CN101474703B - 管壳式换热器管板不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管壳式换热器管板不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：1)在管板不锈钢复合层上与碳钢管子的焊接的管孔位置倒角形成内缩式坡口，将碳钢管子从管板的管孔中伸出，使碳钢管子伸出部分处于自由状态，在碳钢管子管端采用手工氩弧焊堆焊不锈钢，形成管端堆焊层；2)打磨堆焊层的氧化物，再将碳钢管子缩回到管板不锈钢复合层倒角坡口根部；3)采用手工氩弧焊或自动脉冲钨极氩弧焊焊接管板不锈钢复合层与管端堆焊层。可以避免管板不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊产生的根部裂纹，减少焊缝根部的残余应力。
Description
技术领域
本发明涉及金属管件的封口焊接方法，特别是一种用于管壳式换热器管板的不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊方法。
背景技术
在生产高压加热器过程中需要将换热器管板不锈钢复合(堆焊、爆炸复合、爆破复合)层与碳钢管子进行封口焊，现有工艺加工过程中：管板材料20MnMoNb，在管板上带极堆焊309L+347材料，堆焊层8mm厚，碳钢管子(SA556MC2￠16×2.3)，管板正面倒角2×45°，管子内缩管板至管板坡口根部，采用自动钨极氩弧焊，焊丝采用ER309LSi，￠0.8mm，进行封口焊。对于大型高压加热器，例如600MW、1000MW高压加热器，使用上述生产工艺进行封口焊，在进行氦检漏时发现焊口容易发生泄漏，焊缝表面在靠近管子侧出现周向裂纹，有的泄漏处肉眼可见焊缝表面裂纹。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种解决管壳式换热器管板不锈钢堆焊(复合)层与碳钢管子的封口焊的根部裂纹，减少焊缝根部的残余应力的管壳式换热器管板不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊方法。
本发明的技术方案是：
一种管壳式换热器管板不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
1)在管板不锈钢复合层上与碳钢管子的焊接的管孔位置倒角形成内缩式坡口，将碳钢管子从管板的管孔中伸出，使碳钢管子伸出部分处于自由状态，在碳钢管子管端采用手工氩弧焊堆焊不锈钢，形成管端堆焊层；
2)打磨堆焊层的氧化物，再将碳钢管子缩回到管板不锈钢复合层倒角坡口根部，即采用管板与管子内缩式坡口型式；
3)采用手工氩弧焊或自动脉冲钨极氩弧焊焊接管板不锈钢复合层与管端堆焊层。
本发明的附加技术方案如下：
优选地，步骤3中焊接不锈钢复合层与管端堆焊层时分为两层焊接，分别为第一层打底焊和在打底焊上方的盖面层焊接。
优选地，步骤1中的管端堆焊层为0.5～2mm。
优选地，步骤1中的碳钢管子从管板的管孔中伸出大于1mm。
优选地，步骤1手工氩弧焊堆焊的焊丝是镍含量大于等于50％的焊丝或者是铬含量在20％～25％且镍含量7％～16％的焊丝。
优选地，步骤1中手工氩弧焊堆焊的焊丝是ER309、ER309L、ERNiCr-3、ERNiCrFe-7、ERNiCrMo-3焊丝中的一种，焊接过程中电流为20～60A，电压为10～16V。
优选地，步骤1中在管板不锈钢复合层上与碳钢管子的焊接的管孔位置倒角。
优选地，管端堆焊层和热器管板不锈钢复合层的堆焊材料相同。
优选地，在步骤3中，焊接前将封口焊处预热≥20℃(手工氩弧焊)或至80°～110°(自动脉冲钨极氩弧焊)，焊接过程中钨极伸出长度为2～6mm。
本发明的有益效果是：可以避免管板不锈钢堆焊(复合)层与碳钢管子的封口焊产生的根部裂纹，减少焊缝根部的残余应力，经过三台600MW超临界高压加热器试验，使用本方法焊接的管板不锈钢复合层与碳钢管子一万五个焊口氦检漏无泄漏；实现了不锈钢同种材料的焊接，在管子端口堆焊前和堆焊后测量管子端口内径，堆焊后管子端口内径缩小0。5mm，在焊接管板不锈钢复合层与管端堆焊层时，通过二层的焊接，原管子管端内径已恢复到最初，焊口100％PT探伤，按JB4730-2000I级合格，管子端部管口焊缝组织得到抗裂性好的奥氏体+铁素体组织，由于打底焊对管子管端的堆焊层有回火的作用，因此在管子管端的堆焊层靠近碳钢侧的马氏体为回火的马氏体或回火的索氏体组织，这对封口焊根部焊缝很有益；当采用上述优选的焊接参数时，可以更好地控制焊缝金属的稀释，减小碳钢管子熔化后在焊缝金属中所占质量比，即稀释度小熔合比稳定，由焊缝材料来主控焊缝金属的成分和组织，焊缝组织得到抗裂性好的奥氏体+铁素体组织，管子管端堆焊质量得到了保证，光学显微镜观察堆焊焊缝无裂纹，在靠近管子侧马氏体带宽仅为0.1～0.2mm；在产品封口焊焊接时预热并适当增加气体流量，缩短钨极伸出长度(原10mm改为5mm)，可以克服了长期以来焊缝表面由于保护不好产生的氧化渣，焊缝表面光洁、圆滑；采用ER309焊丝，并按上述参数控制焊接，可以避免奥氏体不锈钢与低合金钢的焊接时，在低合金钢一侧的碳通过焊缝边界向高合金焊缝中迁移扩散，分别在焊缝边界两侧形成脱碳层和增碳层，即在低合金钢母材侧形成脱碳层，在另一侧为增碳层，增碳层是由于碳扩散迁移而析出碳化物所造成的，由此形成的硬度突变现象对焊接接头有害，如采用ERNiCr-3、ERNiCrFe-7、ERNiCrMo-3等焊丝不在管子管端堆焊就进行管子管板封口焊，其焊缝组织中有析出的脆硬碳化物，尽管采用ERNiCrMo-3焊丝的抗拉强度及塑性都很好，但焊口根部也会出现大量裂纹。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的具体实施例1，一种管壳式换热器管板不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊方法，包含以下步骤：
1)在管板不锈钢复合层上与碳钢管子的焊接的管孔位置倒角形成内缩式坡口，将碳钢管子从管板的管孔中伸出，使碳钢管子伸出部分处于自由状态，在碳钢管子管端采用手工氩弧焊堆焊不锈钢，形成管端堆焊层；
2)打磨堆焊层的氧化物，再将碳钢管子缩回到管板不锈钢复合层倒角坡口根部，即采用管板与管子内缩式坡口型式；
3)采用手工氩弧焊或自动脉冲钨极氩弧焊焊接管板不锈钢复合层与管端堆焊层。
其中，优选管端堆焊层和热器管板不锈钢复合层采用相同的堆焊材料。
本发明的具体实施例2，以20MnMoNb管板堆焊的奥氏体不锈钢与碳钢管子SA556MB2￠16×2.12进行管子管板封口焊为例进行说明：
在管板堆焊的奥氏体不锈钢(倒角2×45°)与碳钢管子SA556MB2￠16×2.12封口焊时，先将管子伸出管板堆焊层5mm，在管端进行手工氩弧焊堆焊，焊丝选用ER309、ER309L、ERNiCr-3、ERNiCrFe-7、ERNiCrMo-3焊丝中的ER309￠1.2mm，焊丝的组分如表1所示，堆焊一层厚度约1-1.5mm，为了控制焊缝金属的稀释，希望碳钢管子熔化后在焊缝金属中所占质量比要小，即稀释度小熔合比稳定，力求由焊缝材料来主控焊缝金属的成分和组织，焊缝组织得到抗裂性好的奥氏体+铁素体组织，焊接参数选择上在保证焊缝熔合的情况下，焊接线能量小(焊接电流要小，焊接速度要快)，焊丝送丝量要大，焊接参数为电流为30～35A，电压为10～12V。10根管子堆焊完成后打磨堆焊面去除表面氧化物，对堆焊面做100％PT探伤，按JB4730-2000I级合格。
表1ER309￠1.2mm的化学成分、机械性能
在管子端口堆焊前和堆焊后测量管子端口内径，堆焊后管子端口内径缩小0.5mm，由于管子在自由状态下进行的堆焊，堆焊后管子变形内径缩小，管子管端通过变形释放了残余应力，因此管子管端堆焊质量得到了保证，光学显微镜观察堆焊焊缝无裂纹，在靠近管子侧马氏体带宽仅为0.1-0.2mm。
管子与管板材料为316L，对管子(￠25×2.5mm)伸出管板与内缩管板两种坡品型式的残余应力进行分析，两种结构表明沿管子园周方向的环向应力分布，最大值出现在焊缝根部，位于管子与管板之间缝隙死角附近，伸出角接头最大环向应力为291Mpa，内缩接头最大为246Mpa，与伸出角接头相比，内缩角接头应力值小20％，应力腐蚀开裂敏感性较小。
管子管端堆焊后，将管子堆焊面内缩管板管孔2mm，实现管子管板内缩的封口焊。目的是减少焊缝根部的残余应力。
采用手工氩弧焊或自动脉冲钨极氩弧焊焊接管板不锈钢复合层与管端堆焊层。采用自动脉冲钨极氩弧焊时，在焊接前先采用履带式加热器后采用感应加热器，对封口焊预热80～110℃(如果采用手工氩弧焊，焊接前将封口焊处预热≥20℃)，在产品封口焊焊接时适当增加气体流量，缩短钨极伸出长度(原10mm改为5mm)，克服了长期30万高加焊缝表面由于保护不好产生的氧化渣或气孔，焊缝表面光洁、圆滑。
在实施例2中，为了进一步保证在封口焊过程中管端部无裂纹，可以在焊接过程中分两步焊接：1.先进行封口焊的打底焊，第一层打底焊焊接线能量偏大，焊缝根部的熔合好，但线能量过大会将管子管端的堆焊层熔化，管子管端堆焊隔离层的作用大大减少；线能量偏小使焊缝根部未熔透。第一层打底焊，应多送焊丝，力求由焊缝材料来主控焊缝金属的成分、组织和焊缝强度。由于打底焊对管子管端的堆焊层有回火的作用，因此在管子管端的堆焊层靠近碳钢侧的马氏体为回火的马氏体或回火的索氏体组织，这对封口焊根部焊缝很有益。第一层打底焊后，管子管端内径变大，说明通过管子管端的变形焊接应力得到了释放，为防止弧坑裂纹的产生，增加收弧的衰减时间和通气保护时间，并在衰减的同时填丝一至二次，使收弧处饱满；2.然后进行盖面层焊接，由于打底层焊缝较为饱满，故盖面层不宜焊得过厚，稍加填充即可。二层焊接完成后，原管子管端内径已恢复到最初。
Claims (10)
1.一种管壳式换热器管板不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
1)在管板不锈钢复合层上与碳钢管子的焊接的管孔位置倒角形成内缩式坡口，将碳钢管子从管板的管孔中伸出，使碳钢管子伸出部分处于自由状态，在碳钢管子管端采用手工氩弧焊堆焊不锈钢，形成管端堆焊层；
2)打磨堆焊层的氧化物，再将碳钢管子缩回到管板不锈钢复合层倒角坡口根部；
3)采用手工氩弧焊或自动脉冲钨极氩弧焊焊接管板不锈钢复合层与管端堆焊层。
2.根据权利要求1所述的管壳式换热器管板不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊方法，其特征在于，步骤3中焊接不锈钢复合层与管端堆焊层时分为两层焊接，分别为第一层打底焊和在打底焊上方的盖面层焊接。
3.根据权利要求1所述的管壳式换热器管板不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊方法，其特征在于，步骤1中的管端堆焊层为0.5～2mm。
4.根据权利要求1所述的管壳式换热器管板不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊方法，其特征在于，步骤1中的碳钢管子从管板的管孔中伸出大于1mm。
5.根据权利要求1所述的管壳式换热器管板不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊方法，其特征在于，步骤1手工氩弧焊堆焊的焊丝是镍含量大于等于50％的焊丝或者是铬含量在20％～25％且镍含量7％～16％的焊丝。
6.根据权利要求1至5之一所述的管壳式换热器管板不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊方法，其特征在于，步骤1中手工氩弧焊堆焊的焊丝是ER309、ER309L、ERNiCr-3、ERNiCrFe-7、ERNiCrMo-3焊丝中的一种，焊接过程中电流为20～60A，电压为10～16V。
7.根据权利要求6所述的管壳式换热器管板不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊方法，其特征在于，步骤1中在管板不锈钢复合层上与碳钢管子的焊接的管孔位置倒角。
8.根据权利要求6所述的管壳式换热器管板不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊方法，其特征在于，管端堆焊层和换热器管板不锈钢复合层的堆焊材料相同。
9.根据权利要求6所述的管壳式换热器管板不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊方法，其特征在于，在步骤3中，采用手工氩弧焊，焊接前将封口焊处预热≥20℃，焊接过程中钨极伸出长度为2～6mm。
10.根据权利要求6所述的管壳式换热器管板不锈钢复合层与碳钢管子的封口焊方法，其特征在于，在步骤3中，采用自动脉冲钨极氩弧焊，焊接前将封口焊处预热至80°～110℃，焊接过程中钨极伸出长度为2～6mm。
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