氨冷却器在线引流及漏管封堵措施综述

李德军

摘 要：针对氨冷器的列管泄漏实施了在线引流，将SUS304不锈钢管焊接在20碳钢泄漏管上，漏管管头全部引至管箱外侧，维持了化工氨系统设备的安全稳定运行，文章对上述两种管材的现场焊接进行了详细研究，对异种钢管现场施焊具有一定指导意义。

关键词：引流；氨气；焊接

中图分类号：TG44 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）31-0068-02

1 概述

合成氨设备09E005是冷冻回路的段间冷却器，壳程介质为0.8Mbar的气氨，管程介质为0.4Mbar的循环水，主要作用是降低冰机功耗和提高机组负荷。2013年2月17日，循环水回水出口氨含量取样分析为1.2%，判断管束堵塞和管子严重内漏。换热器氨气入口68℃，出口温度65℃（设计值为40℃），气氨温度几乎没有温差。这种情况造成了冰机负荷增加、使用二次循环水铜管冷却器07E001会腐蚀、循环水系统受到污染。

氨的物理性质：通常为无色有强烈刺激性气味，常温下加压可液化，临界温度132.9℃，临界压力11.38MPa，常压下冷却到-33.35℃时液化。液氨挥发性很强，气化时吸热很大，在-77.75℃时凝固成无色结晶。氨极易溶于水，并放出热量。氨的水溶液称为氨水，呈弱碱性，易挥发。自燃点630℃，在空气中遇火能爆炸。常温、常压下在空气中的爆炸极限为16%～28%（体积）。氨气是高度水溶性无色、碱性的刺激性气体，强烈刺激眼睛和黏膜。

2 堵漏方案

09E005换热器的列管材质为：20钢，列管尺寸：？渍19×2.7mm。由于是在线带压堵漏，壳程气氨无法切除，气态氨易燃易爆且漏量较大，应尽量避免在管箱内部狭小范围内进行动火。需要在泄漏的换热管内部，插入？渍14×3mmSUS304不锈钢管，把不锈钢管焊接在3/4"×2.7mm的碳钢管上，将全部漏管汇集于此，再将总管钢（3/4"×2.7mm的碳钢管）管头全部引至管箱外侧，进行堵漏。

3 引流的措施

将09E005在线交出循环水，清洗管束；配戴正压空气呼吸器和橡胶手套，使用？渍10的不钢管作为导管，对换热管进行查漏和确定泄漏位置；将？渍13×3M的不钢管两头焊死后置于泄漏的5根管子当中，这样可以减少气氨的泄漏量。为了避开在换热器内部动火，采用在换热器壳体的循环水管线上水侧开一个？渍35的孔，回水侧开一个？渍22的孔，作为引流总管引至设备外部，回收至氨受槽。对于需要引流的管子，使用活接头，便于安装；对于分体的引流管端部使用弹簧顶住盲法兰封头，以防止氨气压力高把堵漏管憋开，产生泄漏。

4 焊接工艺

20钢主要含有珠光体和铁素体，SUS304主要含有奥氏体成分。这两种材质在焊接过程中要考虑材质的物理、化学性能的不良影响，而且要考虑两种材质成分组织不同对接头性能的影响。特别要考虑两种材质的焊接性能，像20钢珠光体钢存在冷裂纹、脆化等；304中奥氏体钢存在热裂纹等。

4.1 焊接性能分析

在物理性能方面20碳钢与304不锈钢母材，热导率、线膨胀系数等差异较大，焊接后想获得较好的接头，就必须从母材的基本焊接性能进行分析，从而选择正确焊接方法、焊条和焊接工艺。

从物理性能分析，304的线膨胀系数大，20碳钢的冷却收缩量少，焊缝的拉应力大为减小，使焊缝与母材存在压应力，在设备高温下长时间运行中，焊缝区将的持续蠕变，造成焊缝的破坏大大提前。可以选用与20碳钢相近膨胀系数的奥氏体焊缝成分，以改变整个焊缝隙的性能。

20碳钢与304焊接过程形成的焊缝，其成分由两种母材和填充金属混合成分。如果焊缝中20碳钢溶入焊缝金属的份额增大，就会冲稀释焊缝中合金元素浓度，焊缝出现冷裂纹、脆化等倾向增大。故此，为减少接头焊缝裂纹和脆化，要求20碳钢在焊缝金属中所占质量比越小越好，并要求熔合比稳定，采用由焊接材料来控制焊缝金属的成分和组织，从而获得理想奥氏体和铁素体双相组织成分，避免引起脆化的马氏体组织的出现。液态的金属焊缝熔池边缘维持时间及短，温度也较熔池内部低很多，流动性较差，最容易结晶形成固态。在该双金属熔池中，20碳钢侧溶池一侧，母材金属和填充金属不能充分熔化混合，焊缝金属中20钢成分所占份额增大，形成一个过渡层，其金属成分梯度变化较大，在过渡层表面形成一层马氏体组织，其为硬度很高的脆性层，使熔合区冷却時遭到破坏，降低焊缝成型的可靠性度，故此必须选择合适的焊接工艺，延长焊缝熔池边缘高温时间，采用镍基焊接材料，以减小过度层的宽度。同时，在20钢一侧的金属熔合过程，焊缝中304的奥氏体组织的过饱和氢元素不能直接向空中扩散，而只能向20钢扩散，造成20碳钢中的氢元素高度聚集，极易出现延迟裂纹。

上述焊接接头，在设备高温长时间服役时，焊缝熔合区发生碳由碳钢去向不锈钢焊缝隙区的扩散，在碳钢一侧碳元素含量低，产生脱碳层，同时，在不锈钢一侧产生增碳层。这种扩散会使焊缝中的珠光体由于碳含量降低而转变为铁素体组织，从而导致区域软化，焊缝抗蠕变性能大幅度降低，导致焊缝出现裂纹，接头最终断裂。

根据这两类钢的特性，可以采用现场常用的非熔化极钨极氲弧焊、熔化极气体保护焊和焊条电弧焊等方法，但综合考虑到金属熔合比对焊缝质量的影响，以及工作效率和现场特殊的焊接环境，根据焊接管子的直径大小，来选择所用焊接方法：对直径较小管材，可以优先选用非熔化极钨极氩弧焊，直径较大管材可以优先选择非熔化极钨极氩弧焊先打底，后再用熔化极气体保护焊盖面的焊接方法。

4.2 焊接工艺

4.2.1 焊丝选用

根据上述对这两种钢的焊接性能分析，主要从改变焊缝的应力大小、调整焊缝熔合区的组织成分、减少高温下熔合区焊缝元素中碳的扩散、提高焊缝熔池边缘温度等方面考虑。综合本次检修的列管管径，保证焊缝在带压氨介质中使用良好，故采用先非熔化极钨极氩弧焊先打底，后再用熔化极气体保护焊盖面的焊接方法。在非熔化极钨极弧焊时，选用ER309L焊丝，在熔化极气体保护焊时，选择E309LT-3的带药芯氩焊丝。endprint

4.2.2 焊接坡口选择

综合考虑母材及焊接材料的熔合性能，需焊接管口以及现场的实际情况，为获得可靠的焊缝性能，我们选择了V型坡口，坡口间留有间隙，间隙保证在1.5-2.5mm之间，坡口角度保证60±5°。

4.2.3 焊接参数选择

上述两种异种钢的焊接时，主要考虑降低20钢在焊缝金属的熔合比，同时兼顾焊缝接头质量，焊接操作过程应选用较小的电流，采用快速的焊接方法，运用多层多次焊接，从而达到降低热源在焊缝熔池边缘的停留滞留时间，避免碳元素的大量迁移，提高焊缝的高温稳定性能。选用ER309L，Φ2.5焊丝进行打底焊接，直流正接，电流60±5A，电压U=20±2V，焊速为75mm/min；盖面焊缝采用E309LT-3的带药芯氩焊丝，电流为（60-70）A，电压U=（24-26）V，焊速为（50-70）mm/min焊接規范进行焊接。本次采用电流60A左右。在盖面焊时，采用多层多道焊时，采用小参数，层间温度控制在200℃～250℃之间，直至焊接结束。

4.2.4 焊缝检验

在焊接完成后，必须对焊缝外观检查，杜绝出现咬边、焊瘤、气孔等缺陷；要求24小时后对焊缝进行着色探伤，杜绝出现裂纹等缺陷；焊缝内部进行射线探伤必须符合相应标准质量的规定。

5 实施效果

完成后，09MT01透平蒸汽耗气量由每小时130T下降125T，效果明显。氨气进出口温度由3度提升到34度，基本能满足工艺生产的需要。说明此方案取得了成功，焊接质量得到了肯定。

6 结束语

我公司在化工检修过程中，20钢与304异种钢管对接焊应用非常广泛，检修的设备管线运行良好使用至今，进一步验证了异种钢管只要采用适当的焊接方法、选择恰当的工艺和相应的焊接材料，是完全可以获得良好机械性能和使用性能效果良好的焊缝。

参考文献：

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