镍基合金在高压换热器制造中的应用

逯来俊，杨 帆，王延平，林桂贤，李永红，张建晓

(1.兰州节能环保工程有限责任公司，甘肃 兰州 730050；2.甘肃火电工程公司，甘肃 兰州730070；3.兰州兰石重型装备股份有限公司，甘肃 兰州 730050)

镍基合金在高压换热器制造中的应用

逯来俊1，杨 帆2，王延平2，林桂贤3，李永红3，张建晓3

(1.兰州节能环保工程有限责任公司，甘肃 兰州 730050；2.甘肃火电工程公司，甘肃 兰州730070；3.兰州兰石重型装备股份有限公司，甘肃 兰州 730050)

在材质为12Cr2Mo1R(H)Ⅳ锻(低合金耐热钢)的管板上堆焊Inconel 625(单一的奥氏体组织)，金属组织和化学成分不同，物理性能差别较大，同时低合金耐热钢中含有较多的Cr-Mo成分，空淬倾向大。为了消除焊接应力，焊后必须进行热处理，但焊后热处理会引起Inconel 625合金耐腐蚀性能的下降。正确选用焊接材料、严格控制焊接热输入量和制定合理的焊接工艺是镍基耐蚀合金焊接的关键。通过焊接工艺试验、焊接工艺评定和产品的施焊证明，所选用的焊接方法、焊接材料、焊接工艺规范正确合理。

镍基合金；焊接工艺评定；焊接材料；焊接工艺规范

0 前言

近年来，镍基耐蚀合金在压力容器及其相关领域的应用越来越多，这缘于该种合金独特的物理、力学和耐腐蚀性能，能够解决一般不锈钢和其他金属、非金属材料无法解决的工程腐蚀问题。随着炼油装置的大型化，炼油工艺不断改进，对设备的堆焊层耐蚀性能要求越来越高。Inconel 625属Ni-Cr-Mo合金，由于含有较高的Cr和Mo，因此耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀性能良好，既耐还原性介质腐蚀又耐氧化性介质腐蚀，同时也耐氧化-还原复合介质，因此在炼油装置中得到广泛的应用。

高压换热器是加氢裂化装置除反应器外的核心设备之一，由于螺纹锁紧环式密封结构换热器结构紧凑、泄漏点少、密封可靠、占地面积小、节省材料；即使运行过程中出现泄漏也不必停车，只需紧固内、外圈顶紧螺栓即可达到密封要求。目前国内外加氢裂化和重油加氢脱硫装置中普遍采用此结构换热器。年产170×104t／a渣油加氢处理装置中的热高分气／混合氢换热器，管程设计温度316℃，设计压力16.07 MPa，换热管材质为UNS NO8825，规格φ 19 mm×2 mm；介质易爆；管板材质为12Cr2Mo1R (H)Ⅳ+堆焊625，管箱壳体材质为12Cr2Mo1R(H)，设计温度256℃，设计压力19.43 MPa，介质易爆，结构简图如图1所示。

在材质为12Cr2Mo1R(H)Ⅳ锻(低合金耐热钢)的管板上堆焊Inconel 625(单一的奥氏体组织)，由于金属组织和化学成分都不相同，物理性能差别较大，同时低合金耐热钢中含有较多的Cr-Mo成分，空淬倾向大。为了消除焊接应力，焊后必须进行热处理，但焊后热处理会降低Inconel 625合金的耐腐蚀性能，因此如何确定保证堆焊层质量的合理的焊接工艺是关键。

图1 高压换热器示意

1 镍基合金的焊接特点

由于镍基合金焊缝金属组织为单一奥氏体组织，液态焊缝金属流动性差、熔深浅、焊接时易产生热裂纹和气孔，因此焊前应彻底清洗工件和焊丝。

焊接时选用较小的热输入量，减少接头高温停留时间，对控制和减少热裂纹、提高耐腐蚀性均有利；同时选择合适的焊接速度，采用窄焊道、焊条电弧焊时，尽量采用短弧；层间温度应控制在100℃以下。

2 焊接工艺评定的制定[1-3]

结合镍基合金的焊接特点和高压换热器的结构特点，管板堆焊采用埋弧带极堆焊(局部采用焊条电弧焊堆焊)，管板与换热管的焊接采用自动钨极氩弧焊，并分别进行了焊接工艺评定。

2.1 管板埋弧带极堆焊和焊条电弧焊堆焊工艺评定

镍基合金的堆焊主要考虑堆焊层的厚度、化学成分、耐蚀性及其有关特性。要达到上述要求，需要控制的要素如图2所示。

图2 带极堆焊质量要素

由图2可知，堆焊层厚度、成分和组织受几种相互关联因素的影响。经多次焊接试验后，在厚度为δ＝60 mm的12Cr2Mo1R钢上进行了Inconel 625带极堆焊工艺和焊条电弧焊堆焊评定，焊接材料及焊接工艺规范参数如表1所示，焊接过程及试验结果如下。

表1 焊接材料及焊接工艺规范参数

(1)在12Cr2Mo1R钢上进行Inconel 625带极堆焊和焊条电弧焊堆焊。

12Cr2Mo1R试板表面100%磁粉(MT)检测→预热(预热温度T≥80℃)→堆焊过渡层(道间温度T≤100℃)→后热(250℃～300℃×2 h)→堆焊层100% (PT)检查→690℃×12(PWHT)消除应力处理→堆焊表层(道间温度T≤100℃)→堆焊层100%着色(UT、PT)检测。

(2)焊接工艺评定试验结果。

根据产品技术条件的要求，分别进行了化学成分、耐蚀性、弯曲以及硬度的检测。试验结果结果分别如表2～表5所示。

表2 堆焊层化学成分%

表3 腐蚀试验

表4 堆焊层弯曲试验(焊条电弧焊堆焊、带极堆焊)

表5 硬度测量HV10

表2～表5试验结果表明，堆焊层化学成分、堆焊层弯曲试验、硬度测量和腐蚀试验均满足要求，证明所选用的焊接工艺以及焊接材料正确合理。

3 管板与换热管的焊接采用自动钨极氩弧焊工艺评定[4-5]

采用堆焊合格的12Cr2Mo1R+Inconel625试板进行了管板与换热管的自动钨极氩弧焊工艺评定，焊丝选用ER NiCrMo-3，规格φ 0.8 mm，纯Ar保护。并依据产品技术条件和GB151-1999《管壳式换热器》附录B的要求，分别进行了硬度、耐蚀性检测和拉脱力试验，试验结果均满足制造技术条件要求。

4 产品焊接

在工艺试验及工艺评定的基础上，进行了管板的Inconel625的堆焊、管板与换热管的自动钨极氩弧焊的焊接。实际表明，堆焊层与管接头角焊缝成形美观，无损检测合格率高，各项技术指标均满足要求。

5 结论

镍基合金堆焊层的力学性能和耐蚀性取决于能否正确选用焊接材料、严格控制焊接热输入量以及制定合理的焊接工艺，通过焊接工艺试验、焊接工艺评定和产品的施焊证明，所选用的焊接方法、焊接材料、焊接工艺规范正确合理。

[1]余 勇，张 凯，王迎君.螺纹锁紧环式换热器的制造工艺[J].电焊机，2004，34(5)：16-22.

[2]张建晓，王国珍.制造加氢反应器用Cr-Mo中温抗氢钢[J].电焊机，2007，37(8)：50-55.

[3]靳红梅，任世宏.镍基合金在异种钢焊接中的应用[J].电焊机，2009，39(9)：148-150.

[4]胡义良，杨晓成.镍基合金的窄间隙焊接工艺[J].电焊机，2008，38(3)：65-66.

[5]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册2-材料的焊接[M].北京：机械工业出版社，2008.

[6]崔忠圻.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，1993.

Application of Nickel-alloys on the high pressure heat exchanger

LU Lai-jun1，YANG Fan2，WANG Yan-ping2，LIN Gui-xian3，LI Yong-hong3，ZHANG Jian-xiao3
(1.Lanzhou Energy-saving and Environmental Protection Engineering Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，China；2.Gansu Thermal Power Engineering Corperation，Lanzhou 730070，China；3.Lanzhou Lanshi Heavy Equipment Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，China)

Overlaying nickel-alloys on the low alloy heat resistance steel tube sheets of the high pressure heat exchanger，because of the difference from metal microstructure，chemical composition and mechanical properties，It can cause many problems when overlaying.At the same time，to prevent causing cold cracks when overlaying Nickel-alloys on the low alloy heat resistance steel，It must be heat treated after overlaying to relief the stress，This can reduce the corrosion resistance property of the Nickel-alloys.So correctly chosen welding materials，strictly controlled welding heat input and reasonable welding procedure specifications are very important to the corrosion resistance property of the Nickel-alloys layer.The article gains a reasonable welding procedure and the matching welding materials are also determined on overlaying Nickel-alloy on the low alloy heat resistance steel side by experiments.

Nickel-alloys；WPS；welding materials；welding procedure specification

TG457.1

B

1001-2303(2011)12-0082-03

2011-11-04

逯来俊(1975—)，女，甘肃秦安人，工程师，主要从事压力容器的制造工作。