浅谈2205双相钢加氢高压空冷器的加工制造方法

赵明亮

摘 要：双相钢是将奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢结合后，形成的新材料，使得新材料具有耐腐蚀、高强度、塑韧性等优势，在石化、燃气等行业具有广泛应用。本文针对国内首台2205双相钢加氢空冷器的国产化研发过程进行了分析，针对该材料技术要求、关键指标、制造要点等进行了探讨，并针对2205双相钢加氢高压空冷设备的工艺运行提出了合理化建议，希望为国内空冷器相关机构提供一定的理论参考。

关键词：机械设计；自动化；设备；安全控制；安全评估

中图分类号：TE965 文献标志码：A

0 前言

近年来，国内加工含硫原油总量不断增加，导致高压空冷腐蚀问题逐渐加重。为了有效解决装置安全问题，国内空冷材料从碳钢逐渐转变为Incoloy825合金材料。为了进一步丰富空冷设备的加工原材料，从缩减成本、降低双相钢制造难度的角度出发，国内石化工程设计有限公司（SEI）、中石化洛阳工程公司及哈空调等联合研发，从大量研究数据、试验过程中进行分析后，初步完成了2205双相钢高压空冷国产化的基本要求。突破了一系列技术难点，并形成了完整可行的工艺方案。当下国产2205双相钢制造用的空冷设备已经成功投入运行，且运营状态较为稳定。

1 关于2205双相钢高压空冷设备制造技术要求

即使国际标准规范，如ASME、API等已经针对2205双相钢材料的性能要求、指标等做出了详细规定，但是结合国内2205材料在石化行业中的应用状况，仅采用国际通用标准无法满足实际需求。需要设计单位和制造厂家针对材料、制造、检验等提出全面合理的控制措施，这是维持空冷设备长期高效运行的必要措施。

1.1 硬度值控制

一般材料对2205材料的硬度要求为HRC29～HRC31，材料硬度过高可能会对材料焊接、材料轧制等产生负面作用。结合以往空冷设备中损伤零部件的后期检测结果分析可以看出，2205材料的硬度值应该高于HRC30。为此2205材料制备高压空冷器中，需要及时对硬度特性进行控制，如母材、焊接接头的硬度值均不得超过HRC25。

从硬度检测手段进行分析，当下较为常见的检测方法为Vickers、Rockwell两种形式，考虑到双相钢的特殊性，一般不建议HBW的应用。在进行维氏、洛氏硬度转换中不可简单参照ASTM E140中的规定，建议参考图1进行换算。

1.2 腐蚀试验

2205双相钢一般采用ASTM G48—2003的腐蚀标准，一般选用方法E进行处理。双相钢的应用中，内部流动介质一般包括硫化物、氯化物，为此需要加强材料的抗硫腐蚀、抗氯离腐蚀分析。抗硫应力腐蚀试验称为SCC，需要遵循GB/T415标准进行分析合格标准可遵循外加0.8Rm应力后的分析，一般需要采用720h不断裂试样分析。耐氯分析要遵守国内YB/T536，标准，该标准与ASTM G36—1994是一致的，其他特殊要求需要设计方、业主方、制造厂家等相互协商进行确定。

1.3 焊接工藝分析

首先，焊接方法。双相钢加工制造空冷器的过程中，必须正确选择焊接接头标准，并考虑保障焊接质量的措施，具体分析如下：第一、热影响区（HAZ）、焊缝金属中的铁素体比例，结合当下产品焊接工艺分析可以看出，铁素体含量的正常范围是35%～40%。该条件下，焊接接头具有较好的双相钢组织结构，可保证其耐冲击效果、硬度大小等满足实际生产制造的需求。第二、HAZ和焊缝金属中有害相分析，产生这一状况主要与加工过程的条件有关，如焊接热大小、高温累计时间等，为了避免有害相析出的影响，需要有针对性地进行焊接方法的选择。

1.4 含氧量对冲击性能的影响

焊接方法的种类、焊接接头中含氧量大小等会对焊接接头产生极为严重的影响，尤其是对冲击性能产生较大影响。试验证明，含氧量越低，焊缝中金属的冲击功越小。为此，焊接工艺处理中，必须考虑到气氛影响因素，提高对氧含量的有效控制。结合以往空冷器制造经验，一般气氛中氧含量需要低于1000mg/L。

1.5 焊接输入量、层间温度分析

双相钢如果在输入热量过高的前提下进行冷却，可能会有碳氮化物出现，此外，输入热量低的条件下，奥氏体组织无法跟铁素体相融合，容易在焊缝金属、热影响区出现过多铁素体。为此，必须有效控制双相钢焊接输入量的大小，针对2205双相钢，建议输入热量为0.5kJ/mm～2.5kJ/mm。焊接层间温度方面，一般要求不超过150℃。过低的层间温度容易引发材料性能发生偏差。实际产品进行焊接工艺分析评定中，一般不超过100℃。这一条件可较好的满足焊接需求，保障空冷设备的性能。

2 空冷设备制造要点

2.1 管箱、接头的焊接

2205双相钢材料的加工制造中，管箱、管接头焊接是主要难点问题。首先，需要确定管箱的焊接次序，避免管箱变形等引发的问题，这是降低变形缺陷的必要举措；其次，焊接方法、焊接工艺的控制。 管箱焊缝处理中，打底焊、内角焊等需要采用二氧化碳保护焊的处理模式，其他建议采用手工焊进行制备。各项工艺参数必须严格执行技术要求、工艺要求，尤其是层间温度的控制，一般低于100℃较好，可确保热影响区铁素体含量不超过40%。此外，实际空冷设备的加工制造中，必须加强焊接操作的处理，如尽量采用短弧焊、单道不摆动的处理方法。再者，必须加强焊枪、焊条的角度管理，提高电弧稳定性管理，这是维持焊缝、母材相容性的必要措施。加工制造环节中，尽量保证管箱相关焊缝的一次成型，避免后续修补维护的状况的发生。

2.2 管接头的焊接、胀接

一般状况下，2205双相钢材料进行空冷设备的制造中，管子、管板需要进行强度焊控制，尽量避免胀接加强度焊的处理方法。原因在于材料强度较大，传统胀接的方法可能无法达到较好的效果，且后续处理中胀接位置极易发生表面开裂的问题；此外，胀接必须进行特殊操作，空冷设备的处理中，强度焊可采用自动化氩气保护焊。必要时可采用增加贴涨的方法，从提高精度、操作合理性出发，最大膨胀度需要低于2%。

结语

近年来双相钢材料的研究和应用逐渐增多，新材料、新工艺的开发也越来越多，相关材料的应用领域越加广泛。尤其是近年来国内双相钢的生产和加工需求不断增多，带动了国内类似材料的发展并且已经初步达到国际先进水平。文章结合2205双相钢高压空冷设备制造过程、关键技术、设备运行、检验要求等方面进行了探讨，对双相钢领域的研发起到了一定参考作用。

参考文献

[1]余良俭.2205双相钢加氢高压空冷器的研制及关键制造技术[J].石油化工设备技术，2015，36（3）：1-4.

[2]滕敏，杨凤明，刘宏，等.高压空冷器用国产超厚双相钢钢板焊接工艺及焊接接头性能研究[J].石油化工设备技术，2018，39（1）：26.