大型低合金耐热钢12Cr2Mo1高压水加热器的制造

李淑花 颜立虎

摘 要：对大型低合金耐热钢12Cr2Mo1设备制造过程的描述。

关键词：12Cr2Mo1材料；焊接；制造；检验

阳煤正元集团于2013年在沧州化工基地新建一化工厂，占地1300多亩，第一期年产60万吨合成氨、80万吨尿素，简称60-80项目，高压水加热器是此项目氨合成塔系统中的重要设备之一。属Ⅲ类高温、高压设备，管程材料为12Cr2Mo1、14Cr1Mo，属于低合金耐热钢，此种材料存在淬硬、再热裂纹及回火脆性倾向，在正元塔器第一次使用，因此从原材料的采购到设备的制造等各个环节都特别重视，严格按照设计标准和技术协议执行，而且考虑到该设备材料的特殊性，对制造工艺，焊接、无损检测、热处理、机加工精度等做了全面的论证分析，作出了切实可行的制造工艺，从网上查阅大量有关低合金耐热钢焊接资料，并针对此台设备厚度及本厂现有设备，制订了产生应力小的小角度，窄焊缝的焊接工艺、因锻件及封头材料厚度大，射线机照不透，外协γ源，一是片子不清晰，二是外协费用高。考虑到目前我国探伤行业的发展，经与设计方协商，果断采取了TOFD超声检测先进技术。

1 设备简介

高压水加热器为卧式结构的高温、高压U型管式换热器，管束级别为高级冷拔，设备直径？准1800mm，总长度19190mm，总重210860㎏。高压水加热器的设计参数如表1所示。

2 材料的选择

此设备管程介质合成气的主要成分为H2和CO，具有氢腐蚀性，因此，选择了抗氢腐蚀性好的珠光体耐热钢12Cr2Mo1作为管箱和换热管的材料，该设备主要受压元件材料见表2。

考虑到该设备的重要性，换热管采用有质量保障的安徽天大无缝钢管，经正火加回火处理，依据技术协议订货时对其化学成分进行严格控制。

为了防止12Cr2Mo1材料和焊缝金属出现回火脆性，要求12Cr2Mo1材料和焊材化学成分配比均应符合J系数=（Si+Mn）×（P+Sn） ×104≤100和X系数=（10P+5Sb+4Sn+As）×10-2≤15PPM的要求，因此从原材料上就要求供应商控制P、Sb、Sn、As的含量，并进行到厂后复验。

因管程的工作温度高，为了防止管程主材长期在高温下工作导致材料出现性能改变，因此要模拟进行设计温度下的高温拉伸试验，其值符合技术协议要求。为了检验12Cr2Mo1Ⅳ回火脆性，对管程筒体和筒体端部做步冷试验来进行验证。

3 焊接

高压水加热器壳程共计为6节锻件，材质为16MnⅣ，因本单位现有工艺评定已能覆盖16MnⅣ之间的焊接，所以无需进行焊接工艺试验及评定。而管程的材料为12Cr2Mo1，该材料我公司首次使用，因此必须进行焊接工艺试验和评定。

依照NB/T47014、NB/T47015标准，参照《焊接手册》的资料，我单位制定了相应的焊接工艺试验方案，经多次试验，最终确定了焊接工艺参数，在此焊接工艺参数基础上确定焊接工艺评定，依据焊接工艺评定编制本产品焊接工艺规程。焊接工艺试验及焊接工艺评定项目如表3所示。

表3 高压水加热器焊接工艺评定项目

同时对主要焊工进行培训和考试，让焊工熟悉该材料的焊接工艺参数，掌握操作技能，以确保产品的焊接质量。

4 壳程的制造

壳程厚度为150mm，有泰安市山口锻压有限公司锻制，到厂复验合格后根据焊接工艺规程按窄间隙焊缝单侧2度开坡口。因管板12Cr2Mo1Ⅳ与壳体16MnⅣ焊接属于异种钢焊接，异种钢接头两侧母材不论化学成分还是力学性能都存在着较大差异，因此焊接时要比同种钢之间焊接复杂，且接头熔合区组织性能不稳定，后热处理12Cr2Mo1Ⅳ与16MnⅣ温度和保温时间不同，焊接时一旦出现返修，12Cr2Mo1Ⅳ材质易出现裂纹，为了降低此类情况发生，将管板的对接处堆焊J507RH 10mm，堆焊完后粗車，进行超声检测，符合JB/T4730-2005 I级合格。超声合格后按窄间隙焊缝单侧2度车坡口，对坡口进行磁粉检测，按JB/T4730-2005 I级合格。焊前预热，预热温度不低于200℃，单侧预热宽度不低于300mm，壳体外面埋弧自动焊，背面清根打磨，使坡口处呈现金属色，壳体内部自动焊盖面。焊接过程中保证层间温度，焊接完毕后立即进行局部消氢处理，温度300～350℃，保温时间1～2小时后缓慢冷却。所有环缝焊接完毕后，先进行磁粉检测，无表面缺陷后，进行100%TOFD超声检测，符合NB/T4703-2010中Ⅱ合格，因TOFD检测有10mm的盲区，所以TOFD超声检测过的表面用双晶探头超声检测，无超标缺陷为合格。球形封头与筒节的窄间隙坡口焊接方法同前，因此焊缝是壳程部分最后一道焊缝，由于筒节较长窄间隙自动焊的焊臂够不到，所以筒体内部清根后手工焊盖面。因球形封头厚度120mm，壳程筒体厚度150mm，为了减小厚度差产生的应力将封头侧堆焊3*（150-120）mm长过渡。为了确保换热管下料尺寸精确，应做好6节壳程筒体及管板环焊缝收缩量的记录。

5 管程的制造

5.1 管箱的组对

管箱在组对时，由于材料有再热裂纹倾向，因此不允许在坡口内进行点焊，必须采用筋板组对，用CM-A106N焊条先将筋板焊接在母材上，筋板应采用与母材材料相同的12Cr2Mo1，焊前将待焊区域预热至200℃以上，在主体焊缝自动焊焊完一半后，去掉筋板，继续焊接。去掉筋板后，打磨干净焊疤，作磁粉探伤，如有裂纹缺陷，将其进行补焊直至检验合格。

5.2 管箱筒体与筒体端部的焊接

将管箱与筒体端部组对好，选用的焊接材料见表3。焊前将其预热至200℃以上，在焊接过程中，层间温度不低于250℃，焊后进行消氢处理，当管箱接管焊接完成后，管箱整体消应热处理。

5.3 管板的加工

由于管板厚度为585mm，必须用深孔钻钻，我单位不具备深孔钻，因此外协给无锡宏达加工，我方派检验人员现场检验。严格检验各孔加工尺寸，并对超过偏差的尺寸做好标记和记录。管板坡口回厂加工。

5.4 a管管口焊接

a管为12Cr2Mo1Ⅳ锻件，密封环为InconeL600材质，为了减小不同材质焊接造成的力学性能等的影响及增强不同材质之间的焊接性能将a管管口堆焊10mm厚的Eni6182？准4.0焊层，堆焊完后做消氢热处理，热处理后粗车堆焊层做超声检测，堆焊层合格后精车，同时按窄间隙单侧2度车坡口，坡口处做渗透检测，因a管直径大与管箱焊接的融合量大，导致变形大，所以坡口检验合格后接管先与管箱焊接，管箱上所有接管焊接完毕后，整个管箱做消应热处理，热处理完成后a口接管与密封环焊接，因为12Cr2Mo1Ⅳ材质焊接有热裂倾向，假如密封环直接与a管焊接需作焊后热处理，焊堆焊层后再与密封环焊接不用作焊后局部热处理，只随设备做整体热处理即可。此工艺的优点避免局部热处理不当带来的一系列问题。

5.5 胀管

为了保证该设备胀管的质量，制作3个模拟胀管试样，详细记录模拟胀管过程数据，将试样剖开，取胀管质量最好，以此数据胀接该设备换热管。

胀管采用液压胀管，严格按照模拟胀管试样数据执行，不得出现漏胀等现象。

5.6 设备的消应热处理

消应热处理对低合金耐热钢是非常重要的，热处理的温度为700±20℃，保温6小时。热处理完成后，对焊缝、热影响区、母材分别测试其硬度值，硬度值均应在合格范围内，本设备热处理后所有焊接接头应再次进行100%磁粉检测，符合JB/T4730-2005规定中的I级合格。

6 检验

壳程和管程所有的AB类焊缝焊接完成后均进行100%TOFD检测，按NB/T4703-2010中Ⅱ合格；小于250的接管对接焊缝100%磁粉探伤，按JB/T4730-2005 I级合格，换热管与管板D类焊缝进行100%磁粉检测。

设备试压分两步进行，第一步壳程进行30.3MPa水压试验，试验合格后，组装管箱，完毕后，对管程进行27MPa水压试验。

水压试验合格后，所有受压焊缝作100%磁粉检测。

12Cr2Mo1所有经火焰切割后的坡口均进行100%磁粉探伤，按JB/T4730-2005I级合格。

7 结束语

7.1 材料的订货技术条件和验收复验

原材料的质量是压力容器制造能否成功的关键，因此必须引起各方面重视，严格按照图纸及技术协议的要求订货，并进行入厂检验，不合格的材料不得流到下一工序。

7.2 制造方案论证及技术交底

由于材料的特殊性和设备的重要性，在设备制作前应编制总体制作方案，并通知各层技术人员及采购人员。

7.3 质量检验控制

（1）編制高压水加热器质量检验计划和质量控制流程图，确定其制造的停止点、控制点和见证点，并做好相关记录。（2）严格控制钢板及锻件坡口的加工，按图纸和工艺要求进行。（3）焊接是压力容器制造过程中的1个重要控制环节，焊接工艺评定是重中之重，焊接责任师应跟踪产品的焊接情况。（4）热处理工艺必须在试验合格后才能用在产品上。（5）检验必须严格按照图纸和工艺的要求进行，严格按照标准执行。

作者简介：李淑花：1993年毕业于河北农业大学，工程师。

颜立虎：2002年毕业于张家口职业技术学院。