CN111390339B - 高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺 - Google Patents

高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，包括管板堆焊及管板与换热管的焊接两大步骤；管板包括管板基层及管板复层,管板基层厚度为64mm材料为16MnⅢ，管板复层为4mm的S11972，在整个锻件上粗车外圆直径预留10mm加工量，在管板复层车密封面至待堆焊表面、刨隔板槽至待堆焊表面；然后，在待堆焊表面上堆焊镍基合金ENiCrMo‑3，换热管采用S11972材料；管板与换热管焊接时，焊接接头连接形式为强度焊加贴胀，分两层焊接，第一遍自熔，第二层添加焊丝；本发明的有益效果：本发明制定了可行的高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺并成功的进行了管板堆焊、管板与换热管焊接，解决了焊接过程中、热裂纹、晶间腐蚀、复层损伤等缺陷，焊接后产品的质量好。

Description

高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺
技术领域
本发明涉及焊接领域，尤其涉及高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺。
背景技术
热换热器是石化装置主要静设备，有相当部分采用装置循环水作为热交换介质，海水淡化是循环水的重要来源，其中氯离子浓度长期处于300ppm以上区间，致使换热管与管板焊接接头及换热管出现氯离子点蚀和应力腐蚀，影响了换热设备的使用寿命，严重影响装置的平稳运行和效益。某石化公司炼油装置中有大量设备处于类似工况，面临着恶劣的循环水质环境。通过研究铁素体不锈钢具有很好的耐腐蚀性，因此该石化公司决定进行对该类设备进行材料升级试验。
目前市面上有专门用于管式换热器用的铁素体不锈钢，例如：中国专利CN1341843A 公开了一种耐海水腐蚀的铁素体不锈钢换热器，换热器管束所用的换热管采用铁素体不锈钢 0Cr19Mo2TiRE 管材制作。加入稀土可有效改善焊缝性能，但工业生产条件下不锈钢中添加稀土一直存在结晶器水口结瘤，收得率难于控制、稀土分布不均匀等问题。中国专利 CN1367368A 公开了一种铁素体不锈钢换热器，其用铁素体不锈钢 RT360，即OCr13Ti( 或 Nb)RE 的无缝钢管制造换热器管束的换热管 3-2，焊接材料用超低碳奥氏体不锈钢焊丝 308L(H00Cr20Ni10) 或 H00Cr18Ni12Mo2，氩弧焊焊接。该铁素体不锈钢含铬量仅为13％，不适用于存在氯离子条件下工作的凝汽器。中国专利 CN1702186A 公开了一种超低碳铁素体不锈钢制造的换热器、空冷器，应用于石油、化工、冶金、电力等领域，抗硫化氢及氯离子应力腐蚀的铁素体不锈钢，具体的是 00Cr13Al。该铁素体不锈钢含铬量低，同样不适用于存在氯离子条件下工作的凝汽器。中国专利201410290317.3公开了一种管式换热器用铁素体不锈钢及其制造方法，其调整了铁素体不锈钢中 Cr 和 Mo 的含量，进而控制点蚀当量 PRE，从而使所述铁素体不锈钢的耐腐蚀能力与奥氏体不锈钢 316L 相当，但还是有冷热裂纹倾向和接头脆化、晶间腐蚀现象。
通过研究，S11972为高纯铁素体钢，该钢种在含有Cl-的水介质中耐应力腐蚀和点腐蚀的性能优良，其耐腐蚀性能优于304、316L，其C、N含量很低，其较好的塑性、韧性和可焊性。适合工况需要，并且与常规奥氏体不锈钢相比具有一定的经济性。
S11972钢的化学成分（%）如下：C≤0.025，Si≤1.00，Mn≤1.00，P≤0.030，S≤0.020，Cr：17.50~19.50，Mo：1.75~2.50，Ti （或Nb）：0.20+4（C+N）~0.80，N≤0.030；
S11972钢的力学性能如下：规定塑性延伸强度≤275/MPa，抗拉强度≤415/MPa，延伸率 ≤20%，硬度≤220HV；
S11972在室温下具有纯铁素体组织，强度不高，塑性、韧性良好。该类材料在高温下基本不出现马氏体组织，在焊接铁素体不锈钢时淬硬性小；其焊接热膨胀系数与碳钢相近，比奥氏体不锈钢小， S、P等杂质在铁素体中溶解度大，Nb、Ti等是铁素体形成元素，焊缝结晶时不易形成低熔点共晶，热裂纹倾向比奥氏体不锈钢小得多。因此解决了下述问题：
1）接头脆化：铁素体不锈钢在焊后冷却过程中不会出现奥氏体向马氏体转变的淬硬现象，但焊接热所形成的热影响区近缝带在高温下铁素体晶粒粗大，C、N化合物的析出，明显降低了接头的韧性，并且不能用热处理方法改善。由于冶炼技术提高，高纯铁素体中C、N含量得到了控制，因此很大程度上消除了C、N化合物，极大改善了焊接性。
2）晶间腐蚀：由于C、N在铁素体不锈钢中溶解度很低，在950℃高温迅速析出，因此，同质焊缝和热影响区在焊后冷却过程中就会析出化合物，引起脆化还引起晶界贫铬和提高晶间腐蚀敏感性，在强氧化介质中发生晶间腐蚀。
因此，试验设备主体材料选用S11972。该类材料在石化行业内没有使用先例，对该材料的焊接性能认识不充分，结构制造无相关经验，并且上述专利都只是披露了换热器的材料，未披露焊接的过程。
在此之前我公司申请了几项关于换热器的焊接工艺，包括：申请号为201110038817.4，该专利披露了一种换热器管板与换热管焊接接头的焊接方法，具体披露的为管板与换热管焊接时的焊接路线，该专利适用于普通材质的焊接，能避免间隙腐蚀现象，但我们本次采用的是S11972材料，该方法并不适用本次焊接，采用传统的焊接参数不预热的情况下配合该焊接路线可能会出现晶间腐蚀倾向，这是由于如果不预热，S11972材料中的铬不能向贫铬区扩散并消除晶界贫铬，接头耐腐蚀性能差，晶间腐蚀现象严重；上述焊接过程也比较繁琐；我们还申请了关于超级铁素体换热管与管板之间便于焊接的结构，专利号为
201720056830 .5，该专利披露的为焊接孔外边缘设有环形槽，通过改变了其结构，使得换热管与管板便于焊接，但其未披露解决焊接过程中的晶间腐蚀、热裂纹缺陷、表面缺陷等问题的方法，采用的也不是S11972材料。
换热器的焊接包括两个方面，一是管板堆焊，另一个是管板与换热管的焊接，采用传统的方式焊接，因为焊接过程不够严谨，并且由于温度及方法的的不适宜，导致堆焊表面出现裂纹、密封面有气孔、夹渣、复层损伤等缺陷，严重影响了换热器的使用寿命，且如果材料把控不好不但会造成材料浪费、造价高，且会增加后期制造难度，影响焊接效果，因此需要研制出一种即能满足石化公司炼油装置的要求，也能达到经济性、适用性、可靠性目的高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺。
发明内容
为了解决上述问题，本发明制定了可行的高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，成功进行了管板堆焊、管板与换热管焊接，解决了焊接过程中的焊接制造难题，为类似产品的制造推广奠定了基础。
高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺其制作流程分为如下四步，分别为焊前检验----管板堆焊----管板与换热管的焊前组装----管板与换热管的焊接；具体流程如下：
第一步，是焊接前对原材料进行检验，检验步骤分为2个方面，分别为：
a.换热管检验：换热管入厂后，进行了力学性能、化学成分、硬度、晶间腐蚀、点蚀试验等项目的检查，各项检验合格后方可开展下一步。
b.管板原材料检验：管板入厂后进行了复层化学成分、晶间腐蚀、点蚀试验，基层力学检验，各项检验合格后方可开展下一步。
第二步，是进行管板堆焊，管板堆焊工艺具体步骤如下：首先是管板原材料的准备，具体的管板的结构为：管板包括管板基层及管板复层，所述管板基层的材料为16MnⅢ，厚度为64mm，所述管板的一面设有所述管板复层，所述管板复层材料为S11972，厚度为4mm，在整个锻件上粗车外圆直径预留10mm加工量，从管板的所述管板复层面车密封面至待堆焊表面，从管板的所述管板复层面刨隔板槽至待堆焊表面；然后对待堆焊表面进行堆焊，具体的堆焊工艺如下：首先进行待堆焊面清理并进行磁粉检测，检验合格后进行下一步；然后在所述密封面和所述隔板槽上堆焊镍基合金ENiCrMo-3，使得所述密封面和所述隔板槽低于复层表面4mm；堆焊镍基合金ENiCrMo-3的具体参数如下：焊接材料为ENiCrMo-3φ3.2mm，堆焊镍基合金厚度为4-6mm，分3-4层堆焊，堆焊第一层前先对管板进行预热，预热温度在80-100℃之间，其他层不预热。焊接时的焊接电流为130-150A，焊接速度为150-200mm/min；焊接方式采用均匀对称焊接，电流极性为DCEP，焊接电压为21-22V，焊接线能量为17.6KJ/cm；焊接过程中采用小的焊接规范，均匀对称焊接，用来控制堆焊管板面的变形和防止复层损伤；堆焊过程层间温度在20℃-150℃之间，4层的堆焊参数一致；上述过程中，焊材做烘干处理，所述密封面堆焊层每一层完成后都进行层间清理，防止所述密封面有气孔、夹渣等缺陷，并进行逐层渗透检查；上述检查均合格后进行堆焊下一层直至最后一层完成，堆焊参数同第一层堆焊参数一致 ，堆焊完成后进行焊接检验；最后经过复层表面渗透检查无任何缺陷，然后进行堆焊层化学成分分析，堆焊层保证了镍基合金的必要成分；当堆焊管板面不平度大于等于1mm时则进行表面加工，保证加工后复层厚度的均匀。堆焊管板面不平度小于1mm时，则不进行表面加工。
此时便完成了管板的堆焊，堆焊完成并检验完成后加工管板外圆到图纸尺寸，加工所述密封面和所述隔板槽到尺寸，车基层侧表面，其中，管板的上下两面都车所述密封面，所述管板复层一面的所述密封面是先车所述密封面再堆焊，堆焊完成后再进行加工到尺寸，所述管板复层另一面的所述密封面是在堆焊完成后与复层一侧的所述密封面一块儿加工。再进行钻孔工序。钻孔工序如下：在管板上钻多个大小相同、尺寸与U型管外径相匹配、光洁的管板孔，管板孔倒角为同心2×45°，每个管板孔的深度均一致。上述管板上的钻孔内径和和换热管的外径相匹配，换热管的规格为：φ25mm×2mm；
第三步，是管板与换热管的焊前组装，其组装步骤如下：组装前确认换热管表面是否合格，组装前要将换热管管端及管板孔清理干净，防止后序焊接缺陷，修理抛光后再穿管。组装过程对U型管曲率进行复测调整，组装中锤击时使用木锤。组装时由所述管板基层一端插入到另一端的所述管板复层，管头凹入所述管板复层端部1mm，对后序焊接根部焊透。组装时管端定位焊无应力，两管端伸出一致；（杜绝强力组装）对于两管端不齐的，用平头机削平，保证两端伸出一致。上述组装完成后进行下一步。
第四步，是管板与换热管的焊接，主要为所述管板复层面的一侧与换热管的焊接，其焊接工艺如下：
首先是换热管原材料的准备，换热管采用S11972材料；焊接接头连接形式为强度焊加贴胀，胀力为310-320MPa。然后是管板与换热管的焊接，其焊接工艺如下：第一，焊接前先对管板坡口的表面进行渗透检查，对管板坡口及管头清理油污、杂质；进一步采用有机溶剂对管板表面、管板孔内、换热管端部油污杂质清理擦洗，有机溶包括丙酮、酒精等；在此过程中，确保组对质量满足焊接需要，严格控制管头下沉至所述管板复层面1mm左右。然后焊接第一层前先进行焊前预热，保证施焊温度50-100℃；然后进行管板与换热管的焊接，本管板与换热管的焊接分两层焊接，第一层氩弧焊不加丝自熔焊接；焊接参数为：焊接材料：无，电流极性为DCEN，焊接电流为90-95A，焊接电压为17-18V，焊接速度为6cm/min，保护气体及流量为Ar10-12L/min，层间温度为30℃；焊接收弧时电流衰减3-5秒，防止弧坑裂纹，或保证收弧点饱满，高出部分再修磨清除。焊接时采用窄焊道焊接，小的焊接线能量、较快的焊接速度；第一个接头焊接完成后，从第一个接头转移到下一个接头直至所有的接头都焊接完成；从一个接头不熄弧转移到下一个接头时移动速度小于2mm/s，移动不要过快致使该收尾焊缝冷速过快，或者停弧衰减后再转移，焊接收弧时在管板表面上收弧，再打磨收弧位置，避免缺陷留在相对薄弱的焊缝上，然后进行渗透检测，定位焊接必须无可视缺陷，若有焊前务则去除可视缺陷，去除方式采用采用机械打磨，用不锈钢丝刷清理层间氧化物。然后进行管束旋转90°，再进行第二层的焊接；焊接第二层时填加焊丝氩弧焊焊接，焊接材料为ERNiCr-3φ2.0mm，电流极性为DCEN，焊接电流为95-100A，焊接电压为17-18V，焊接速度为5cm/min，保护气体及流量为Ar10-12L/min，层间温度120℃；第一个接头焊接完成后，从第一个接头转移到下一个接头直至所有的接头都焊接完成；从一个接头不熄弧转移到下一个接头时移动速度小于2mm/s，焊接收弧时在管板表面上收弧，再打磨收弧位置，即完成了管板与换热管的焊接。
上述焊接完成后，进行渗透检查、射线检测，确认无内部缺陷。
本发明的有益效果为：
本发明制定了可行的高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，换热管采用S11972材料，管板复层材料为S11972，我们成功的进行了管板堆焊、管板与换热管焊接，解决了焊接过程中的焊接制造难题，为类似产品的制造推广奠定了基础。
2.传统的焊接工艺中热裂纹是焊接过程中几乎都出现的缺陷，我们通过制定了严格的焊接流程及焊接工艺，先是对管板坡口表面渗透检查及清理---焊接第一层前先进行焊前预热，保证施焊温度50-100℃---第一层氩弧焊不加丝自熔焊接并配置了最佳焊接参数---焊接收弧时电流衰减3-5秒，防止弧坑裂纹，或保证收弧点饱满，高出部分再修磨清除---焊接时采用窄焊道焊接，小的焊接线能量、较快的焊接速度---从一个接头转移到下一个接头时不要移动过快致使该收尾焊缝冷速过快，或者停弧衰减后再转移---收弧收在管板表面上，再打磨收弧位置，避免缺陷留在相对薄弱的焊缝上---焊接第二层前要PT检测确保第一遍缺陷已经消除，用不锈钢丝刷清理层间氧化物---整体焊接完毕后要进行PT检测，确认无表面缺陷，因此焊接完成后，不会出现热裂纹缺陷，焊接效果好；由于管头下沉至管板复层面1mm左右，所以焊接中钨极很容易地深入到换热管与管板夹角根本，在焊接过程中，相比带有氩气保护罩的焊枪，焊枪枪头更加灵活，便于操作。由于焊接收弧时要设置电流衰减3-5秒，所以防止了弧坑裂纹，从一个接头转移到下一个接头时不要移动过快致使该收尾焊缝冷速过快，或者停弧衰减后再转移，收弧可收在管板表面上，再打磨收弧位置，所以避免了缺陷留在相对薄弱的焊缝上。
3.本发明，管板的材质及结构与S11972材料的换热管之间在焊接时具有协同作用，我们的焊接方法最大程度的降低了成本的同时还保障了焊接质量，降低了焊接的难度，即：首先，管板基层采用复合板，复合板的材料为16MnⅢ，管板复层只有4mm，管板复层材料为S11972，其管板厚度减薄不但减少了后期焊接难度还不影响后期使用质量，因为管板复层采用S11972材料，S11972材料太厚的话不便于钻孔，而本管板复层只有4mm，由于减薄了厚度，所以避免了管板的加工难度，便于后期的工序，尤其是的钻孔工序，减少了钻孔的时间及降低了钻孔的难度，钻出来的孔隙大小均匀无缺陷，有利于后期与换热管组装；其次是密封面及所述隔板槽加工后堆焊镍基合金，则16MnⅢ与镍基合金堆焊，由于不含C、N，所以两者不会出现晶间腐蚀现象，堆焊完成后，使得密封面和隔板槽低于复层表面4mm，进一步，表面暴露的材质为：管板复层为S11972和所述密封面及所述隔板槽为镍基合金ENiCrMo-3，本发明通过S11972材料换热管的与S11972材料管板复层相配合，在焊接前进行预热，焊接时由于C、N在铁素体不锈钢中溶解度很低，在950℃高温迅速析出，与此同时S11972材料材料中的铬向贫铬区扩散并消除了晶界贫铬，恢复了接头耐腐蚀性能，晶间腐蚀倾向得到改善。而管板上的镍基合金ENiCrMo-3中的铬在铁素体不锈钢中扩散速度远比奥氏体不锈钢中快，通短时间保温，使铬向贫铬区扩散并消除了晶界贫铬，恢复了接头耐腐蚀性能，晶间腐蚀倾向得到改善，因此保障了前期的焊接质量。工作时，与重石脑油水接触的均为S11972材料，S11972材料具有抗腐蚀性好、塑性、韧性良好的特点，因此保障了设备的运行，延长了换热器的使用寿命。
4.管板基层整体采用复合板，不同于常规管板耐蚀层堆焊至少需要10mm以上，本结构的管板复层只有4mm，管板密封面及所述隔板槽加工后堆焊镍基合金配合S11972材料的管板复层。这样1）能够节约堆焊的镍基材料，大大的降低成本。2）保证了密封面及所述隔板槽位置不因管板复合层厚度较小而失去抗腐蚀作用。3）实现了换热管与管板同种材质焊接，避免了焊接应力造成的裂纹、变形等大问题。 4）焊接材料为ENiCrMo-3φ3.2mm，ENiCrMo-3φ3.2mm能够有效补充母材合金元素的烧损，保证母材和热影响区的耐腐蚀性能，还保证了焊缝的硬度指标；
管板堆焊及管板与换热管的焊接中的焊接参数均为最佳的焊接参数配比，比如管板堆焊过程中，由于分3-4层堆焊，如果通过大范围的堆焊，则由于堆焊厚度过厚，所以其中肯定会出现密封面有气孔、夹渣等缺陷，影响焊接质量；堆焊第一层前先对管板整体进行预热，预热温度在80-100℃之间，且堆焊过程层间温度要小于150℃，且不低于20℃，堆焊表面必须要清洁，所以不仅防止了热裂纹的产生，且有利于镍基合金焊材的焊接效果，在焊接过程中由于伴热所以控制了堆焊管板面的硬性变形和防止复层损伤；
虽然管板复层比较薄，管板堆焊过程中，由于采用小的焊接规范，焊接电流130-150A，焊接速度150-200mm/min，电流极性为DCEP，焊接电压为21-22V，焊接线能量为17.6KJ/cm，焊接方式采用均匀对称焊接，所以控制了堆焊管板面的变形和防止复层损伤；而且由于复层比较薄所以减轻了换热器整体的重量，为以后的安装减轻负担；由于焊材做好了烘干处理，密封面堆焊层要做好层间清理，所以防止密封面有气孔、夹渣等缺陷，避免了影响后期的焊接质量；
由于镍基合金具有优良的耐腐蚀性，提高了焊接接头的韧性，同时，镍基合金合金含量高，能够有效补充母材合金元素的烧损，保证母材和热影响区的耐腐蚀性能，还保证了焊缝的硬度指标。
由于管板与换热管焊接前先进行预热，保证施焊温度在50-100℃之间，所以控制了焊接过程中的的硬性变形和防止复层损伤，由于分两层焊接，所以避免了一次焊接时的气孔、夹渣现象，第一层不加焊接材料，焊接电流为90-95A，避免了电流过高造成的裂纹，焊接收弧时电流衰减3-5秒，防止了弧坑裂纹现象，结合着焊接电压为17-18V，焊接速度为6cm/min，保护气体及流量为Ar10-12L/min，保障了焊接时不出现裂纹现象。从一个接头转移到下一个接头时移动速度小于2mm/s，因此不会因为移动过快致使该收尾焊缝冷速过快。
第二次焊接因添加了焊丝氩弧焊焊接，并加大了焊接电流，焊接电流为95-100A，减小了焊接速度，焊接速度为5cm/min，配合其他焊接参数，所以达到了焊接时不出现裂纹现象还焊接的质量好。
本发明很注重焊前、焊中、焊后检测，因此能及时发现焊接时出现的问题并及时解决焊接时的问题，本发明很注重焊接过程中及时清理杂质、油污等，防止了后序焊接过程中造成的缺陷，为后续工作打下坚实的基础，因此焊接出来的产品质量好。
6.本发明焊接完成后经射线检测无任何缺陷；焊接接头经拉伸试验和弯曲试验合格；按照GB/T 4334-2008 E法进行晶间腐蚀试验合格；经硬度检测符合标准规定；按照技术条件进行点蚀试验，符合技术要求。通过对管板与换热管焊接接头进行附加工艺评定，检测结果为：经渗透检测无任何缺陷；接头宏观金相检验，无裂纹、未熔合、未焊透，焊缝高度均大于2mm；贴胀均匀贴合紧密，胀接部位渗透检测无任何缺陷；焊缝硬度检测符合标准规定，因此通过本发明的焊接方法焊接出的产品质量好。
附图说明
图1：管板示意图；
图2：加工出密封面和隔板槽的管板示意图；
图3：传统材料不锈钢换热器初装照片；
图4：传统材料不锈钢换热器使用一年后的照片；
图中：
1、管板基层 2、管板复层 3、密封面 4、隔板槽
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺其制作流程分为如下四步，分别为焊前检验----管板堆焊----管板与换热管的焊前组装----管板与换热管的焊接；为了避免采用原材料焊接不成功后造成的原材料浪费，所以在焊前我们先进行了焊接工艺的评定，评定方式如下：
首先我们进行了S1197的焊前工艺的评定，S11972的化学成分如下：
Figure 860775DEST_PATH_IMAGE002
S11972钢的力学性能如下：
规定塑性延伸强度/MPa 抗拉强度/MPa 延伸率 % 硬度HV
≤275 ≤415 ≤20 ≤220
然后我们进行了S11972焊接性分析：S11972材料属于铁素体不锈钢，在室温下具有纯铁素体组织，强度不高，塑性、韧性良好。该类材料在高温下基本不出现马氏体组织，在焊接铁素体不锈钢时淬硬性小；其焊接热膨胀系数与碳钢相近，比奥氏体不锈钢小， S、P等杂质在铁素体中溶解度大，Nb、Ti等是铁素体形成元素，因此，焊缝结晶时不易形成低熔点共晶，热裂纹倾向比奥氏体不锈钢小得多。
接下来我们对管板与换热管之间的焊接接头焊接工艺试验进行评定：
在本设备中，主要承压接头是管板与换热管之间的焊接接头，必须用对接接头焊接工艺试验来评定该类接头的力学性能。因此，选用了S11972，厚度4mm的钢板进行对接试验。在焊材选择方面，焊接材料既要保证焊接接头的塑性、韧性，不发生脆化问题，又要保证铁素体不锈钢焊接接头的耐腐蚀性能。镍基合金具有优良的耐腐蚀性能，可以提高焊接接头的韧性，免除同质焊材焊前预热和焊后热处理，镍基合金合金含量高，能够有效补充母材合金元素的烧损，保证母材和热影响区的耐腐蚀性能，合理的选择还能保证焊缝的硬度指标。因此我们选择了ERNiCr-3，φ2.0作为焊接材料，采用手工钨极氩弧焊方法，焊接过程中背面也进行氩气保护。接下来我们进行了焊接试验，具体的焊接工艺参数如下：
Figure 309074DEST_PATH_IMAGE004
经焊接试验完成后我们进行了焊接检验：经射线检测无任何缺陷；接头拉伸试验和弯曲试验合格；按照GB/T 4334-2008 E法进行晶间腐蚀试验合格；硬度检测符合标准规定；按照技术条件进行点蚀试验，符合技术要求。
接下来我们对所述管板复层(2)的厚度及材料进行评定：
所述管板复层(2)材料 所述管板复层(2)厚度mm 堆焊材质及厚度mm 造价（元） 评定结果
整体采用不锈钢板 / / 12000 造价高，钻孔时间长，孔的垂直度差
S11972mm 2 2-4mm镍基合金 4000 耐腐蚀性差，管头焊接容易出现缺陷
S11972mm 4 4-6mm镍基合金 6700 耐腐蚀性好，钻孔难度低，基本不会形变
S11972mm 6 6-8mm镍基合金 9600 堆焊变形大，钻孔时间长，难度高，钻孔的垂直度差，耐腐蚀性好，造价高
其次我们对管板堆焊工艺进行评定：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
最后我们对管板与换热管的焊接工艺进行了评定：
1层焊接 分2层焊接 分2层焊接
堆焊材质 填加焊丝氩弧焊焊接焊接材料为ERNiCr-3φ2.0mm 第一层采用氩弧焊不加丝自熔焊接，第二层时填加焊丝氩弧焊焊接，焊接材料为普通不锈钢焊丝 第一层采用氩弧焊不加丝自熔焊接，第二层时填加焊丝氩弧焊焊接，焊接材料为ERNiCr-3φ2.0mm
预热温度℃ 80-110℃ 0 50-100℃
焊接电流 100-120 第一层90-95，第二层90-95 第一层90-95，第二层95-100
焊接速度cm/min 5cm/min 第一层6cm/min，第二层5cm/min 第一层6cm/min，第二层5cm/min
电流极性 DCEP DCEP DCEN
焊接电压V 17-18 17-18 17-18
保护气体及流量L/min Ar10-12 Ar10-12 Ar10-12
层间温度 120 0 第一层30℃，第二层120℃
是否进行了层间清理 否 否 是
收弧电流衰减s 0 0 3-5
管面下沉mm 0 0 1
焊接结果 焊接后无变形情况，焊接过程中，管板与换热管焊接处出现了气孔、热裂纹，焊缝根部有未熔合、未焊透缺陷，焊缝不饱满。焊接后晶间腐蚀试验，腐蚀严重。 焊接时，焊接处出现了肉眼可见的气孔、热裂纹等缺陷，缺陷留在相对薄弱的焊缝，不利于后期的使用，具有热裂纹缺陷，焊接后点蚀试验和晶间腐蚀试验，腐蚀严重。 焊后表面稍有不平，通过修磨已清除，没有弧坑裂纹、气孔、热裂纹缺陷等缺陷，无接头脆化现象，晶间腐蚀、点蚀试验结果无腐蚀开裂，通过力学等检验，均达到了标准
经焊接工艺的评定，试验符合技术要求后，我们开始焊接高纯铁素体不锈钢换热器，具体流程如下：
第一步，是焊接前对原材料进行检验，检验步骤分为2个方面，分别为：
a.换热管检验：换热管入厂后，进行了力学性能、化学成分、硬度、晶间腐蚀、点蚀试验等项目的检查，各项检验合格后方可开展下一步。
b.管板原材料检验：管板入厂后进行了复层化学成分、晶间腐蚀、点蚀试验，基层力学检验，各项检验合格后方可开展下一步。
第二步，是进行管板堆焊，管板堆焊工艺具体步骤如下：
首先是管板原材料的准备，具体为：管板的结构为：包括管板基层(1)及管板复层(2)，所述管板基层(1)为复合板，复合板的材料为16MnⅢ，厚度为64mm，所述管板基层(1)的一面设有所述管板复层(2)，所述管板复层(2)材料为S11972，厚度为4mm，在整个锻件上粗车外圆直径预留10mm加工量，从管板的所述管板复层(2)面车所述密封面(3)至待堆焊表面，从管板的管板，具体的堆焊工艺如下：首先进行待堆焊面清理并进行磁粉检测，检验合格后进行下一步；然后在所述密封面(3)和隔板槽(4)上堆焊镍基合金ENiCrMo-3，使得所述密封面(3)和所述隔板槽(4)低于复层表面4mm；堆焊镍基合金ENiCrMo-3的具体参数如下：焊接材料为ENiCrMo-3φ3.2mm，堆焊镍基合金厚度为4-6mm，分3-4层堆焊，堆焊第一层前先对管板进行预热，预热温度在80-100℃之间，其他层不预热。焊接时的焊接电流为130-150A，焊接速度为150-200mm/min；焊接方式采用均匀对称焊接，电流极性为DCEP，焊接电压为21-22V，焊接线能量为17.6KJ/cm；焊接过程中采用小的焊接规范，均匀对称焊接，用来控制堆焊管板面的变形和防止复层损伤；堆焊过程层间温度在20℃-150℃之间，4层的堆焊参数一致；上述过程中，焊材做烘干处理，所述密封面(3)堆焊层每一层完成后都进行层间清理，防止所述密封面(3)有气孔、夹渣等缺陷，并进行逐层渗透检查；上述检查均合格后进行堆焊下一层直至最后一层完成，堆焊参数同第一层堆焊参数一致 ，堆焊完成后进行焊接检验；最后经过复层表面渗透检查无任何缺陷，然后进行堆焊层化学成分分析，堆焊层保证了镍基合金的必要成分；当堆焊管板面不平度大于等于1mm时则进行表面加工，保证加工后复层厚度的均匀。堆焊管板面不平度小于1mm时，则不进行表面加工，保证加工后复层厚度的均匀。
此时便完成了管板的堆焊，堆焊完成并检验完成后加工管板外圆到图纸尺寸，加工所述密封面(3)和所述隔板槽(4)到尺寸，车基层侧表面，其中，管板的上下两面都车所述密封面(3)，所述管板复层(2)一面的所述密封面(3)是车先所述密封面(3)再堆焊，堆焊完成后在进行加工到尺寸，所述管板复层(2)另一面的所述密封面(3)是在堆焊完成后与复层一侧的所述密封面(3)一块儿加工。再进行钻孔工序。钻孔工序如下：在管板上钻多个大小相同、尺寸与U型管外径相匹配、光洁的管板孔，管板孔倒角为同心2×45°，每个管板孔的深度均一致。上述管板上的钻孔内径和和换热管的外径相匹配，换热管的规格为：φ25mm×2mm；
第三步，是管板与换热管的焊前组装，其组装步骤如下：组装前确认换热管表面是否合格，组装前要将换热管管端及管板孔清理干净，防止后序焊接缺陷，修理抛光后再穿管。组装过程对U型管曲率进行复测调整，组装中锤击时使用木锤。组装时由所述管板基层(1)一端插入到另一端的所述管板复层(2)，管头凹入所述管板复层(2)端部1mm，对后序焊接根部焊透。组装时管端定位焊无应力，两管端伸出一致；（杜绝强力组装）对于两管端不齐的，用平头机削平，保证两端伸出一致。上述组装完成后进行下一步。
第四步，是管板与换热管的焊接，主要为所述管板复层(2)面的一侧与换热管的焊接，其焊接工艺如下：
首先是换热管原材料的准备，换热管采用S11972材料；焊接接头连接形式为强度焊加贴胀，胀力为310-320MPa。然后是管板与换热管的焊接，其焊接工艺如下：第一，焊接前先对管板坡口的表面进行渗透检查，对管板坡口及管头清理油污、杂质；进一步采用有机溶剂对管板表面、管板孔内、换热管端部油污杂质清理擦洗，有机溶包括丙酮、酒精等；在此过程中，确保组对质量满足焊接需要，严格控制管头下沉至所述管板复层(2)面1mm左右。然后焊接第一层前先进行焊前预热，保证施焊温度50-100℃；然后进行管板与换热管的焊接，本管板与换热管的焊接分两层焊接，第一层氩弧焊不加丝自熔焊接；焊接参数为：焊接材料：无，电流极性为DCEN，焊接电流为90-95A，焊接电压为17-18V，焊接速度为6cm/min，保护气体及流量为Ar10-12L/min，层间温度为30℃；焊接收弧时电流衰减3-5秒，防止弧坑裂纹，或保证收弧点饱满，高出部分再修磨清除。焊接时采用窄焊道焊接，小的焊接线能量、较快的焊接速度；第一个接头焊接完成后然后从第一个接头转移到下一个接头直至所有的接头都焊接完成；从一个接头转移到下一个接头时移动速度小于2mm/s，不要移动过快致使该收尾焊缝冷速过快，或者停弧衰减后再转移，收弧收在管板表面上，再打磨收弧位置，避免缺陷留在相对薄弱的焊缝上，然后进行渗透检测，定位焊接必须无可视缺陷，若有焊前务则去除可视缺陷，去除方式采用采用机械打磨，用不锈钢丝刷清理层间氧化物。然后进行管束旋转90°，再进行第二层的焊接；焊接第二层时填加焊丝氩弧焊焊接，焊接材料为ERNiCr-3φ2.0mm，电流极性为DCEN，焊接电流为95-100A，焊接电压为17-18V，焊接速度为5cm/min，保护气体及流量为Ar10-12L/min，层间温度120℃；第一个接头焊接完成后然后从第一个接头转移到下一个接头直至所有的接头都焊接完成；从一个接头转移到下一个接头时移动速度小于2mm/s，收弧收在管板表面上，再打磨收弧位置，即完成了管板与换热管的焊接。
上述焊接完成后，进行渗透检查、射线检测，确认无内部缺陷；
上述焊接过程中，其检验依据如下：
换热管与管板焊接接头第一遍和第二遍焊接完毕分别按照NB/T47013.5-2015进行渗透检测，检测结果：无任何缺陷。
换热管与管板接头焊接完毕后，按照NB/T47013.2-2015附录A，进行射线检测，结果符合标准要求，无超标缺陷。
根据图纸要求进行了管程的水压试验，试验压力2.25MPa，无渗漏、变形和异常声响符合GB/T151-2014。
设备不锈钢表面酸洗钝化后按照蓝点法进行检验，无蓝点。
制造完毕后，设备交付装置现场进行安装，一次安装成功。
图3为2016年5月传统材料不锈钢换热器初装照片，在2017月5月检修时发现换热器已经大面积腐蚀（图4），经过渗透等检验发现换热器内部也存在缺陷，因此进行紧急抢修更换，并开始研制高纯铁素体不锈钢换热器，由于要停产抢修更换，所以给某石化公司造成约3千万元人民币的损失。
经攻关，我们研发的高纯铁素体不锈钢换热器从2018年5月安装运行至2019年5月，打开后表面没有发现任何腐蚀、泄漏现象，经检验人员通过检验仪器对其内部进行检验，确认了无内部缺陷、无渗漏、变形和异常声响，在这一年运行过程中也无任何事故发生，工作人员将其重新关闭并继续运行。该换热器运行至今计划在2020年5月将进行第二次检验，届时将会拍摄相关照片。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，其特征在于：包括管板堆焊及管板与换热管的焊接两大步骤；
第一步：管板堆焊工艺具体步骤如下：
首先是管板原材料的准备，具体为：管板的结构为：管板包括管板基层及管板复层，所述管板基层的材料为16MnⅢ，厚度为64mm，所述管板基层的一面设有管板复层，所述管板复层材料为S11972，厚度为4mm，在整个锻件上粗车外圆直径预留10mm加工量，在所述管板复层面车密封面至待堆焊表面，在所述管板复层面刨隔板槽至待堆焊表面,然后在所述管板复层一侧的待堆焊表面进行堆焊，具体的堆焊工艺如下：
在所述密封面和所述隔板槽上堆焊镍基合金ENiCrMo-3，使得所述密封面和所述隔板槽低于所述管板复层表面4mm；堆焊镍基合金ENiCrMo-3的具体参数如下：焊接材料为ENiCrMo-3φ3.2mm，堆焊镍基合金厚度为4-6mm，分3-4层堆焊，堆焊第一层前先对管板进行预热，预热温度在80-100℃之间，其他层不预热；焊接时的焊接电流为130-150A，焊接速度为150-200mm/min；焊接方式采用均匀对称焊接；电流极性为DCEP，焊接电压为21-22V，焊接线能量为17.6KJ/cm；堆焊过程中保证层间温度在20℃-150℃之间；4层的堆焊参数一致；
第二步：管板与换热管的焊接工艺具体步骤如下：
首先是换热管原材料的选择，换热管采用S11972材料；焊接接头连接形式采用强度焊加贴胀；
然后是管板与换热管的焊接，其焊接工艺如下：
第一，焊接第一层前先进行焊前预热，保证施焊温度在50-100℃之间；然后进行管板与换热管的焊接，本管板与换热管的焊接分两层焊接，第一层采用氩弧焊不加丝自熔焊接，焊接的参数为：焊接材料：无，电流极性为DCEN，焊接电流为90-95A，焊接电压为17-18V，焊接速度为6cm/min，保护气体及流量为Ar10-12L/min，层间温度为30℃；第一个接头焊接完成后，从第一个接头转移到下一个接头直至所有的接头都焊接完成；从一个接头不熄弧转移到下一个接头时移动速度小于2mm/s，焊接收弧时在管板表面上收弧，再打磨收弧位置，然后进行管束旋转90°，再进行第二层的焊接；焊接第二层时填加焊丝氩弧焊焊接，焊接材料为ERNiCr-3φ2.0mm，焊接参数为：电流极性为DCEN，焊接电流为95-100A，焊接电压为17-18V，焊接速度为5cm/min，保护气体及流量为Ar10-12L/min，层间温度为120℃，第一个接头焊接完成后，从第一个接头转移到下一个接头直至所有的接头都焊接完成；从一个接头不熄弧转移到下一个接头时移动速度小于2mm/s，焊接收弧时在管板表面上收弧，再打磨收弧位置。
2.根据权利要求1所述的高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，其特征在于：管板堆焊前先对堆焊面进行清理，然后进行磁粉检测，检验合格后方可进行下一步的堆焊工作。
3.根据权利要求2所述的高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，其特征在于：管板堆焊过程中，焊材做烘干处理，所述密封面堆焊层每一层完成后都进行层间清理，并进行逐层渗透检查；上述检查均合格后进行堆焊下一层直至最后一层完成堆焊，堆焊完成后进行焊接检验。
4.根据权利要求3所述的高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，其特征在于：堆焊完成后，对所述管板复层进行加工，管板堆焊面不平度应小于1mm,然后进行所述管板复层表面渗透检查，检查无任何缺陷后进行堆焊层化学成分分析。
5.根据权利要求4所述的高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，其特征在于：上述检验完成后加工管板外圆到图纸尺寸，加工所述密封面和所述隔板槽到尺寸，车基层侧表面；再进行钻孔工序；钻孔工序如下：
在管板上钻多个大小相同、尺寸与U型管外径相匹配、光洁的管板孔，管板孔倒角为同心2×45°，每个管板孔的深度均一致，换热管的规格为：φ25mm×2mm。
6.根据权利要求1所述的高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，其特征在于：管板与换热管焊接前先对管板坡口表面进行渗透检查、对管板坡口及管头清理油污、杂质，确保组对质量满足焊接需要，严格控制管头下沉至所述管板复层面1mm左右，然后再进行焊前预热。
7.根据权利要求6所述的高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，其特征在于：管板与换热管焊接过程中，焊接收弧时电流衰减3-5秒。
8.根据权利要求7所述的高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，其特征在于：管板与换热管焊接过程中，从一个接头转移到下一个接头后先进行渗透检测，定位焊接前去除可视缺陷然后再进行管束旋转90°，去除可视缺陷方式为用不锈钢丝刷清理层间氧化物。
9.根据权利要求1-8任一项所述的高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，其特征在于：管板堆焊前先对原材料进行检验：其步骤如下：首先是换热管检验，换热管入厂后，进行了力学性能、化学成分、硬度、晶间腐蚀、点蚀试验项目的检查，检查合格后再进行管板原材料检验，检验方式为管板入厂后进行了复层化学成分、晶间腐蚀、点蚀试验，基层力学检验，上述检验均合格后方可进行下一步工作。
10.根据权利要求1-8任一项所述的高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，其特征在于：管板堆焊及管板与换热管的焊接均完成后均进行渗透检查及射线检测确认无内部缺陷。
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