CN108406058A - 新型Ni-Cr耐蚀合金换热器管板及其焊接工艺 - Google Patents

Abstract

一种新型Ni‑Cr耐蚀合金换热器管板及其焊接工艺，换热管采用铬质量分数为25%‑30%的铁素体不锈钢XDS‑Ⅰ，管板和焊丝均采用铬质量分数为24%‑26%，镍质量分数为19%‑22%的奥氏体不锈钢XDS‑Ⅱ，并且换热管采用的铁素体不锈钢XDS‑Ⅰ材料中C+N元素的总含量小于等于0.025%，配合特殊的焊接工艺，焊接效果优良，焊缝平整光滑，焊缝均匀，金相组织分布良好，管与管板的焊缝宏观显微组织，无明显缺陷，形貌良好，无裂纹、未熔合、未焊透等缺陷，焊缝合格。焊缝切面微观金相组织热影响区与熔合区过度良好，无过烧组织、无淬硬马氏体组织、无网状析出物和网状组织。

Description

新型Ni-Cr耐蚀合金换热器管板及其焊接工艺

技术领域

本发明具体涉及换热器技术领域，具体涉及新型Ni-Cr耐蚀合金换热器管板及其焊接工艺。

背景技术

目前换热器是广泛用于石油、化工、冶金等工业领域的热交换设备。在热交换器生产过程中，管板与换热管的焊接时极为重要的一环，管接头焊接质量的好坏直接决定换热器能否正常工作，绝大多数换热器的损坏和后失效都是因为焊接接头出现问题。首先，在进行焊接时容易出现管壁熔透和焊缝未熔合等焊接缺陷；其次，数量众多且密集分布的焊缝会造成焊接时管板上下不同区域存在着严重的热输入分配不均，这两个问题会造成管接头的焊接质量下降和较为严重的管板变形，对换热器的密封性造成了威胁，再次，换热器还更多的用于各种酸腐蚀环境中，甚至某些设备对焊接接头耐酸腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀性能也同样要求严格，其焊接连接质量的好坏直接关系到换热器的安全、稳定运行，可能造成直接的经济损失。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的提供了新型Ni-Cr耐蚀合金换热器管板及其焊接方法，以本公司自主研发新型Ni-Cr合金铁素体不锈钢（以下简称XDS-Ⅰ）无缝管与高合金奥氏体不锈钢（以下简称XDS-Ⅱ）板材焊接，对其焊接工艺评定进行分析，并结合换热器管板工艺评定试件制备要求，对制备完成得试样焊缝进行检验。

本发明采用的技术解决方案是：一种新型Ni-Cr耐蚀合金换热器管板，包括换热管和管板，所述的管板上设有若干通孔，所述的换热管插接在管板的通孔内，所述的换热管和管板之间通过焊丝焊接，所述的换热管采用铬质量分数为25%-30%的铁素体不锈钢XDS-Ⅰ，所述的管板和焊丝均采用铬质量分数为24%-26%，镍质量分数为19%-22%的奥氏体不锈钢XDS-Ⅱ。

所述的换热管采用的铁素体不锈钢XDS-Ⅰ材料中C+N元素的总含量小于等于0.025%。

所述的焊丝直径尺寸为2mm。

一种新型Ni-Cr耐蚀合金换热器管板的焊接方法，包括以下步骤：

（1）焊前对管板的焊缝坡口及管口位置及附近油污、杂物进行清理干净直至露出金属光泽；

（2）采用手工钨极氩弧焊焊接，管口冲氩气保护；

（3）焊接两层，包括打底和盖面，控制焊接参数，焊接的线能量必须在8.5-14KJ/cm之内，电流为90-120A，电压为14-16V。

所述的氩气纯度要求99.99%，气体流量选择8～14L/min。

所述的手工钨极氩弧焊的焊枪钨棒锥度磨成60-65°，同时调整钨极伸出喷嘴长度为3～4mm。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种新型Ni-Cr耐蚀合金换热器管板及其焊接方法，换热管采用铬质量分数为25%-30%的铁素体不锈钢XDS-Ⅰ，管板和焊丝均采用铬质量分数为24%-26%，镍质量分数为19%-22%的奥氏体不锈钢XDS-Ⅱ，并且换热管采用的铁素体不锈钢XDS-Ⅰ材料中C+N元素的总含量小于等于0.025%，配合特殊的焊接工艺，焊接效果优良，焊缝平整光滑，焊缝均匀，金相组织分布良好，管与管板的焊缝宏观显微组织，无明显缺陷，形貌良好，无裂纹、未熔合、未焊透等缺陷，焊缝合格。焊缝切面微观金相组织热影响区与熔合区过度良好，无过烧组织、无淬硬马氏体组织、无网状析出物和网状组织。

附图说明

图1为本发明管板焊接试样接头切片实物图。

图2为本发明体式显微镜10倍金相组织图。

图3为本发明XDS-Ⅰ熔合区焊缝金相组织图。

图4为本发明XDS-Ⅱ熔合区焊缝金相组织图。

具体实施方式

现结合图1、图2、图3、图4对本发明进行进一步说明，

试验材质及性能

XDS-Ⅰ材质是铬质量分数为25%-30%的铁素体不锈钢，XDS-Ⅱ材质是铬质量分数为24%-26%，镍质量分数为19%-22%的奥氏体不锈钢。两种材质具有良好的力学性能和耐蚀性能。试验所用管和板材力学性能见表1、表2。

表1力学性能

表2 耐腐蚀性能（98%硫酸中的腐蚀速率/mm▪a-1）

温度/℃	80℃	100℃	120℃	150℃	200℃
						XDS-Ⅰ	0.060	0.048	0.073	0.056	0.095
XDS-Ⅱ	0.28	0.48	0.50	0.98	0.075

材料主要应用

（1）换热管板XDS-Ⅱ采用高铬钼合金化特种金属材料，在强氧化性介质中具有优良的耐蚀性能。其主要用于制造耐200℃98.6%～100%的硫酸的泵、阀、罐、塔、管线等流程装备和发烟硫酸流程装备。

（2）换热管XDS-Ⅰ是采用高铬合金化，并采用钛铌双稳定的超纯铁素体不锈钢材料。其耐浓硫酸性能优良，与换热管板XDS-Ⅱ材质性能相当，且换热管材质耐海水和氯离子腐蚀能力更佳，主要应用于硫酸生产系统流程中的流程装备制造，可在相关领域代替换热管板XDS-Ⅱ相同材质产品，可在海水淡化系统流程中制造冷凝器换热器等流程装备。

焊接性分析

（1）换热管板XDS-Ⅱ材质组织为奥氏体，焊接性能良好，但容易产生晶间腐蚀和焊接热裂纹缺陷。由于奥氏体组织不锈钢导热系数小，而线膨胀系数大，焊接过程中易于产生拉应力，且奥氏体组织不锈钢在结晶时晶粒间存在很薄的液相层，塑性很低，所以其焊接热裂纹倾向较为严重，焊接过程需严格控制热输入，即控制线能量大小。

（2）换热管XDS-Ⅰ材质组织为铁素体。一方面，由于热膨胀系数比奥氏体小，并且S、P等杂质元素在铁素体中溶解度大，Si、Nb等又是铁素体形成元素，因此，焊缝结晶时不易形成低熔点共晶，热裂纹的倾向比奥氏体不锈钢小得多，焊接热影响区超过临界温度的区域形成的马氏体量也极少，因此淬硬倾向也很小，所以比马氏体不锈钢的延迟裂纹的敏感性小，焊接性能优良。另一方面，碳和氮在铁素体基体中的溶解度非常低，在焊接加热后冷却过程中(即使急冷)难以防止晶间碳化物、氮化物析出，在焊缝和焊接热影响区（HAZ）晶粒粗大更增加了C、N化物的浓度，从而使铁素体不锈钢的焊接接头急剧脆化和晶间腐蚀敏感，这一现象是铁素体钢使用焊接性不良防碍其焊接结构使用的主要原因。而本试验换热管材质中C+N元素总含量小于等于0.025%，相比普通铁素体不锈钢材质大幅度降低了C、N的含量，在很大程度上改进了铁素体不锈钢的抗晶间腐蚀和使用焊接性及其他综合性能，同时，为了防止其晶间腐蚀，通过采用小的线能量，快速冷却等方法，降低热影响区敏化温度区的高温停留时间，使之处于稳定状态。

焊前准备

（1）焊接前，应对待焊区域表面严格清理，清除全部碳氢化合物，去除油污、锈等杂质污物，表现出金属光泽。

（2）坡口尺寸和形式属于次要因素，其变更对焊接接头性能基本影响不大，但对焊缝成形质量等有重要作用。

焊接方法

本试验采用手工钨极氩弧焊(GTAW)，因其热源较集中，又有氩气保护冷却作用，其焊接热影响区较窄，晶粒长大倾向小，焊后不需要清渣，可以全位置焊接。且氩气保护效果好，合金元素过度系数高，焊缝成分易于控制，同时隔离了空气对熔化金属的有害作用，是奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢最合适的焊接方法。

焊接材料

本次试验评定考虑换热管与管板各方面性能因素，焊接材料全部由公司自主研发。焊丝采用基于换热管板相同材质XDS-Ⅱ的焊材，规格Φ2.0mm。

焊接工艺参数

焊接工艺参数的选择对焊接质量的好坏至关重要。本文试验考虑到为保证焊缝质量性能，采用手工钨极氩弧焊，钨极氩弧焊主要包括工艺参数具体如表3所示。

表3焊接工艺参数

操作要求及注意事项

（1）XDS-Ⅰ、XDS-Ⅱ材质对焊缝周围油污等杂物比较敏感，故焊前必须对焊缝坡口及管口位置及附近油污、杂物等清理干净直至露出金属光泽。

（2）XDS-Ⅰ、XDS-Ⅱ材质需要选择小的焊接热输入，必须严格控制。

（3）钨极氩弧焊焊枪钨棒锥度磨成60-65°左右，保证电弧集中稳定，同时调整好钨极伸出喷嘴长度，对于管板焊接角焊缝伸出长度选择3～4mm，以更好的保护熔池，提高焊缝质量。

（4）为防止熔池合金元素烧损和氧化，保护气体氩气纯度要求99.99%，气体流量选择8～14L/min。

（5）试件在室内焊接，采取防风和换气措施，保证焊接环境不受影响。

焊接记录

焊接事项准备完成后，将管板和换热管样固定，伸出长度3～5mm，并调整均匀。焊接试件人员应取得相应焊工证书，并有焊接换热管板的经验，焊接时必须严格按照焊接作业指导书的工艺参数和顺序要求施焊。实际焊接参数记录如表4所示。

表4施焊记录

焊接检验

焊接完成后，对焊接试件进行检验，由于角焊缝受力较小，因此主要进行外观检验、渗透检测及角焊缝厚度测定。任取呈对角线位置的两个管接头切开，两切口互相垂直，切口一侧面应通过换热管中心线，该侧面即为金相检验面，共有7个，其中应包括一个取自接弧处，焊缝根部应焊透不允许有裂纹、未熔合，如图1所示，试样切片焊缝根部位置熔合良好，无裂纹和未熔合等缺陷，均符合要求。

外观检测

外观检查要求焊缝平整光滑，焊缝均匀，表面无肉眼可见裂纹。试样焊缝经检验复合要求。

渗透检测：

渗透检测（PT）需要注意的是：渗透检测时需对焊缝表面清理干净，着色剂着色时间不宜过长或过短，显像剂要喷涂均匀，保证整个渗透检测的准确性。每道焊接接头按照NB/T47013.5规定进行PT渗透检验，无裂纹为合格。本试验焊后管板试样经渗透检测后焊缝无裂纹，符合NB/T47013.5规定渗透检验PT规定，如图3所示。

焊缝厚度测定:

在每个金相检验面上测定。每个角焊缝的厚度都应大于或等于2b/3(为换热管公称壁厚)即厚度≥1.33mm。经游标卡尺测量，角焊缝厚度均大于1.33mm符合标准规定，实际测定值如表5所示。

表5角焊缝厚度测定值

焊缝序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9
										厚度/mm	1.4	1.6	1.4	1.5	1.9	1.4	1.6	1.6	1.8

金相检验及组织分析

金相试样制备

金相试样制备是为金相组织观察及分析做准备，试样制备好坏对金相显微组织观察分析有直接的影响，因此制备试样需严格按照制备要求执行。本次金相试样制备过程包括取样、镶嵌、磨样、抛光、侵蚀5步骤。

a、取样选择适当位置用线切割设备切取试样，以保证金相组织无组织转变。试样中要包含焊缝熔合区、热影响区、换热管母材。

b、镶嵌管板焊接接头试样尺寸较小，用镶嵌机镶嵌，便于试样金相组织观察及分析。试验所用镶嵌粉为绿色酚醛塑料粉，镶嵌温度150℃，时间15min。镶嵌后要求与试样紧密结合且平整，为后续磨样做准备。

c、磨样试样磨制先粗磨，用砂轮将试样表面打磨平整，然后进行细磨，用小号80^#型号砂纸开始打磨直至1500^#型号，将试样表面依次打磨达到符合抛光的要求。试样打磨过程中，必须始终沿着一个方向，不得来回打磨，当进行下一道打磨时，要将试样旋转90°继续打磨，至上道工序打磨的痕迹完全消失为止。

d、抛光为了进一步提高试样表面的光洁度，需通过抛光把细磨最终留下的细小划痕打磨掉，使试样表面呈镜子般光亮。抛光时将抛光液均匀的喷洒到转盘表面，边抛光边加水，防止表面过热，划痕较多时，可从转盘边缘开始抛光，逐步向转盘中心移动，抛光时试样需拿稳，力度适当，防止试样表面损坏或飞出造成意外。

e、侵蚀试样用10%的草酸溶液腐蚀，腐蚀时间为2s。腐蚀后将试样放入清水中冲洗干净，去除试样上残留的腐蚀剂，再用无水乙醇将试样表面水渍擦拭干净，最后用吹风机吹干。

管板焊接试样接头组织分析

体式显微镜10倍金相组织

采用莱卡M205C体视显微镜，对管板焊接试样接头组织进行宏观观察，如图2所示。

从图2中可以，序号1~7，焊缝整体熔合界面稳定，其中序号3焊缝熔敷金属较多，可以推测电压有轻微波动，线能量较高，但焊缝熔敷金属整体上组织分布良好。

通过以上7张管板及焊缝的10倍观察金相形态，可以看出，管与管板的焊缝宏观显微组织，无明显缺陷，形貌良好，无裂纹、未熔合、未焊透等缺陷。

焊缝熔合区金相组织分析

金相组织检验按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》评定。焊缝金相组织如图3～4所示。

（1）图3为XDS-Ⅰ熔合区金相组织，图中左侧XDS-Ⅰ母材，中间区域为热影响区，右侧焊缝区，从熔合区金相组织可以看到，熔合区过度良好，熔合线明显，没有发现缺陷，熔合区焊缝一侧晶粒20-30μm，而在过渡段（椭圆形区域）的热影响区的组织相对较细，比较均匀，无过烧组织、无裂纹，无网状析出物和网状组织。

（2）图4熔合区金相组织，左侧XDS-Ⅱ母材，中间区域为热影响区，右侧焊缝区，熔合区的过度也是良好，熔合线明显，无缺陷，熔合区焊缝一侧呈粗大柱状晶，过渡段（椭圆形区域）的热影响区相对较细，整体组织比较均匀。因焊缝区的化学成分与母材相近，金相组织仍是奥氏体组织，焊缝中间晶界被腐蚀较少，但仍然可以看到焊缝侧具有均匀的组织形态、无过烧组织、无裂纹。

通过以上金相组织观察分析，换热管板焊接接头组织分布良好，符合微观组织检验要求，满足焊接工艺评定要求。

结果与评价

（1）对公司自主研发新型耐蚀Ni-Cr合金XDS-Ⅰ（铁素体不锈钢）管件与XDS-Ⅱ（奥氏体不锈钢）材质管板进行了焊接工艺评定，符合NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》附录D的规定，满足产品工艺性要求。

（2）换热管板焊缝外观及宏观金相形貌良好，无裂纹、未熔合、未焊透等缺陷，焊缝合格。焊缝切面微观金相组织热影响区与熔合区过度良好，无过烧组织、无淬硬马氏体组织、无网状析出物和网状组织。

（3）本次管板焊接工艺评定及组织分析，为后期新型耐蚀合金的开发、企业实际生产提供参考依据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种新型Ni-Cr耐蚀合金换热器管板，包括换热管和管板，所述的管板上设有若干通孔，所述的换热管插接在管板的通孔内，所述的换热管和管板之间通过焊丝焊接，其特征在于，所述的换热管采用铬质量分数为25%-30%的铁素体不锈钢XDS-Ⅰ，所述的管板和焊丝均采用铬质量分数为24%-26%，镍质量分数为19%-22%的奥氏体不锈钢XDS-Ⅱ。

2.根据权利要求1所述的新型Ni-Cr耐蚀合金换热器管板，其特征在于，所述的换热管采用的铁素体不锈钢XDS-Ⅰ材料中C+N元素的总含量小于等于0.025%。

3.根据权利要求1所述的新型Ni-Cr耐蚀合金换热器管板，其特征在于，所述的焊丝直径尺寸为2mm。

4.一种权利要求1所述的新型Ni-Cr耐蚀合金换热器管板的焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：

（1）焊前对管板的焊缝坡口及管口位置及附近油污、杂物进行清理干净直至露出金属光泽；

（2）采用手工钨极氩弧焊焊接，管口冲氩气保护；

（3）焊接两层，包括打底和盖面，控制焊接参数，焊接的线能量必须在8.5-14KJ/cm之内，电流为90-120A，电压为14-16V。

5.根据权利要求4所述的新型Ni-Cr耐蚀合金换热器管板的焊接工艺，其特征在于，所述的氩气纯度要求99.99%，气体流量选择8～14L/min。

6.根据权利要求4所述的新型Ni-Cr耐蚀合金换热器管板的焊接工艺，其特征在于，所述的手工钨极氩弧焊的焊枪钨棒锥度磨成60-65°，同时调整钨极伸出喷嘴长度为3～4mm。