耐熱合金鋼管子-管板仰焊工藝研究及應(yīng)用

鄭明濤

(哈電集團(tuán)(秦皇島)重型裝備有限公司，河北秦皇島 066200)

0 引言

SA-213 T22(2.25Cr-1Mo)換熱管和SA-182 Grade F22 Class 1鍛件均屬于耐熱合金Cr-Mo鋼種，具備較高熱強(qiáng)性和耐持久能力[1]。Cr-Mo鋼在石油化工高溫高壓設(shè)備中具有較為廣泛的用途。部分熱交換器、廢熱爐等管殼式承壓設(shè)備也選用Cr-Mo鋼換熱管及管板作為換熱介質(zhì)的承壓邊界，這類(lèi)設(shè)備的管子與管板焊縫是設(shè)備制造的關(guān)鍵承壓焊縫[2-3]。

為某電廠制造的立式換熱蒸汽發(fā)生器，由于內(nèi)部換熱構(gòu)件長(zhǎng)期在超過(guò)550 ℃的環(huán)境中運(yùn)行，因此產(chǎn)品入口給水管板選用耐高溫低合金Cr-Mo 鋼SA-182 Grade F22 Class 1鍛件，換熱管選用尺寸為?19 mm×3 mm的耐高溫低合金Cr-Mo 鋼SA-213 T22材料。

依據(jù)耐熱合金鋼材料的焊接特點(diǎn)，該類(lèi)材料在焊接過(guò)程中需要經(jīng)歷較高溫度的預(yù)熱、后熱和焊后熱處理等工序；同時(shí)該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，只能采用立式裝焊結(jié)構(gòu)，不同于以往的換熱類(lèi)設(shè)備的焊接操作方式，管子-管板焊縫只能在仰焊位置實(shí)施焊接。因此，通過(guò)對(duì)耐熱合金管子-管板仰焊焊接工藝的研究，確定可靠的工藝參數(shù)和控制措施，確保產(chǎn)品的焊縫質(zhì)量。

1 焊接工藝選擇

耐熱合金鋼SA-213 T22換熱管規(guī)格為?19 mm×3 mm，屬于厚壁小直徑換熱管，管板孔名義孔橋尺寸為8 mm。管子-管板焊縫在高溫高壓下運(yùn)行，優(yōu)先采用焊接加脹接的雙重工藝，即強(qiáng)度脹和密封焊的接頭形式[4]。考慮到該立式換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)原理和運(yùn)行環(huán)境，尤其是管子-管板焊縫最小泄漏通道不小于2 mm的檢驗(yàn)要求，工藝研究的管子-管板的接頭設(shè)計(jì)為管板開(kāi)坡口、換熱管不開(kāi)坡口的內(nèi)縮式焊接坡口形式，其中內(nèi)縮深度t為2～2.5 mm，管板側(cè)管孔坡口角度θ為45°±0.5°，如圖1所示。

圖1 管子-管板內(nèi)縮式焊接坡口示意

為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，采用多層多道的填絲焊接工藝。其中，填充焊絲選用化學(xué)成分及力學(xué)性能與SA-182 Grade F22 Class 1鍛件和SA-213 T22換熱管相同等級(jí)的ER90S-B3低合金鋼焊絲。

考慮到產(chǎn)品管板的特殊的立式組裝結(jié)構(gòu)，管子-管板焊接在仰焊位置實(shí)施，焊接工藝優(yōu)先選用線(xiàn)能量小、熱輸入集中的自動(dòng)鎢極脈沖氬弧焊方法。

2 材料及工藝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用?19 mm×3 mm的SA-213 T22換熱直管和厚度δ=50 mm的SA-182 Grade F22 Class 1鍛件。焊接材料選用ER90S-B3焊絲(?0.8 mm)。

換熱管、鍛件及焊接材料的化學(xué)成分分析結(jié)果分別如表1～3所示。

表1 SA-213 T22換熱管的化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)值

表2 SA-182 Grade F22 Class 1鍛件的化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)值

表3 ER90S-B3(HS10Cr2MoG) 焊絲的化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)值

采用深孔加工設(shè)備，對(duì)厚度為50 mm的SA-182 Grade F22 Class 1鍛件進(jìn)行深孔加工，加工后管板孔橋尺寸為7.85～8 mm；將SA-213 T22換熱管直段，截取成每段長(zhǎng)約100 mm的短管，去除換熱管短管端部及管端內(nèi)外表面的氧化層，露出金屬光澤。裝配換熱管與管板，切除管端余量，對(duì)焊接接頭位置進(jìn)行定位固定，加工如圖1所示的管端內(nèi)縮式焊接坡口，按照ASME Ⅸ卷的相關(guān)要求進(jìn)行管子-管板焊接試驗(yàn)。

2.2 焊接工藝研究

耐熱Cr-Mo合金鋼管子-管板仰焊選用自動(dòng)鎢極氬弧焊工藝，采用自動(dòng)脈沖管子-管板自動(dòng)氬弧焊接設(shè)備PS406焊接電源和TS2000焊接機(jī)頭。

如圖2所示，將焊接試件裝配在固定操作架上，使換熱短管軸線(xiàn)垂直于水平面，焊接位置處于仰焊位置。

圖2 自動(dòng)鎢極氬弧焊管子-管板仰焊示意

不同于以往的管子-管板焊接位置，仰焊位置的自動(dòng)鎢極氬弧焊工藝，焊接熔池受到重力的作用存在向下墜落的趨勢(shì)，不易選擇使熔池流動(dòng)性更好的保護(hù)氣體。焊接試驗(yàn)使用高純氬氣(Ar≥99.997%)。

對(duì)于仰焊自動(dòng)鎢極氬弧焊，除了保護(hù)氣體對(duì)焊縫成形的影響以外，其他工藝參數(shù)對(duì)于焊縫的成形和根部熔合質(zhì)量也有很大的影響。對(duì)于如脈沖焊接電流及時(shí)間、基值焊接電流及時(shí)間、焊接速度、送絲速度等主要的焊接工藝參數(shù)，需要針對(duì)材料的特性進(jìn)行優(yōu)化選擇和合理匹配，否則易造成焊縫凹陷、咬邊、夾渣、最小泄漏通道(焊喉)尺寸不足、根部未熔透等缺陷。

在焊接過(guò)程中，基值焊接電流和基值時(shí)間的合理匹配起到了維持電弧穩(wěn)定燃燒的作用，與脈沖焊接電流相配合，有效地控制焊縫的成形，確保焊縫熔池緩慢冷卻，從而易于熔池中的氣孔溢出；脈沖焊接電流的大小和脈沖時(shí)間對(duì)焊縫的成型尺寸，尤其是管子-管板焊縫的根部熔深起到了主導(dǎo)作用[5-6]。為了得到滿(mǎn)足產(chǎn)品焊縫最小泄漏通道的最低要求(最小泄漏通道≥2 mm)，得到質(zhì)量良好的管子-管板焊縫，優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)如表4所示，管子-管板焊縫如圖3所示。仰焊位置焊接時(shí)，由于焊縫熔覆過(guò)程中熔池流動(dòng)趨勢(shì)一致的特點(diǎn)，焊接工藝參數(shù)可不采用分區(qū)設(shè)置。

表4 管子-管板仰焊自動(dòng)鎢極氬弧焊工藝參數(shù)

圖3 管子-管板焊縫示意

管子-管板焊縫焊接結(jié)束后，需要對(duì)換熱管內(nèi)壁進(jìn)行液壓脹接和單根管氦檢漏試驗(yàn)，因此對(duì)焊縫成形的內(nèi)外徑尺寸的要求較為苛刻。工藝研究發(fā)現(xiàn)，除了與母材匹配的焊接材料、合理的焊接參數(shù)外，選擇合理的焊炬(鎢極)角度、焊炬(鎢極)旋轉(zhuǎn)直徑、鎢極定位的穩(wěn)定可靠性、鎢極與管板、管壁及焊絲的幾何尺寸等也很重要。

對(duì)于換熱管壁厚度為3 mm的內(nèi)縮式(45°×2 mm)管子-管板坡口，選擇如圖4所示的角度為-5°的焊炬，可使鎢極對(duì)準(zhǔn)管子-管板的交界處，焊接時(shí)形成的熔池更好地保證了焊縫根部熔透；焊接時(shí)鎢極的對(duì)中稍偏向管板側(cè)，可以避免電弧直接作用于換熱管的管端內(nèi)沿，減少熔池凝固時(shí)焊縫金屬流向換熱管內(nèi)壁而造成液壓脹管器無(wú)法進(jìn)入管孔、影響后續(xù)的脹管工序的情況。

圖4 管子-管板焊接用焊炬(角度-5°)

鎢極旋轉(zhuǎn)直徑對(duì)焊縫成形影響與焊炬角度類(lèi)似，旋轉(zhuǎn)直徑小，管板側(cè)坡口邊緣易熔合不良，焊后管端焊縫內(nèi)徑較小，影響后期脹管工作；旋轉(zhuǎn)直徑過(guò)大，引起換熱管內(nèi)側(cè)熔合不良，焊縫外徑過(guò)大，減小焊縫剩余孔橋，制約氦檢漏檢查。經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，鎢極旋轉(zhuǎn)直徑為18.5～18.7 mm時(shí)，管子-管板焊縫成形良好，滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造要求。

2.3 管子-管板焊縫無(wú)損檢測(cè)

管子-管板焊接結(jié)束后，對(duì)焊縫及焊縫四周進(jìn)行了目視檢測(cè)、液體滲透檢測(cè)和射線(xiàn)透照檢測(cè)。

目視檢測(cè)按照ASME Ⅴ卷第9章和ASME Ⅲ卷的要求進(jìn)行。目視檢測(cè)結(jié)果：焊縫整周成形均勻良好，顏色呈銀白或金黃色；焊縫及熱影響區(qū)域無(wú)裂紋、咬邊、氣孔等缺陷。液體滲透檢測(cè)按照ASME Ⅴ卷第6章和ASME Ⅲ卷的要求進(jìn)行，其結(jié)果符合ASME Ⅸ卷QW-195.2中的相關(guān)合格標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)超標(biāo)的線(xiàn)性顯示和圓形顯示。射線(xiàn)透照檢測(cè)按照ASME Ⅴ卷第2章和ASME Ⅲ卷的要求進(jìn)行，檢測(cè)結(jié)果：焊縫及熱影響區(qū)無(wú)裂紋、氣孔等缺陷。

2.4 焊接試件的熱處理

根據(jù)耐熱合金Cr-Mo鋼的材料特性，焊接結(jié)束后，焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)極易產(chǎn)生淬硬組織，焊縫易產(chǎn)生冷裂紋等焊接缺陷，因此在焊接工藝過(guò)程中，需要對(duì)預(yù)熱溫度、道間溫度和焊后熱處理等進(jìn)行嚴(yán)格控制。

管子-管板仰焊工藝試驗(yàn)時(shí)，預(yù)熱溫度控制在180～200 ℃，道間溫度控制在180～250 ℃，焊接中斷及結(jié)束不能立即進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，采用后熱處理，后熱溫度250～300 ℃，保溫時(shí)間不小于1 h。

按照ASME規(guī)范的相關(guān)材料分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，SA-213 T22換熱管和SA-182 Grade F22 Class 1鍛件均屬于P-No.5A類(lèi)材料。按照ASME BPVC-Ⅲ 第一冊(cè)NB分卷相關(guān)要求，管子-管板焊縫焊接結(jié)束后進(jìn)行了局部消應(yīng)力熱處理，熱處理工藝曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 SA-182 Grade F22 Class 1鍛件與SA-213 T22換熱管管子-管板焊縫局部熱處理工藝曲線(xiàn)

考慮到管子-管板焊縫待焊位置的清潔度控制，為了避免火焰加熱造成碳化物等雜質(zhì)，降低耐熱合金Cr-Mo鋼管子-管板焊縫根部產(chǎn)生缺陷的幾率，采用在管子-管板焊縫側(cè)鋪設(shè)紅外感應(yīng)加熱裝置及保溫氈的工藝方式進(jìn)行焊縫的預(yù)熱、后熱和局部消應(yīng)力熱處理，如圖6所示。

圖6 管子-管板焊縫預(yù)熱、后熱及焊后熱處理現(xiàn)場(chǎng)

3 結(jié)果分析

管子-管板焊縫宏觀金相檢驗(yàn)照片如圖7所示，采用OLYMPUS-GX71萬(wàn)能金相顯微鏡(放大10倍)對(duì)焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行宏觀檢查，結(jié)果顯示焊縫和熱影響區(qū)無(wú)裂紋、無(wú)氣孔。

圖7 管子-管板焊縫宏觀金相檢驗(yàn)照片

通過(guò)金相檢測(cè)，對(duì)管子-管板焊縫最小泄漏通道(焊喉)尺寸進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果在2.2～3.2 mm之間，以2.6～2.8 mm居多，均滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求(≥2 mm)。

4 管子-管板焊縫質(zhì)量影響因素

在產(chǎn)品制造和工藝應(yīng)用階段，管子-管板焊縫質(zhì)量除了受焊接工藝自身的影響以外，還受到其他因素的影響，如定位脹接參數(shù)的合理性、焊接區(qū)域的清潔度控制、焊接坡口加工尺寸精度等。

管子-管板焊接前，采用機(jī)械脹接方式對(duì)換熱管與管板管孔進(jìn)行貼合定位，脹接參數(shù)將直接影響到焊縫根部質(zhì)量。定位脹接參數(shù)應(yīng)適宜，參數(shù)過(guò)小會(huì)引起焊縫根部出現(xiàn)裂紋或氣孔等焊接缺陷[7]；參數(shù)過(guò)大會(huì)造成管壁減薄量過(guò)大，影響根部焊道的尺寸，造成焊縫最小泄漏通道不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

焊接過(guò)程中的清潔控制是減少焊接缺陷的必要手段。管子-管板焊縫的脹接及焊接前，要求對(duì)管板孔內(nèi)壁、換熱管內(nèi)外壁及焊接坡口周邊進(jìn)行清理，保證無(wú)銹、油、氧化物等雜質(zhì)，避免管子-管板焊縫根部和填充焊縫中出現(xiàn)裂紋或氣孔等缺陷(如圖8所示)。

圖8 清理不徹底造成的氣孔缺陷

管子-管板焊接坡口加工采用便攜式管端坡口加工設(shè)備。管端焊接坡口的加工質(zhì)量同樣影響焊縫成形和焊縫內(nèi)在質(zhì)量，常見(jiàn)的焊接缺陷有坡口邊緣無(wú)法完全熔合，出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象(見(jiàn)圖9)，無(wú)法滿(mǎn)足焊縫最小泄漏通道的設(shè)計(jì)要求，根部焊道熔合不良、裂紋等缺陷。

圖9 焊接坡口加工不同軸引起的坡口邊緣未熔合

5 結(jié)語(yǔ)

(1)選擇合理的焊接材料和工藝可以在仰焊位置實(shí)現(xiàn)耐熱合金鋼材料換熱管與管板之間的管子-管板焊接操作，并滿(mǎn)足焊縫成形和內(nèi)在質(zhì)量要求。

(2)對(duì)于小直徑厚壁低合金鋼換熱管的管子-管板焊接，可選用內(nèi)縮式(45°×2 mm)接頭形式；在采用自動(dòng)鎢極氬弧焊工藝時(shí)，可選擇角度為-5°的焊炬。

(3)耐熱合金鋼的管子-管板焊接應(yīng)嚴(yán)格控制焊前定位脹接質(zhì)量和焊接過(guò)程中的清潔度，避免出現(xiàn)焊接缺陷。

(4)耐熱合金鋼的管子-管板焊接應(yīng)嚴(yán)格控制焊接過(guò)程中的預(yù)熱溫度、道間溫度、后熱處理等工藝。