TA1-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)換熱器焊接要點

王東麗，高　磊

(撫順化工機械設(shè)備制造有限公司，遼寧 撫順　113122)

?

制造與安裝

TA1-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)換熱器焊接要點

王東麗，高磊

(撫順化工機械設(shè)備制造有限公司，遼寧 撫順113122)

摘要：TA1常用于強腐蝕性環(huán)境的設(shè)備，其具有很高的化學活性，加熱時易吸收周圍的氧、氮、氫等雜質(zhì)，從而影響其性能。通過焊接工藝評定，選擇合適的焊接參數(shù)，制定合理的焊接工藝方案，以確保產(chǎn)品質(zhì)量滿足設(shè)計使用要求。

關(guān)鍵詞：TA1;焊接;銀釬焊

0引言

2013年，某廠為一石化廠制造8臺脫前原油-初頂油氣換熱器，它是常減壓蒸餾裝置中的重要設(shè)備之一。首次將這8臺換熱器的螺旋折流板結(jié)構(gòu)與鈦制U形管束結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在保證傳熱效率的同時、使其殼程壓降降低20%，殼程膜傳熱系數(shù)提高20%，綜合傳熱能力提高10%。通過制定合理的焊接工藝及焊接措施，滿足產(chǎn)品的實際生產(chǎn)要求。

1產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)條件及結(jié)構(gòu)

1.1　產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)條件

產(chǎn)品設(shè)計主要技術(shù)參數(shù)見表1，設(shè)備簡圖見圖1。該設(shè)備運行條件苛刻，管程介質(zhì)腐蝕性強，所以管箱材料選用Q345R+TA1復(fù)合板，管板選用16Mn+TA1復(fù)合板，換熱管選用TA1。為了保證傳熱效率，殼程采用U形管螺旋折流板結(jié)構(gòu)。

表1　設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

圖1　脫前原油-初頂油氣換熱器簡圖

1.2　制造難點

該產(chǎn)品制造難點主要體現(xiàn)在管箱鈦復(fù)合結(jié)構(gòu)焊接、換熱管與管板焊接等方面。管箱封頭和短節(jié)為Q345R+ TA1復(fù)合板，其他采用鈦襯里結(jié)構(gòu)，如圖2所示。管板材料為16Mn+TA1，換熱管為TA1，換熱管與管板接頭型式為角焊縫，如圖3所示。鈦在高溫時對氮、氫、氧具有較大的親和力，且易形成多種脆性相，從而在焊接接頭處引發(fā)氣孔、裂紋等缺陷[1]。此外，焊接接頭的晶粒長大傾向嚴重，加劇了焊接接頭塑性，韌性急劇下降[2]。因此，設(shè)備制造有一定的難度。

圖2　管箱簡圖

圖3　換熱管與管板接頭型式示意

2TA1焊接方法的確定及焊接工藝評定試驗

2.1　TA1焊接的主要特點

(1)高溫時鈦具有較高活性。鈦對氧和氮的親和力大大超過鐵對這些元素的親和力，氮和氧在相當寬的濃度范圍內(nèi)與鈦形成間隙固溶體。這些元素強烈地降低鈦的塑性，并提高其硬度，鈦和氫也有極強的親和力，鈦吸收氫以后形成氫化鈦，通常沿孿晶線和滑移面析出，從而增加了金屬中的氫含量，使韌性急劇下降，增大了形成冷裂紋和延遲裂紋的傾向，并增加對缺口的敏感性。這些元素間隙雜質(zhì)在特殊情況下還能引起焊縫脆性斷裂[3]。

(2)焊件清理。保證焊件表面的清潔性是成功焊接工業(yè)純鈦的一個重要要求。焊接表面的污染物質(zhì)主要是表面氧化皮和引起脆化的元素。表面氧化皮的熔點比母材高得多，常?？赡苄纬蓨A渣或細小的不連續(xù)的氧化物[4]。

(3)焊接接頭冷卻時形成脆性相。根據(jù)合金化元素含量和熱處理規(guī)范的不同，鈦能形成亞穩(wěn)定相。由于這些相能顯著地改變近縫區(qū)的金屬的性能[5]，因此，選擇避免在近縫區(qū)的最終組織中產(chǎn)生脆性和不穩(wěn)定相的焊接規(guī)范是焊接鈦合金的重要前提。高強度的鈦合金的焊接，在焊接熱循環(huán)作用下相和組織轉(zhuǎn)變的特征，常常導(dǎo)致焊縫金屬的脆化。

綜合TA1上述特點及最大程度地滿足產(chǎn)品設(shè)計使用要求，在換熱管與管板焊接及管箱TA1的焊接時選用自動/手工氬弧焊，管箱密封板TA1與法蘭16Mn焊接采用銀釬焊。正式施焊前分別進行焊接工藝評定，要滿足NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》[6]、GB 151—1999《管殼式換熱器》[7]、JB/T 4745—2002《鈦制焊接容器》[8]等相關(guān)要求。

2.2　TA1焊接

2.2.1母材及焊材

TA1為工業(yè)純鈦的一種，在海水及大多數(shù)酸、堿、鹽介質(zhì)中具有優(yōu)良的抗腐蝕性能。管箱材料為Q345R+TA1，就是為了在滿足強度的基礎(chǔ)上還滿足管程出口介質(zhì)強腐蝕性能。焊材為氬弧焊ERTA1ELIφ2.4 mm焊絲。

2.2.2施焊工藝及焊接

試板母材厚度10 mm，坡口如圖4所示，焊接采用手工氬弧焊，水平施焊，嚴格遵守鈦焊接注意事項，即焊接時應(yīng)采用合適形狀的保護罩保護焊縫，適當?shù)臍怏w保護流量、小電流快速焊的方法，既要避免粗大組織的形成，又要使溫度高于形成焊縫所需的溫度，焊前不預(yù)熱，層間溫度<100 ℃，焊接參數(shù)見表2。

圖4　焊接坡口示意

焊道/焊層焊接方法填充金屬焊接電流牌號直徑/mm極性電流/A電弧電壓/V焊接速度/cm·min-1氬氣流量/L·min-1正面背面1~2GTAWERTA1ELI?2.4DC-90~12011~13710153~5GTAWERTA1ELI?2.4DC-90~12011~1371015

2.2.3性能試驗

(1)外觀檢測。

試樣焊縫表面絕大部分為銀白色，只有幾處為淺黃色或金黃色。

(2)無損檢測。

試樣經(jīng)100%RT射線檢測，Ⅰ級合格。

(3)拉伸試驗。

試驗結(jié)果見表3，合格。

表3　試樣拉伸結(jié)果

(4)彎曲試驗。

面彎(2個試樣)、背彎(2個試樣)，合格。

(5)金相檢驗。

金相組織見圖5?？梢钥闯?，母材的組織均勻、規(guī)則、等軸狀的α相，具有良好的塑性，由母材過渡到熱影響區(qū)，晶粒開始劇烈長大，形成明顯的分界線，組織形狀也發(fā)生了變化，熱影響區(qū)組織為鋸齒狀和板條狀α 相，焊縫的組織主要是鋸齒狀和針狀α 相。

(a)母材(b)熱影響區(qū)-母材

(c)　熱影響區(qū)

(d)　焊縫

(6)評定結(jié)果。

2.3　換熱管與管板焊接

2.3.1施焊工藝及參數(shù)

管板選用16Mn+TA1復(fù)合板，換熱管為TA1，規(guī)格為φ25 mm×2/1.65 mm，換熱管與管板焊接采用惰性鎢極自動氬弧焊，ERTA1ELIφ1.0 mm焊絲，氬氣保護，水平固定焊接，焊前不預(yù)熱，層間溫度<100 ℃，焊接參數(shù)見表4。

表4　換熱管與管板焊接工藝評定焊接參數(shù)

2.3.2性能試驗

(1)外觀檢測。

對管板表面顏色進行檢驗，絕大多數(shù)換熱管焊縫呈銀白色，少數(shù)換熱管焊縫呈淺黃色或金黃色。

(2)無損檢測。

試樣經(jīng)100%PT檢測，Ⅰ級合格。

用EC細網(wǎng)格0.125°×0.125°格點數(shù)據(jù)對同一時次同一高度的實況和預(yù)報形勢進行對比分析發(fā)現(xiàn)(采用8日20時500 hPa高度場和850 hPa風場,圖略),6日20時、7日08時、7日20時、8日08時起報的8日20時預(yù)報場,500 hPa高度場均與實況場差異不大,850 hPa風場在各時段起報的預(yù)報場偏東急流中偏北分量較實況來的大,從而造成8日20時—9日08時的累積降水量預(yù)報比實況小。EC細網(wǎng)格對9日08時的風場預(yù)報接近實況流場,因此對9日08—20時的雨量預(yù)報與實況接近。從形勢場的預(yù)報可以看出,此次EC細網(wǎng)格就1601號臺風“尼伯特”對蒼南的暴雨影響預(yù)報具有分析意義。

(3)焊縫厚度及金相檢測。

φ25 mm×2 mm換熱管焊縫厚度為2.6~2.8 mm，φ25 mm×1.65 mm換熱管焊縫厚度為2.4~2.7 mm；金相組織如圖6所示，可以看出，母材的組織均勻、規(guī)則、等軸狀的α 相，具有良好的塑性，由母材過渡到熱影響區(qū)，晶粒開始劇烈長大，形成明顯的分界線，組織形狀也發(fā)生了變化，熱影響區(qū)組織為鋸齒狀和板條狀α 相，焊縫的組織主要是鋸齒狀和針狀α 相[9]。

(a)管板母材(b)換熱管母材

(c)　管板側(cè)熱影響區(qū)

(d)　管板側(cè)焊縫

(e)　換熱管側(cè)焊縫

(f)　換熱管側(cè)HAZ

(4)評定結(jié)果。

結(jié)合以上檢測表明，該焊接工藝評定試驗結(jié)果完全滿足NB/T 47014—2011附錄D和圖紙相關(guān)技術(shù)要求。

2.4　鈦的異種鋼焊接

2.4.1施焊工藝及參數(shù)

由于鈦材無法與鋼采用熔化焊焊接，所以鈦和鋼的異種鋼焊接采用銀釬焊的焊接方法[10]。根據(jù)接頭型式及圖紙要求的檢驗方法制作兩種焊接試板，一種為T形接頭型式，驗證預(yù)留6 mm間隙是否滿足焊接要求;另一種為整體密封型式，驗證銀釬焊焊縫是否能滿足氣密性的強度要求。焊接方法采用手工氬弧焊，純銀焊絲，直徑φ1.6 mm；層間溫度≤100 ℃；水平焊接，焊前不預(yù)熱，焊接參數(shù)如表5所示。

表5　銀釬焊焊接參數(shù)

2.4.2性能試驗

(1)外觀檢測。

試樣焊縫表面絕大部分為銀白色，只有幾處為淺黃色或金黃色。

(2)對釬焊縫及熱影響區(qū)進行鐵污染的檢驗。配制試驗溶液:將7 g鐵氰化鉀、4.5 mL硝酸(濃度65%)溶解在214 mL蒸餾水中，配制成檢驗溶液。將吸取溶液的試紙貼合在所需檢查表面，若有鐵污染時試紙會顯示藍色；經(jīng)試驗無藍色，合格。

(3)按圖紙要求從檢漏孔通入0.4 MPa的壓縮空氣對所有釬焊焊縫進行檢查，無泄漏，合格。

2.4.3評定結(jié)果

結(jié)合以上檢測表明，該評定試驗結(jié)果完全滿足圖紙相關(guān)技術(shù)要求。

3產(chǎn)品制造

3.1　殼體法蘭的焊接

產(chǎn)品殼體與法蘭的焊接結(jié)構(gòu)如圖7所示。法蘭密封面是由鈦密封板加工而成，鈦密封板與法蘭由鈦鉚釘連接，并在密封板的外圓處采用銀釬焊密封；殼體法蘭內(nèi)側(cè)的襯板與鈦墊板和密封板分別焊接，在法蘭襯板與殼體復(fù)層的焊縫上再蓋一塊鈦蓋板，保護原焊縫，并且采用鈦氬弧焊焊接，焊接時嚴格遵守鈦焊接注意事項及焊接工藝規(guī)程。焊接完成后進行相應(yīng)的檢測。

圖7　殼體與法蘭的結(jié)構(gòu)示意

3.2　接管法蘭的焊接

產(chǎn)品接管與法蘭及殼體的結(jié)構(gòu)如圖8所示。法蘭密封面是由鈦密封板加工而成，鈦密封板與法蘭由鈦鉚釘連接，并在密封板的外圓處采用銀釬焊密封；接管法蘭內(nèi)側(cè)的襯板與鈦蓋板和密封板分別焊接，焊接時嚴格遵守鈦焊接注意事項及焊接工藝規(guī)程。焊接完成后進行相應(yīng)的檢測。

3.3　制造過程保護

因該產(chǎn)品部分材料為TA1，制造現(xiàn)場要求清潔、無污染，所以在專用的清潔車間制造該產(chǎn)品，車間在使用前要進行菲繞啉試驗，試驗合格后方可使用，并在現(xiàn)場地面鋪設(shè)木板。下料、堆放、吊運、加工制造等過程都不允許有鐵離子污染，材料下料后在材料表面要鋪設(shè)防護紙，工人操作必須戴手套。由于鈦焊接的位置不一樣，根據(jù)相應(yīng)的位置制作相應(yīng)的氬氣保護罩，在焊接過程中做到氬氣的完全保護；由于管頭結(jié)構(gòu)形式特殊，改裝了原有的管頭焊機，增加了拖尾保護，使管頭焊縫達到了良好的焊接質(zhì)量。

圖8　接管與法蘭的結(jié)構(gòu)示意

3.4　檢驗

在每道TA1焊縫焊接前進行鐵離子檢測，焊接完成后要進行PT檢測，檢測合格后進行下一步的焊接；在每個部件組對焊接完成后進行氨滲漏檢測，檢測合格后再進行水壓試驗，以確保生產(chǎn)的產(chǎn)品合格。

4結(jié)語

實踐證明，鈦制造時注意保持車間清潔，焊接時母材表面清潔，焊接過程中注意焊縫保護，合理控制施焊線能量和層間溫度，結(jié)合其焊縫成型特點調(diào)整施焊工藝，可獲得較好的質(zhì)量，滿足設(shè)計及使用要求。

參考文獻：

[1]劉會杰.焊接冶金與焊接性[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011:223-225.

[2]黃向紅.工業(yè)純鈦TA2焊接技術(shù)在鈦液薄膜蒸發(fā)器中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代機械，2011(3)：30-33.

[3]張喜燕,趙永慶,白晨光.鈦合金及應(yīng)用[M].北京:化學工業(yè)出版社，2005：191-192.

[4]黃孝鵬,蘇常順,高希改.淺述鈦鋼復(fù)合板焊接工藝[J].現(xiàn)代焊接，2010(2)：47-49.

[5] 韓忠.鈦合金焊接冶金研究進展[J].材料科學與工程，2010，18(4)：107-110.

[6]NB/T 47014—2011,承壓設(shè)備焊接工藝評定[S].

[7]GB 151—1999,管殼式換熱器[S].

[8]JB/T 4745—2002，鈦制焊接容器[S].

[9]鄒力維，高磊，張瑩瑩，等.鈦管板自動焊接工藝[J].焊接，2007(9)：48-50.

[10]周印梅,楊文明.鋼與鈦襯里的銀釬焊[J].壓力容器，1997，14(6)：80-82.

Summary about Welding of TA1-steel Composite Structure

Heat Exchanger

WANG Dong-li，GAO Lei

(Fushun Chemical Equipment Manufacture Co.,Ltd.，F(xiàn)ushun 113122，China)

Abstract:TA1 is always used in the equipment with in strong corrosive environment.Its chemical property is active,it is easy to absorb oxygen,nitrogen,hydrogen and other contamination from the air which will have serious influence on titanium.By making welding procedure qualification,appropriate welding parameters and reasonable welding process are choosed and formulated to ensure the welding quality to meet the requirements of design and use.

Key words:TA1;welding;silver brazing

作者簡介：王東麗(1984-)，女，工程師，主要從事壓力容器焊接方面的研究工作,

通信地址：113122遼寧省撫順經(jīng)濟開發(fā)區(qū)沈東四路59號撫順化工機械設(shè)備制造有限公司,E-mail：wang-dong-li@163.com。

收稿日期：2015-08-21修稿日期：2015-12-07

doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2015.12.010

中圖分類號：TH49;TQ142.3;TG441

文獻標志碼：B

文章編號：1001-4837(2015)12-0059-07