TA1-钢复合结构换热器焊接要点

王东丽，高　磊

(抚顺化工机械设备制造有限公司，辽宁 抚顺　113122)



制造与安装

TA1-钢复合结构换热器焊接要点

王东丽，高磊

(抚顺化工机械设备制造有限公司，辽宁 抚顺113122)

摘要：TA1常用于强腐蚀性环境的设备，其具有很高的化学活性，加热时易吸收周围的氧、氮、氢等杂质，从而影响其性能。通过焊接工艺评定，选择合适的焊接参数，制定合理的焊接工艺方案，以确保产品质量满足设计使用要求。

关键词：TA1;焊接;银钎焊

0引言

2013年，某厂为一石化厂制造8台脱前原油-初顶油气换热器，它是常减压蒸馏装置中的重要设备之一。首次将这8台换热器的螺旋折流板结构与钛制U形管束结构相结合，在保证传热效率的同时、使其壳程压降降低20%，壳程膜传热系数提高20%，综合传热能力提高10%。通过制定合理的焊接工艺及焊接措施，满足产品的实际生产要求。

1产品设计技术条件及结构

1.1　产品设计技术条件

产品设计主要技术参数见表1，设备简图见图1。该设备运行条件苛刻，管程介质腐蚀性强，所以管箱材料选用Q345R+TA1复合板，管板选用16Mn+TA1复合板，换热管选用TA1。为了保证传热效率，壳程采用U形管螺旋折流板结构。

表1　设备主要技术参数

图1　脱前原油-初顶油气换热器简图

1.2　制造难点

该产品制造难点主要体现在管箱钛复合结构焊接、换热管与管板焊接等方面。管箱封头和短节为Q345R+ TA1复合板，其他采用钛衬里结构，如图2所示。管板材料为16Mn+TA1，换热管为TA1，换热管与管板接头型式为角焊缝，如图3所示。钛在高温时对氮、氢、氧具有较大的亲和力，且易形成多种脆性相，从而在焊接接头处引发气孔、裂纹等缺陷[1]。此外，焊接接头的晶粒长大倾向严重，加剧了焊接接头塑性，韧性急剧下降[2]。因此，设备制造有一定的难度。

图2　管箱简图

图3　换热管与管板接头型式示意

2TA1焊接方法的确定及焊接工艺评定试验

2.1　TA1焊接的主要特点

(1)高温时钛具有较高活性。钛对氧和氮的亲和力大大超过铁对这些元素的亲和力，氮和氧在相当宽的浓度范围内与钛形成间隙固溶体。这些元素强烈地降低钛的塑性，并提高其硬度，钛和氢也有极强的亲和力，钛吸收氢以后形成氢化钛，通常沿孪晶线和滑移面析出，从而增加了金属中的氢含量，使韧性急剧下降，增大了形成冷裂纹和延迟裂纹的倾向，并增加对缺口的敏感性。这些元素间隙杂质在特殊情况下还能引起焊缝脆性断裂[3]。

(2)焊件清理。保证焊件表面的清洁性是成功焊接工业纯钛的一个重要要求。焊接表面的污染物质主要是表面氧化皮和引起脆化的元素。表面氧化皮的熔点比母材高得多，常常可能形成夹渣或细小的不连续的氧化物[4]。

(3)焊接接头冷却时形成脆性相。根据合金化元素含量和热处理规范的不同，钛能形成亚稳定相。由于这些相能显著地改变近缝区的金属的性能[5]，因此，选择避免在近缝区的最终组织中产生脆性和不稳定相的焊接规范是焊接钛合金的重要前提。高强度的钛合金的焊接，在焊接热循环作用下相和组织转变的特征，常常导致焊缝金属的脆化。

综合TA1上述特点及最大程度地满足产品设计使用要求，在换热管与管板焊接及管箱TA1的焊接时选用自动/手工氩弧焊，管箱密封板TA1与法兰16Mn焊接采用银钎焊。正式施焊前分别进行焊接工艺评定，要满足NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》[6]、GB 151—1999《管壳式换热器》[7]、JB/T 4745—2002《钛制焊接容器》[8]等相关要求。

2.2　TA1焊接

2.2.1母材及焊材

TA1为工业纯钛的一种，在海水及大多数酸、碱、盐介质中具有优良的抗腐蚀性能。管箱材料为Q345R+TA1，就是为了在满足强度的基础上还满足管程出口介质强腐蚀性能。焊材为氩弧焊ERTA1ELIφ2.4 mm焊丝。

2.2.2施焊工艺及焊接

试板母材厚度10 mm，坡口如图4所示，焊接采用手工氩弧焊，水平施焊，严格遵守钛焊接注意事项，即焊接时应采用合适形状的保护罩保护焊缝，适当的气体保护流量、小电流快速焊的方法，既要避免粗大组织的形成，又要使温度高于形成焊缝所需的温度，焊前不预热，层间温度<100 ℃，焊接参数见表2。

图4　焊接坡口示意

焊道/焊层焊接方法填充金属焊接电流牌号直径/mm极性电流/A电弧电压/V焊接速度/cm·min-1氩气流量/L·min-1正面背面1~2GTAWERTA1ELIϕ2.4DC-90~12011~13710153~5GTAWERTA1ELIϕ2.4DC-90~12011~1371015

2.2.3性能试验

(1)外观检测。

试样焊缝表面绝大部分为银白色，只有几处为浅黄色或金黄色。

(2)无损检测。

试样经100%RT射线检测，Ⅰ级合格。

(3)拉伸试验。

试验结果见表3，合格。

表3　试样拉伸结果

(4)弯曲试验。

面弯(2个试样)、背弯(2个试样)，合格。

(5)金相检验。

金相组织见图5。可以看出，母材的组织均匀、规则、等轴状的α相，具有良好的塑性，由母材过渡到热影响区，晶粒开始剧烈长大，形成明显的分界线，组织形状也发生了变化，热影响区组织为锯齿状和板条状α 相，焊缝的组织主要是锯齿状和针状α 相。

(a)母材(b)热影响区-母材

(c)　热影响区

(d)　焊缝

(6)评定结果。

2.3　换热管与管板焊接

2.3.1施焊工艺及参数

管板选用16Mn+TA1复合板，换热管为TA1，规格为φ25 mm×2/1.65 mm，换热管与管板焊接采用惰性钨极自动氩弧焊，ERTA1ELIφ1.0 mm焊丝，氩气保护，水平固定焊接，焊前不预热，层间温度<100 ℃，焊接参数见表4。

表4　换热管与管板焊接工艺评定焊接参数

2.3.2性能试验

(1)外观检测。

对管板表面颜色进行检验，绝大多数换热管焊缝呈银白色，少数换热管焊缝呈浅黄色或金黄色。

(2)无损检测。

试样经100%PT检测，Ⅰ级合格。

用EC细网格0.125°×0.125°格点数据对同一时次同一高度的实况和预报形势进行对比分析发现(采用8日20时500 hPa高度场和850 hPa风场,图略),6日20时、7日08时、7日20时、8日08时起报的8日20时预报场,500 hPa高度场均与实况场差异不大,850 hPa风场在各时段起报的预报场偏东急流中偏北分量较实况来的大,从而造成8日20时—9日08时的累积降水量预报比实况小。EC细网格对9日08时的风场预报接近实况流场,因此对9日08—20时的雨量预报与实况接近。从形势场的预报可以看出,此次EC细网格就1601号台风“尼伯特”对苍南的暴雨影响预报具有分析意义。

(3)焊缝厚度及金相检测。

φ25 mm×2 mm换热管焊缝厚度为2.6~2.8 mm，φ25 mm×1.65 mm换热管焊缝厚度为2.4~2.7 mm；金相组织如图6所示，可以看出，母材的组织均匀、规则、等轴状的α 相，具有良好的塑性，由母材过渡到热影响区，晶粒开始剧烈长大，形成明显的分界线，组织形状也发生了变化，热影响区组织为锯齿状和板条状α 相，焊缝的组织主要是锯齿状和针状α 相[9]。

(a)管板母材(b)换热管母材

(c)　管板侧热影响区

(d)　管板侧焊缝

(e)　换热管侧焊缝

(f)　换热管侧HAZ

(4)评定结果。

结合以上检测表明，该焊接工艺评定试验结果完全满足NB/T 47014—2011附录D和图纸相关技术要求。

2.4　钛的异种钢焊接

2.4.1施焊工艺及参数

由于钛材无法与钢采用熔化焊焊接，所以钛和钢的异种钢焊接采用银钎焊的焊接方法[10]。根据接头型式及图纸要求的检验方法制作两种焊接试板，一种为T形接头型式，验证预留6 mm间隙是否满足焊接要求;另一种为整体密封型式，验证银钎焊焊缝是否能满足气密性的强度要求。焊接方法采用手工氩弧焊，纯银焊丝，直径φ1.6 mm；层间温度≤100 ℃；水平焊接，焊前不预热，焊接参数如表5所示。

表5　银钎焊焊接参数

2.4.2性能试验

(1)外观检测。

试样焊缝表面绝大部分为银白色，只有几处为浅黄色或金黄色。

(2)对钎焊缝及热影响区进行铁污染的检验。配制试验溶液:将7 g铁氰化钾、4.5 mL硝酸(浓度65%)溶解在214 mL蒸馏水中，配制成检验溶液。将吸取溶液的试纸贴合在所需检查表面，若有铁污染时试纸会显示蓝色；经试验无蓝色，合格。

(3)按图纸要求从检漏孔通入0.4 MPa的压缩空气对所有钎焊焊缝进行检查，无泄漏，合格。

2.4.3评定结果

结合以上检测表明，该评定试验结果完全满足图纸相关技术要求。

3产品制造

3.1　壳体法兰的焊接

产品壳体与法兰的焊接结构如图7所示。法兰密封面是由钛密封板加工而成，钛密封板与法兰由钛铆钉连接，并在密封板的外圆处采用银钎焊密封；壳体法兰内侧的衬板与钛垫板和密封板分别焊接，在法兰衬板与壳体复层的焊缝上再盖一块钛盖板，保护原焊缝，并且采用钛氩弧焊焊接，焊接时严格遵守钛焊接注意事项及焊接工艺规程。焊接完成后进行相应的检测。

图7　壳体与法兰的结构示意

3.2　接管法兰的焊接

产品接管与法兰及壳体的结构如图8所示。法兰密封面是由钛密封板加工而成，钛密封板与法兰由钛铆钉连接，并在密封板的外圆处采用银钎焊密封；接管法兰内侧的衬板与钛盖板和密封板分别焊接，焊接时严格遵守钛焊接注意事项及焊接工艺规程。焊接完成后进行相应的检测。

3.3　制造过程保护

因该产品部分材料为TA1，制造现场要求清洁、无污染，所以在专用的清洁车间制造该产品，车间在使用前要进行菲绕啉试验，试验合格后方可使用，并在现场地面铺设木板。下料、堆放、吊运、加工制造等过程都不允许有铁离子污染，材料下料后在材料表面要铺设防护纸，工人操作必须戴手套。由于钛焊接的位置不一样，根据相应的位置制作相应的氩气保护罩，在焊接过程中做到氩气的完全保护；由于管头结构形式特殊，改装了原有的管头焊机，增加了拖尾保护，使管头焊缝达到了良好的焊接质量。

图8　接管与法兰的结构示意

3.4　检验

在每道TA1焊缝焊接前进行铁离子检测，焊接完成后要进行PT检测，检测合格后进行下一步的焊接；在每个部件组对焊接完成后进行氨渗漏检测，检测合格后再进行水压试验，以确保生产的产品合格。

4结语

实践证明，钛制造时注意保持车间清洁，焊接时母材表面清洁，焊接过程中注意焊缝保护，合理控制施焊线能量和层间温度，结合其焊缝成型特点调整施焊工艺，可获得较好的质量，满足设计及使用要求。

参考文献：

[1]刘会杰.焊接冶金与焊接性[M].北京：机械工业出版社，2011:223-225.

[2]黄向红.工业纯钛TA2焊接技术在钛液薄膜蒸发器中的应用[J].现代机械，2011(3)：30-33.

[3]张喜燕,赵永庆,白晨光.钛合金及应用[M].北京:化学工业出版社，2005：191-192.

[4]黄孝鹏,苏常顺,高希改.浅述钛钢复合板焊接工艺[J].现代焊接，2010(2)：47-49.

[5] 韩忠.钛合金焊接冶金研究进展[J].材料科学与工程，2010，18(4)：107-110.

[6]NB/T 47014—2011,承压设备焊接工艺评定[S].

[7]GB 151—1999,管壳式换热器[S].

[8]JB/T 4745—2002，钛制焊接容器[S].

[9]邹力维，高磊，张莹莹，等.钛管板自动焊接工艺[J].焊接，2007(9)：48-50.

[10]周印梅,杨文明.钢与钛衬里的银钎焊[J].压力容器，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.，Fushun 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

作者简介：王东丽(1984-)，女，工程师，主要从事压力容器焊接方面的研究工作,

通信地址：113122辽宁省抚顺经济开发区沈东四路59号抚顺化工机械设备制造有限公司,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

中图分类号：TH49;TQ142.3;TG441

文献标志码：B

文章编号：1001-4837(2015)12-0059-07