内缩式316L换热管与管板焊接接头组织与性能
时间：2023-03-27 08:25:04 来源：千叶帆 本文已影响人
罗永智，武靖伟，李义民，王志刚，王有银，车文斌，厚喜荣，石慧君，龚 芳，王金霞
(1.兰州兰石重型装备股份有限公司，兰州 730314;2.甘肃省压力容器特种材料焊接重点实验室培育基地，兰州 730314)
管壳式换热器是石油、化工、核电领域中最常见的一种通用设备[1-4]，由于换热管与管板焊接接头长期承受加热、冷却以及介质的腐蚀，换热管与管板结构的质量直接影响着换热器的安全和稳定运行[5-6]，因此换热管与管板的连接是制造过程中的关键程序[7]。常见换热管与管板的焊接接头形式有3种，即管端伸出式、平齐式和内缩式接头结构[8]。内缩式结构与其他两种常见接头形式相比，其优点是对于根部熔合质量有改善，产品接头射线检测一次合格率较高，从而缩短了生产周期。对于立式换热器的上管板应用，可有效避免积液现象，而且焊缝位于管程侧，当壳程温度过低时，可利用管程较高温度对焊缝部位进行高温保护，换热管与管板接头可承受更大的拉脱力，故常用于高温高压、振动、交变载荷和应力腐蚀等服役条件比较苛刻的工况[9-10]，但不足之处是手工焊接操作难度大，对焊工的技能水平要求较高[11]，需熟练掌握送丝技巧和控制熔池形状及温度[12-13]。
某装置中间冷却器为卧式结构，设备及管箱结构如图1所示，管板与管箱筒体为一整体锻件，管箱内径为805 mm，长度为1 105 mm，厚度为207.5 mm，管孔数量共计1 012。由于管箱空间狭小，焊工只能蜷缩在管箱筒体中进行焊接，同时管孔坡口角度小(单边25°)，若选用焊接管头的氩弧焊丝直径较大(∅2.0 mm)，换热管与管板焊接时根部很难焊透，容易出现未熔合、未焊透等缺陷，因此如何保证换热管与管板的焊接质量成为该设备制造的关键。本文针对内缩式结构的板-管进行了大量的焊接试验，以获得最佳焊接工艺参数。
图1 中间冷却器简图
中间冷却器管板材料为SA-765 Gr.Ⅱ堆焊309MoL+316L型不锈钢材料，堆焊层总厚度12 mm；
换热管采用∅15.9 mm×3 mm的SA-213 TP316L型不锈钢材料，换热管长度为100 mm。换热管与管板焊接采用内缩式接头设计结构(见图2)，坡口深度3.5 mm，坡口角度为25°，图3示出管孔分布，相邻两换热管中心距为20 mm。
(a)管板-换热管结构
图3 管孔分布示意
2.1 试验设备
采用手工钨极氩弧焊(M-GTAW)进行焊接，焊接设备为型号ADP 400 的直流氩弧焊机，如图4所示。
(a)电源
2.2 试验材料
管板试件材料为SA-765 Gr.Ⅱ堆焊309MoL+316L，换热管试件材料SA-213 TP316L，规格为∅15.9 mm×3 mm，焊接所用的氩弧焊丝(直丝)为ER316L(∅1.0 mm)。堆焊层、换热管及焊丝的成分如表1所示。
表1 化学成分
2.3 试验过程
待管板试件堆焊完毕并完成焊后热处理(PWHT)后，按照图5 所示加工坡口。焊前采用钢丝刷清理换热管与管板坡口处及附近区域的杂质，并用无水乙醇擦拭换热管、管孔及坡口表面，然后再进行装配，采用M-GTAW进行点焊固定，并对管头进行标记，标记如图6所示。
(a)管板主视图
图6 管头编号示意
试件采用M-GTAW进行焊接，其中氩气纯度≥99.99%，焊接参数见表2。
表2 管板与换热管焊接工艺规范
3.1 内缩深度对比结果分析
如图5所示的换热管-管板结构中，管板侧焊接坡口仅25°，相邻换热管最小间距为20 mm，换热管内缩深度为2.5 mm，试验发现内缩深度为3.5 mm时形成的焊接接头比内缩深度2.5 mm的接头美观，分析认为当内缩深度为3.5 mm，保护气流量为25～30 mm/L时，可以有效地解决孔桥间距小和坡口角度小而导致根部无法焊透的问题，能够保证管接头的焊接质量[14-15]。
(a)首层填丝焊
3.2 改变打底焊工艺的对比试验分析
换热管与管板的打底焊接有自熔和填丝两种方式，分别采用两种焊接工艺进行对比试验，焊缝宏观图片如图7所示。
从图7可以看出,采用首层填丝进行的焊接的焊缝表面(见图7(a))存在未熔合现象，而采用首层自熔进行焊接的焊缝(见图7(b))熔合良好且焊缝饱满。经PT检测,两种工艺下的管头均未发现裂纹、气孔等表面缺陷，但首层填丝下的接头经剖切后发现未熔合缺陷。分析原因为管孔坡口角度较小(25°)，首层填丝时焊丝不能伸至管头根部，通过自熔后管板坡口会随热输入的增加而增大，焊丝也将伸至管头根部。焊缝根部未焊透是换热管与管板接头形式不允许出现的缺陷，它会造成应力集中，最终在拉伸载荷的作用下，将会成为裂纹的源头，从而降低设备换热性能。
3.3 无损检测结果分析
对第1层自熔+3层填丝焊后的管板与换热管接头分别编号，宏观形貌如图8所示，再按NB/T 47013.5—2015进行100%PT检测，焊缝表面未发现任何缺陷；
其后采用X射线探伤仪对焊缝按NB/T 47013.2—2015进行100%RT检测，10个焊接接头焊缝均未发现裂纹及未熔合缺陷，射线底片如图9所示。
图8 焊接接头截面形貌
3.4 宏观形貌分析
采用线切割机沿划线部位(见图8)横向切割(按NB/T 47014标准附加试验规定，缺少纵向切割对比过程，建议补充)，部分宏观剖切图如图10所示，可以看出管头剖切面未有现明显缺陷及裂纹，同时对剖切面进行剖光、腐蚀，观察并采用角焊缝测量仪测量所有管头角焊缝厚度，测量结果如图11所示。
图9 管头射线底片
图10 管头宏观剖切面
图11 试样角焊缝尺寸
从图11可以看出所有接头的角焊缝厚度均大于0.9t(t为换热管的名义厚度，t=3 mm)，满足NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》的要求。
3.5 微观组织分析
采用Olympus DX510显微镜对9#管-板焊接接头剖切面进行金相分析，金相图像如图12所示，可以看出，焊缝与母材熔合良好，热影响区晶粒较大，而焊缝区域晶粒细小，管板母材和换热管母材均为奥氏体组织，分析原因为热影响区与焊缝区均有少量的铁素体析出。
图12 管-板焊接接头显微组织
3.6 微观硬度分析
使用维氏硬度仪分别对8#,9#,10#换热管与管板焊接接头和母材显微硬度进行测量，每个区域取3个点求平均值，显微硬度分布曲线如图13所示。可以看出，换热管母材硬度最低，焊缝部位硬度最高，热影响区硬度介于二者之间，在数值上各个区域的硬度变化相差较大;焊缝区域的显微硬度稍高于其他区域，分析原因为少量铁素体的析出导致晶界强化，从而减少了有害杂质的偏析。
3.7 应用情况
通过上述试验，将换热管与管板的结构优化成内缩式结构，换热管内缩3.5 mm且管板上的换热管端进行3.5 mm×25°内倒角的接头形式，并分区域焊接，中间冷却器管板与换热管焊接图样如图14所示，共1 012个管头，管板与换热管焊接接头一次性通过了外观检查、氦检漏试验、渗透检测、射线检测以及水压试验的图纸技术条件要求的各项检测。
图14 产品管头图样
(1) 采用第1层自熔+3层填丝焊接，内缩深度为3.5 mm进行焊接时，可有效解决根部未焊透现象，所获得的焊缝均匀美观，焊缝饱满。
(2)经过RT检测及断面宏观检测均未发现明显缺陷及裂纹，同时测量出了最小角焊缝厚度，所有接头的角焊缝厚度均大于要求值2.7 mm，满足要求图纸技术及相关标准要求。
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