形貌Fig.4 The appearance of tube edge burnt

圖5 接頭熔合不良的情況Fig.5 Lack of fusion of inner joint

圖6 改進后的坡口形式Fig.6 The form of groove modified

圖7 關鍵部位的根部熔透、側(cè)壁及焊趾宏觀檢測情況Fig.7 The macro test of weld boot, side ＆ toe

圖8 自動脈沖TIG焊試件過程Fig.8 Auto pulse TIG weld

2.2 確定合適的焊接參數(shù)

鎳基換熱管試件壁厚范圍為2 ～ 2.2 mm，在此厚度范圍內(nèi)，無論按哪種坡口形式，焊接電流變化是影響接頭質(zhì)量的關鍵參數(shù)，且換熱管的壁厚t和實際承載電流I存在一定的匹配關系，而保證此種管端伸出式接頭焊接質(zhì)量的關鍵是確定適合的電流上限，即應按靠近上限參數(shù)選擇電流范圍，才能保證根部熔透，要求手工恒流TIG焊電流上限不宜超過140 A，自動脈沖TIG焊電流上限不宜超過135 A，且焊接速度變化應與電流變化成反比匹配調(diào)整，否則極易出現(xiàn)管壁燒穿、背部塌陷，經(jīng)多次反復試驗驗證，下述焊接參數(shù)可滿足接頭性能，如表3所示。

表3 焊接參數(shù)Table 3 Welding parameters

2.3 評估PWHT對接頭性能的影響

為實現(xiàn)管箱組件及管系組件能合爐執(zhí)行PWHT，保證生產(chǎn)工序連貫性和提高生產(chǎn)效率，對此類接頭開展下述對比試驗：

從同試驗條件下隨機挑選4組接頭，并任選2組接頭按產(chǎn)品熱處理制度（690±14℃/8 h）進行PWHT，其余接頭保持焊態(tài)，分別開展常溫拉脫力試驗（POT）和晶間腐蝕試驗（IGT），試驗結(jié)果見表4。試驗結(jié)論為PWHT過程對接頭性能未見顯著影響。

表4 接頭拉脫力試驗（POT）和晶間腐蝕試驗（IGT）Table 4 Push-out or pull-out test and intergranular corrosion test of welding joint

3 結(jié)論

（1） 通過對690型鎳基換熱管與管板開展焊接工藝研究，發(fā)現(xiàn)影響鎳基薄壁換熱管與管板的接頭焊接質(zhì)量的關鍵因素及改進方向，并在不改變接頭原始設計理念和功能的前提下，優(yōu)化改進焊接結(jié)構，并調(diào)試出合適的焊接參數(shù)，現(xiàn)已通過焊接工藝評定試驗的驗證，確定其滿足產(chǎn)品焊接需求，并成功應用于產(chǎn)品（圖9），在顯著提高產(chǎn)品焊接效率的同時，獲得成形美觀和質(zhì)量穩(wěn)定可控的優(yōu)質(zhì)焊道，使得產(chǎn)品焊縫順利通過了無損、氣密和水壓檢測。

（2） 經(jīng)對同等條件下的焊態(tài)和PWHT后的試件對比性能試驗，證明PWHT過程未對接頭性能產(chǎn)生顯著的影響，保證了蒸汽過熱器產(chǎn)品生產(chǎn)工序連貫性以及為簡化熱處理過程和提高生產(chǎn)效率提供有效的技術保障。截止目前，本產(chǎn)品已連續(xù)穩(wěn)定運行2年以上，為后續(xù)產(chǎn)品提供了良好的借鑒意義。

圖9 產(chǎn)品換熱管與管板焊縫形貌（自動脈沖TIG焊）Fig.9 The product appearance and formation of tube to tube-plate with auto pulse TIG weld