大型鈦-鋼換熱器復(fù)合板焊接技術(shù)和質(zhì)量評價(jià)

摘要：介紹了大型換熱器鈦-鋼復(fù)合板焊接接頭的形式、焊接工藝、熱處理工藝及質(zhì)量評定方法。采用滲透探傷、氦氣檢漏、熱氣循環(huán)、超聲波檢測等方法對焊縫及設(shè)備的整體性能進(jìn)行評價(jià)，可以準(zhǔn)確地對鈦焊縫的質(zhì)量進(jìn)行檢測和控制。同時(shí)，對設(shè)備進(jìn)行熱氣循環(huán)實(shí)驗(yàn)以模擬實(shí)際使用工況，達(dá)到檢測設(shè)備耐熱性能的目的。

    關(guān)鍵詞：換熱器；鈦-鋼復(fù)合板；焊接接頭

    中圖分類號：TG457.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-3814(2010)07-0117-03

    隨著我國石油、化工、醫(yī)藥等行業(yè)的快速發(fā)展，其設(shè)備也越來越大型化，且生產(chǎn)工藝過程中各種強(qiáng)腐蝕介質(zhì)使用的場合越來越多，常規(guī)材料已經(jīng)不能滿足其耐腐蝕要求，所以大型特種耐蝕有色金屬材料及其復(fù)合板設(shè)備的需求量越來越大，尤其是鈦及其復(fù)合板設(shè)備的需求[1-4]。精對苯二甲酸（PTA）是現(xiàn)代化工基本原料，按照“十一五”規(guī)劃，全國需要PTA產(chǎn)能1500多萬噸，才能滿足國內(nèi)80%的需求，因此我國每年P(guān)TA裝置用的大型鈦設(shè)備市場價(jià)值約為10億元。但是目前國內(nèi)的鈦設(shè)備制造技術(shù)相對落后，缺乏生產(chǎn)大型鈦設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，設(shè)備的可靠性和安全性不能滿足國內(nèi)化工項(xiàng)目建設(shè)的需要，大量的關(guān)鍵設(shè)備仍需要從國外進(jìn)口。因此，開展大型鈦設(shè)備的制造技術(shù)研究就顯得尤為迫切。制造鈦-鋼復(fù)合板換熱器最主要的技術(shù)途徑是焊接，特別是焊接過程中的質(zhì)量控制。在卷制對接焊接過程中，由于基層碳鋼與復(fù)層鈦板不具有優(yōu)良的異種金屬的焊接性，為了保證復(fù)合板不失去它原有的綜合性能，在接頭設(shè)計(jì)及焊接工藝制定中都需要采取一些特殊的措施[5-7]。2007年我們公司承擔(dān)了某公司PTA項(xiàng)目中1000 m2大型換熱器鈦-鋼復(fù)合板設(shè)備的設(shè)計(jì)及制造，本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，針對復(fù)合板的焊接工藝及焊縫質(zhì)量控制做了詳細(xì)的研究。

    1·大型鈦-鋼復(fù)合板換熱器焊接工藝

    1.1換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

    PTA項(xiàng)目中的換熱器屬于管殼式換熱器，其傳熱面由管束構(gòu)成，管子的兩端固定在管板上，管束與管板再封裝在外殼內(nèi)，殼體兩端有管箱，一種流體從進(jìn)口管箱流進(jìn)管子，再經(jīng)過出口管箱流出，這條路徑稱為管程；另一種流體從外殼上的連接管進(jìn)出換熱器，這條路徑成為殼程。管箱采用大面積的鈦-鋼復(fù)合板卷制對接而成，筒體內(nèi)表面為鈦材SB265Gr.2，外表面為SA516Gr.70。鈦-鋼復(fù)合板產(chǎn)品質(zhì)量按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T8547-2006《鈦-鋼復(fù)合板》中的B1M類執(zhí)行。制備的換熱器技術(shù)參數(shù)如表1所示，設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB151-1999“管殼式換熱器”、JB/T4745-2002《鈦制焊接容器》和《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》99版。

            

    1.2鈦-鋼復(fù)合板的焊接接頭形式

    早在20世紀(jì)50年代，國外學(xué)者就開始研究鈦-不銹鋼焊接問題。研究發(fā)現(xiàn)，鈦與鋼熔化焊的熔合區(qū)中會形成FeTi及Fe2Ti等脆性金屬間化合物，這些金屬間化合物和低熔點(diǎn)的共晶體將急劇提高材料的強(qiáng)度，而大大降低材料的塑性，直接影響焊接接頭的力學(xué)性能。另外，由于鈦與鋼的熱物理性能差異，造成焊縫冷卻過程中的收縮不均勻，形成較大的焊接內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致焊縫開裂?？梢?，鈦與鋼直接采用熔化焊的方法形成連續(xù)的焊接接頭幾乎是不可能的。為保證焊接質(zhì)量，避免基板在焊接中污染鈦板，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)結(jié)合設(shè)備特點(diǎn)，鈦復(fù)合層接頭采用搭接接頭，圖1為常用鈦-鋼復(fù)合板對接焊接頭形式。它采用的是互不熔合的間接接頭，焊接接頭通常采用V型坡口，坡口開在基層一側(cè)，間隙為2mm，坡口角度約為65°，鈍邊2～3mm。需要注意的是，在焊接鋼板前要在焊接區(qū)域?qū)⑩亸?fù)層去除。去除復(fù)層后會在腐蝕襯里中引起缺口或空隙，由于復(fù)板SB265Gr.2鈦板不能直接焊接到碳鋼底層上，必須采用蓋板結(jié)構(gòu)將復(fù)層構(gòu)件結(jié)合起來。另外，蓋板下面的容器殼體上鉆出通氣孔，以便為蓋板焊縫的背面提供氬氣進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)也作為裝置生產(chǎn)過程中的檢漏系統(tǒng)。

            

    1.3鈦-鋼復(fù)合板的焊接技術(shù)

    換熱器管程材質(zhì)為SA516Gr.70/SB265Gr.2復(fù)合板，筒體厚度為30/2mm，錐體為34/2mm，下料前必須按GB/T8547-2006中《鈦-鋼復(fù)合板》要求進(jìn)行檢驗(yàn)。等離子切割焊件后需要清理加工表面，并在鋼面為后繼的焊接加工留出65°坡口。焊接坡口內(nèi)表面及坡口外20～25mm范圍內(nèi)用機(jī)械方法除去材料表面氧化皮等污物，焊前用丙酮或乙醇對焊口進(jìn)行脫脂處理。鈦-鋼復(fù)合板對接接頭的焊接次序是先焊基層：用H08Mn2SiA焊絲進(jìn)行手工氬弧焊打底，用E5015焊條進(jìn)行手工電弧焊填充，用H10Mn2焊絲進(jìn)行埋弧焊蓋面，焊接時(shí)線能量不宜太大，過大的線能量會使鈦復(fù)層因溫度過高發(fā)生氧化，或產(chǎn)生復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度下降和界面剝離等問題。同時(shí)要避免電弧焊的飛濺造成鈦復(fù)層被污染，所以基層焊接時(shí)第一道焊縫應(yīng)用單面焊雙面成形，以避免在鈦復(fù)層進(jìn)行手工電弧焊。焊復(fù)層時(shí)選用鎢極氬弧焊（氬氣純度為99.99%），采用ERTi-2焊絲，焊接時(shí)焊槍后面需要專用拖罩保護(hù)，并且背面要求通入氬氣進(jìn)行保護(hù)，焊接區(qū)域相對獨(dú)立，空氣潔凈。經(jīng)反復(fù)調(diào)試，確定的最佳焊接工藝參數(shù)如表2所示。在此工藝條件下，從宏觀形貌上看，焊縫外觀均勻，沒有裂縫、夾渣、咬邊、未熔合、焊瘤、燒穿、弧坑和針狀氣孔等缺陷，鈦焊縫和熱影響區(qū)表面顏色為銀白色?？梢?，該焊接工藝下焊縫的宏觀形貌滿足使用要求。

         

    1.4鈦-鋼復(fù)合板焊接接頭或容器的熱處理鈦-鋼復(fù)合板焊接后，焊縫存在很大的內(nèi)應(yīng)力，若不及時(shí)去除，將會嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量，在特定介質(zhì)中容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。因此，鈦-鋼復(fù)合板容器通常在鈦蓋板焊接完畢后要進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。其熱處理工藝的選擇依據(jù)基層鋼板的去應(yīng)力退火工藝進(jìn)行。

    2·焊接接頭質(zhì)量評定

    雖然焊縫的外觀質(zhì)量滿足了生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求，主體焊縫又經(jīng)過JB/T4730.2-2005100%RT檢測Ⅱ級合格，但僅憑襯里焊縫外觀形貌判斷設(shè)備質(zhì)量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要采用后繼的檢測手段來評價(jià)其質(zhì)量。所采用檢測方法及其檢測結(jié)果如下：

    （1）焊縫PT檢查：采用DPT-5型清洗劑清洗焊縫去除污垢，然后利用DPT-5型滲透劑對焊縫進(jìn)行滲透約10~15min，再用清洗劑清洗滲透劑，最后顯像劑顯像。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫表面無缺陷，屬于JB/T4730.5-2005 100%PTⅠ級合格。

    （2）氦氣檢漏法：通過在設(shè)備殼體上接管和基層焊縫上的檢漏孔通入一定量的氦氣和氮?dú)獾幕旌蠚?，對換熱管和管板的角接焊縫以及內(nèi)復(fù)層表面進(jìn)行檢漏。氦氣檢漏時(shí)的流量控制在20ml/s，真空度優(yōu)于1×10-6Pa。

    （3）熱氣循環(huán)法：目前國內(nèi)廠家只是對復(fù)合管箱部分進(jìn)行熱氣循環(huán)試驗(yàn)，我們對整體設(shè)備進(jìn)行熱氣循環(huán)試驗(yàn)，通過這種模擬實(shí)際工況，增加了換熱管管頭的可靠性。具體操作是通過給容器內(nèi)部充氦然后在焊縫檢漏孔中進(jìn)行氦檢漏。與其它方法不同的是，試驗(yàn)前一般要以容器的設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力為基準(zhǔn)，對容器進(jìn)行升溫、升壓、保壓、降溫、降壓等使用工況的模擬，然后在容器內(nèi)部充入氦氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，在容器外檢漏孔處進(jìn)行檢測。這種方法可很好地驗(yàn)證容器在升溫、升壓、降溫、降壓、正常運(yùn)行等工況對復(fù)層蓋板焊縫處的影響，其靈敏度高、可靠性好，但試驗(yàn)周期長且費(fèi)用較高，一般運(yùn)用在設(shè)備設(shè)計(jì)溫度較高或操作過程不穩(wěn)定的關(guān)鍵設(shè)備質(zhì)檢中。上述檢驗(yàn)后，采用PXUT-350B型超聲波測試儀對鈦復(fù)合層及周圍區(qū)域進(jìn)行100%UT檢查，結(jié)果顯示鈦-鋼復(fù)合板設(shè)備符合JB/T4730.3-2005Ⅰ級合格，滿足生產(chǎn)要求。

    3·結(jié)論

    我們在生產(chǎn)1000m2大型鈦-鋼復(fù)合板換熱器過程中，通過大量的試驗(yàn)研究，確定出鈦-鋼復(fù)合板的最佳焊接工藝，包括焊絲類型和焊接接頭形式等工藝參數(shù)，從焊接接頭的表面形貌來看，復(fù)合板焊縫表面光滑，無肉眼可見焊接缺陷。隨后采用PT、UT、氦氣檢漏、熱氣循環(huán)等試驗(yàn)方法對該大型鈦-鋼復(fù)合板換熱器進(jìn)行檢驗(yàn)，綜合評價(jià)設(shè)備的焊縫質(zhì)量及設(shè)備整體性能滿足生產(chǎn)要求。

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