大型低合金耐熱鋼12Cr2Mo1高壓水加熱器的制造

李淑花 顏立虎

摘 要：對(duì)大型低合金耐熱鋼12Cr2Mo1設(shè)備制造過程的描述。

關(guān)鍵詞：12Cr2Mo1材料；焊接；制造；檢驗(yàn)

陽煤正元集團(tuán)于2013年在滄州化工基地新建一化工廠，占地1300多畝，第一期年產(chǎn)60萬噸合成氨、80萬噸尿素，簡(jiǎn)稱60-80項(xiàng)目，高壓水加熱器是此項(xiàng)目氨合成塔系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一。屬Ⅲ類高溫、高壓設(shè)備，管程材料為12Cr2Mo1、14Cr1Mo，屬于低合金耐熱鋼，此種材料存在淬硬、再熱裂紋及回火脆性傾向，在正元塔器第一次使用，因此從原材料的采購到設(shè)備的制造等各個(gè)環(huán)節(jié)都特別重視，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議執(zhí)行，而且考慮到該設(shè)備材料的特殊性，對(duì)制造工藝，焊接、無損檢測(cè)、熱處理、機(jī)加工精度等做了全面的論證分析，作出了切實(shí)可行的制造工藝，從網(wǎng)上查閱大量有關(guān)低合金耐熱鋼焊接資料，并針對(duì)此臺(tái)設(shè)備厚度及本廠現(xiàn)有設(shè)備，制訂了產(chǎn)生應(yīng)力小的小角度，窄焊縫的焊接工藝、因鍛件及封頭材料厚度大，射線機(jī)照不透，外協(xié)γ源，一是片子不清晰，二是外協(xié)費(fèi)用高?？紤]到目前我國(guó)探傷行業(yè)的發(fā)展，經(jīng)與設(shè)計(jì)方協(xié)商，果斷采取了TOFD超聲檢測(cè)先進(jìn)技術(shù)。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

高壓水加熱器為臥式結(jié)構(gòu)的高溫、高壓U型管式換熱器，管束級(jí)別為高級(jí)冷拔，設(shè)備直徑？準(zhǔn)1800mm，總長(zhǎng)度19190mm，總重210860㎏。高壓水加熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2 材料的選擇

此設(shè)備管程介質(zhì)合成氣的主要成分為H2和CO，具有氫腐蝕性，因此，選擇了抗氫腐蝕性好的珠光體耐熱鋼12Cr2Mo1作為管箱和換熱管的材料，該設(shè)備主要受壓元件材料見表2。

考慮到該設(shè)備的重要性，換熱管采用有質(zhì)量保障的安徽天大無縫鋼管，經(jīng)正火加回火處理，依據(jù)技術(shù)協(xié)議訂貨時(shí)對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行嚴(yán)格控制。

為了防止12Cr2Mo1材料和焊縫金屬出現(xiàn)回火脆性，要求12Cr2Mo1材料和焊材化學(xué)成分配比均應(yīng)符合J系數(shù)=（Si+Mn）×（P+Sn） ×104≤100和X系數(shù)=（10P+5Sb+4Sn+As）×10-2≤15PPM的要求，因此從原材料上就要求供應(yīng)商控制P、Sb、Sn、As的含量，并進(jìn)行到廠后復(fù)驗(yàn)。

因管程的工作溫度高，為了防止管程主材長(zhǎng)期在高溫下工作導(dǎo)致材料出現(xiàn)性能改變，因此要模擬進(jìn)行設(shè)計(jì)溫度下的高溫拉伸試驗(yàn)，其值符合技術(shù)協(xié)議要求。為了檢驗(yàn)12Cr2Mo1Ⅳ回火脆性，對(duì)管程筒體和筒體端部做步冷試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。

3 焊接

高壓水加熱器殼程共計(jì)為6節(jié)鍛件，材質(zhì)為16MnⅣ，因本單位現(xiàn)有工藝評(píng)定已能覆蓋16MnⅣ之間的焊接，所以無需進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)及評(píng)定。而管程的材料為12Cr2Mo1，該材料我公司首次使用，因此必須進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)和評(píng)定。

依照NB/T47014、NB/T47015標(biāo)準(zhǔn)，參照《焊接手冊(cè)》的資料，我單位制定了相應(yīng)的焊接工藝試驗(yàn)方案，經(jīng)多次試驗(yàn)，最終確定了焊接工藝參數(shù)，在此焊接工藝參數(shù)基礎(chǔ)上確定焊接工藝評(píng)定，依據(jù)焊接工藝評(píng)定編制本產(chǎn)品焊接工藝規(guī)程。焊接工藝試驗(yàn)及焊接工藝評(píng)定項(xiàng)目如表3所示。

表3 高壓水加熱器焊接工藝評(píng)定項(xiàng)目

同時(shí)對(duì)主要焊工進(jìn)行培訓(xùn)和考試，讓焊工熟悉該材料的焊接工藝參數(shù)，掌握操作技能，以確保產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。

4 殼程的制造

殼程厚度為150mm，有泰安市山口鍛壓有限公司鍛制，到廠復(fù)驗(yàn)合格后根據(jù)焊接工藝規(guī)程按窄間隙焊縫單側(cè)2度開坡口。因管板12Cr2Mo1Ⅳ與殼體16MnⅣ焊接屬于異種鋼焊接，異種鋼接頭兩側(cè)母材不論化學(xué)成分還是力學(xué)性能都存在著較大差異，因此焊接時(shí)要比同種鋼之間焊接復(fù)雜，且接頭熔合區(qū)組織性能不穩(wěn)定，后熱處理12Cr2Mo1Ⅳ與16MnⅣ溫度和保溫時(shí)間不同，焊接時(shí)一旦出現(xiàn)返修，12Cr2Mo1Ⅳ材質(zhì)易出現(xiàn)裂紋，為了降低此類情況發(fā)生，將管板的對(duì)接處堆焊J507RH 10mm，堆焊完后粗車，進(jìn)行超聲檢測(cè)，符合JB/T4730-2005 I級(jí)合格。超聲合格后按窄間隙焊縫單側(cè)2度車坡口，對(duì)坡口進(jìn)行磁粉檢測(cè)，按JB/T4730-2005 I級(jí)合格。焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度不低于200℃，單側(cè)預(yù)熱寬度不低于300mm，殼體外面埋弧自動(dòng)焊，背面清根打磨，使坡口處呈現(xiàn)金屬色，殼體內(nèi)部自動(dòng)焊蓋面。焊接過程中保證層間溫度，焊接完畢后立即進(jìn)行局部消氫處理，溫度300～350℃，保溫時(shí)間1～2小時(shí)后緩慢冷卻。所有環(huán)縫焊接完畢后，先進(jìn)行磁粉檢測(cè)，無表面缺陷后，進(jìn)行100%TOFD超聲檢測(cè)，符合NB/T4703-2010中Ⅱ合格，因TOFD檢測(cè)有10mm的盲區(qū)，所以TOFD超聲檢測(cè)過的表面用雙晶探頭超聲檢測(cè)，無超標(biāo)缺陷為合格。球形封頭與筒節(jié)的窄間隙坡口焊接方法同前，因此焊縫是殼程部分最后一道焊縫，由于筒節(jié)較長(zhǎng)窄間隙自動(dòng)焊的焊臂夠不到，所以筒體內(nèi)部清根后手工焊蓋面。因球形封頭厚度120mm，殼程筒體厚度150mm，為了減小厚度差產(chǎn)生的應(yīng)力將封頭側(cè)堆焊3*（150-120）mm長(zhǎng)過渡。為了確保換熱管下料尺寸精確，應(yīng)做好6節(jié)殼程筒體及管板環(huán)焊縫收縮量的記錄。

5 管程的制造

5.1 管箱的組對(duì)

管箱在組對(duì)時(shí)，由于材料有再熱裂紋傾向，因此不允許在坡口內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)焊，必須采用筋板組對(duì)，用CM-A106N焊條先將筋板焊接在母材上，筋板應(yīng)采用與母材材料相同的12Cr2Mo1，焊前將待焊區(qū)域預(yù)熱至200℃以上，在主體焊縫自動(dòng)焊焊完一半后，去掉筋板，繼續(xù)焊接。去掉筋板后，打磨干凈焊疤，作磁粉探傷，如有裂紋缺陷，將其進(jìn)行補(bǔ)焊直至檢驗(yàn)合格。

5.2 管箱筒體與筒體端部的焊接

將管箱與筒體端部組對(duì)好，選用的焊接材料見表3。焊前將其預(yù)熱至200℃以上，在焊接過程中，層間溫度不低于250℃，焊后進(jìn)行消氫處理，當(dāng)管箱接管焊接完成后，管箱整體消應(yīng)熱處理。

5.3 管板的加工

由于管板厚度為585mm，必須用深孔鉆鉆，我單位不具備深孔鉆，因此外協(xié)給無錫宏達(dá)加工，我方派檢驗(yàn)人員現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。嚴(yán)格檢驗(yàn)各孔加工尺寸，并對(duì)超過偏差的尺寸做好標(biāo)記和記錄。管板坡口回廠加工。

5.4 a管管口焊接

a管為12Cr2Mo1Ⅳ鍛件，密封環(huán)為InconeL600材質(zhì)，為了減小不同材質(zhì)焊接造成的力學(xué)性能等的影響及增強(qiáng)不同材質(zhì)之間的焊接性能將a管管口堆焊10mm厚的Eni6182？準(zhǔn)4.0焊層，堆焊完后做消氫熱處理，熱處理后粗車堆焊層做超聲檢測(cè)，堆焊層合格后精車，同時(shí)按窄間隙單側(cè)2度車坡口，坡口處做滲透檢測(cè)，因a管直徑大與管箱焊接的融合量大，導(dǎo)致變形大，所以坡口檢驗(yàn)合格后接管先與管箱焊接，管箱上所有接管焊接完畢后，整個(gè)管箱做消應(yīng)熱處理，熱處理完成后a口接管與密封環(huán)焊接，因?yàn)?2Cr2Mo1Ⅳ材質(zhì)焊接有熱裂傾向，假如密封環(huán)直接與a管焊接需作焊后熱處理，焊堆焊層后再與密封環(huán)焊接不用作焊后局部熱處理，只隨設(shè)備做整體熱處理即可。此工藝的優(yōu)點(diǎn)避免局部熱處理不當(dāng)帶來的一系列問題。

5.5 脹管

為了保證該設(shè)備脹管的質(zhì)量，制作3個(gè)模擬脹管試樣，詳細(xì)記錄模擬脹管過程數(shù)據(jù)，將試樣剖開，取脹管質(zhì)量最好，以此數(shù)據(jù)脹接該設(shè)備換熱管。

脹管采用液壓脹管，嚴(yán)格按照模擬脹管試樣數(shù)據(jù)執(zhí)行，不得出現(xiàn)漏脹等現(xiàn)象。

5.6 設(shè)備的消應(yīng)熱處理

消應(yīng)熱處理對(duì)低合金耐熱鋼是非常重要的，熱處理的溫度為700±20℃，保溫6小時(shí)。熱處理完成后，對(duì)焊縫、熱影響區(qū)、母材分別測(cè)試其硬度值，硬度值均應(yīng)在合格范圍內(nèi)，本設(shè)備熱處理后所有焊接接頭應(yīng)再次進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)，符合JB/T4730-2005規(guī)定中的I級(jí)合格。

6 檢驗(yàn)

殼程和管程所有的AB類焊縫焊接完成后均進(jìn)行100%TOFD檢測(cè)，按NB/T4703-2010中Ⅱ合格；小于250的接管對(duì)接焊縫100%磁粉探傷，按JB/T4730-2005 I級(jí)合格，換熱管與管板D類焊縫進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)。

設(shè)備試壓分兩步進(jìn)行，第一步殼程進(jìn)行30.3MPa水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后，組裝管箱，完畢后，對(duì)管程進(jìn)行27MPa水壓試驗(yàn)。

水壓試驗(yàn)合格后，所有受壓焊縫作100%磁粉檢測(cè)。

12Cr2Mo1所有經(jīng)火焰切割后的坡口均進(jìn)行100%磁粉探傷，按JB/T4730-2005I級(jí)合格。

7 結(jié)束語

7.1 材料的訂貨技術(shù)條件和驗(yàn)收復(fù)驗(yàn)

原材料的質(zhì)量是壓力容器制造能否成功的關(guān)鍵，因此必須引起各方面重視，嚴(yán)格按照?qǐng)D紙及技術(shù)協(xié)議的要求訂貨，并進(jìn)行入廠檢驗(yàn)，不合格的材料不得流到下一工序。

7.2 制造方案論證及技術(shù)交底

由于材料的特殊性和設(shè)備的重要性，在設(shè)備制作前應(yīng)編制總體制作方案，并通知各層技術(shù)人員及采購人員。

7.3 質(zhì)量檢驗(yàn)控制

（1）編制高壓水加熱器質(zhì)量檢驗(yàn)計(jì)劃和質(zhì)量控制流程圖，確定其制造的停止點(diǎn)、控制點(diǎn)和見證點(diǎn)，并做好相關(guān)記錄。（2）嚴(yán)格控制鋼板及鍛件坡口的加工，按圖紙和工藝要求進(jìn)行。（3）焊接是壓力容器制造過程中的1個(gè)重要控制環(huán)節(jié)，焊接工藝評(píng)定是重中之重，焊接責(zé)任師應(yīng)跟蹤產(chǎn)品的焊接情況。（4）熱處理工藝必須在試驗(yàn)合格后才能用在產(chǎn)品上。（5）檢驗(yàn)必須嚴(yán)格按照?qǐng)D紙和工藝的要求進(jìn)行，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

作者簡(jiǎn)介：李淑花：1993年畢業(yè)于河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，工程師。

顏立虎：2002年畢業(yè)于張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院。