15CrMoR换热管与管板焊接工艺研究

武守辉　陈志强　薛蛟祖　吴运治潘丽杰（河南环宇石化装备科技股份有限公司)



15CrMoR换热管与管板焊接工艺研究

武守辉*陈志强薛蛟祖吴运治潘丽杰
（河南环宇石化装备科技股份有限公司)

摘要研究了15CrMoR换热管与管板的焊接工艺评定，采用非熔化极气体保护焊在选定的焊接参数下施焊，获得了性能良好的焊接接头。对焊接接头进行了宏观检测、硬度检测和接头断面的渗透检测，结果表明接头的各项性能完全满足使用要求。

关键词换热管管板焊接工艺气体保护焊焊接接头

*武守辉，男，1986年生，硕士。焦作市，454350。

0　前言

15CrMoR材料是一种珠光体低合金耐热钢，由于其良好的耐腐蚀性、抗氧化性和抗氢能力，在天然气、化工、石油等行业有着广泛的应用[1-2]。由15CrMoR所制成的石油化工设备、宇航器械等不仅工艺性能良好，而且更经济适用[3]。但是由于15CrMoR中含有Cr、Mo等强碳化物元素，因而其焊接接头在过热区容易产生不同程度的再热裂纹。另外，低合金耐热钢具有一定程度的淬硬倾向，在焊接热循环情况下，焊缝中可能形成冷裂纹显微组织。为了防止裂纹的产生，需要进行适当的焊前预热、层间温度控制和焊后热处理。另外，焊接参数

对焊缝组织也会产生较大的影响。为了获得性能良好的管板角焊缝，应进行大量的试验。

1　试验材料及方法

本试验中所用的材料为厚20 mm的15CrMoRⅢ钢板和覫45 mm×3 mm的15CrMo接管。焊接参数如表1所示。按照NB/T 47014—2011的要求，管板角焊缝焊前的结构布置如图1所示。

本评定是为了满足公司所接设备甲醇裂解制氢装置换热管与管板的焊接要求而进行的[4]。该设备名称：转化器；设计规范和制造、检验、验收标准：GB 150—2011、GB 151—1999；管程参数：管程设计压力1.98 MPa，管程容积19.31 m3，换热面积1382 m2；物料名称：甲醇、水、氢气、二氧化碳；工作温度：300℃；工作原理：甲醇与水在催化剂的作用下，通过加热生成氢气和二氧化碳，实现物料转换。焊接要求：D类焊缝按照HG 20583/G2的要求须全焊透，焊角尺寸符合GB/T 985.1—2008；所有Cr-Mo低合金钢的D类接头、经火焰切割的坡口表面、容器缺陷的修磨或补焊处和拉筋等拆除处的焊痕表面，均需要进行PT100%检测，Ⅰ级合格，并须符合JB/T 4730.5—2005要求。其中，换热管与管板间焊缝的PT检测应在焊接完成24 h后进行；换热管与管板的连接为强度焊加贴胀，且为氩弧焊焊接；换热管与管板间焊缝需焊后缓冷并进行局部消除应力热处理[5]。

表1　焊接参数

图1　管板的管口布置和焊接结构

2　工艺要求[6]

2.1管板加工

换热管采用整管制作，不允许拼接，并应符合GB 9948—2006标准的要求。管子外径为45 mm，偏差在±0.3 mm以内。管板孔的加工应注意坡口角度，其坡口为单边V形，坡口深度为2.5 mm，管板表面应光滑平整，加工结束后应喷涂防锈剂。

2.2换热管处理

换热管切割后，应将管头表面的毛刺及铁锈等清除干净。清除铁锈的长度范围应比管板厚度大5 mm，且不得小于25 mm。

2.3换热管与管板对装

换热管伸出管板长度为1.5~2 mm。在保证管

板及换热管管头除去铁锈、氧化皮和油污等的前提下，进行组对与点焊。

2.4换热管与管板胀接注意事项[7]

2.4.1换热管的连接部位和管板孔表面应清理干净，不应留有影响胀接或焊接质量的毛刺、铁屑、锈斑、油污等。连接部位以呈现金属光泽为准。

2.4.2进行胀接时，换热管的胀接长度不应伸出管板背面（壳程一侧）。换热管的胀接部分和非胀接部分应圆滑过渡，不应有尖锐的棱角。

2.4.3由于采用机械滚胀法，所以应先焊后胀。机械滚胀的时候产生大量的热，需要用适当的机油进行润滑和冷却，油液浸进接头焊缝，彻底清除十分困难。若接头处有油污等存在，焊接时容易产生气体，气体残留在焊缝中容易形成气孔等缺陷。

2.5换热管与管板焊接注意事项[7-8]

2.5.1换热管和管板焊接接头较特殊，除了受到管程和壳程压力的作用外，还受管板变形的影响，特别是固定管板式换热器还受温差应力的影响。角焊接接头不仅本身具有应力集中，同时还存在焊接热应力。由于管板开孔较密集，焊接时受热的影响较大，热应力集中点多，因此微裂纹产生的可能性大。

2.5.2将换热管管头打磨出金属光泽、管板钻孔后应立即进行施焊，放置时间太长容易再次生锈。若涂防锈油剂，组装时难以清理，容易导致焊肉中杂质较多。

2.5.3采用氩弧焊焊接时，应避免电流过大。若电流过大，易将管头烧穿，从而形成过大的熔瘤。氩气一定要随焊接速度、电弧长度的增加而增加，以保证焊接质量。

2.5.4焊接时，焊渣及凸出于换热管内壁的焊瘤均应清除干净。对于焊缝缺陷的返修，应先清除缺陷后补焊。

2.6焊后处理及其他

2.6.1焊接结束后，应先对检测部位进行修磨处理。在外观检查合格后，按技术要求进行无损检测。

2.6.2试件焊接应由具有相应资格的焊工担任，且 应严格按照通过的焊接工艺评定进行施焊。

3　工艺试验结果

根据NB/T 47014—2011的要求，按焊接工艺对10个接头进行了焊接，并进行了以下检验。

3.1外观检验

在焊接过程中，分别对第一层填丝焊缝、第二层填丝焊缝进行了外观检验，目测焊缝表面无气孔、弧坑、咬边等缺陷，焊缝成型良好，且没有未熔化的管头和焊丝，外观检查合格。

3.2渗透检测[9]

根据JB/T 4730.5—2005《承压设备无损检测——第五部分：渗透检测》对10个焊接接头进行表面渗透检测。检测前先对试样进行打磨清理，用清洗剂HR-ST清洗，然后喷洒渗透剂HP-ST，待10 min后用清洗剂将焊缝表面清洗干净，最后喷洒显像剂HD-ST显像。10 min后，用10倍的放大镜进行观察。检查结果为无表面气孔、表面裂纹、咬边等缺陷，试验结果合格。

3.3宏观金相检验

任意选取对角线位置的两个接管，在接头中间切开[4]，将8个接头剖面的焊脚打磨抛光，用10%的过硫酸铵水溶液进行腐蚀[10]，用蘸有腐蚀剂的棉球在剖面处往返擦拭2~3次，然后用酒精清洗，紧接着用清水冲洗，再用吹风机将焊缝表面吹干。最后，在10倍的放大镜下进行观察，未发现裂纹、未熔合、咬边等缺陷，试验结果合格。

3.4角焊缝厚度检测

对上述抛光腐蚀后的8个接头剖面，借助10倍放大镜与游标卡尺进行角焊缝厚度检测，其角焊缝厚度分别为6.62 mm、7.00 mm、7.12 mm、7.40 mm、6.80 mm、7.10 mm、7.08 mm、6.96 mm。根据NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》附录D的规定，角焊缝厚度值均大于2/3倍管壁厚度2 mm，试验结果合格。

3.5硬度测定

用TH110里氏硬度计对焊接接头（焊缝中心、热影响区、母材）进行硬度测试，其硬度值分别为：焊缝中心（三点平均值）220 HL；热影响区（三点平均值）167 HL；母材（三点平均值）217 HL。由测试结果可知，焊缝区硬度略高于基体母材，热影响区硬度最低。由于填充金属在快速冷却的过程中晶粒细化，且有一定的淬硬倾向，故焊缝区硬度略高于基体母材。热影响区在焊接过程中相当于一次正火处理，因此这一区域珠光体与马氏体增多，塑性增大，硬度降低。

4　结论

本文研究了15CrMoR换热管与管板的焊接工艺评定，采用非熔化极气体保护焊在选定的焊接参数下施焊，获得了性能良好的焊接接头。

（1）焊接时一定要严格按照拟定的焊接工艺进行焊接，其中预热温度、层间温度、焊后热处理温度更是要严格控制，且焊接过程中的层间温度不得低于预热要求的最低温度150℃。

（2）按照NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》的要求，对焊接接头进行了相应的检测试验，试验结果合格。

（3）通过对15CrMoR换热管与管板焊接工艺的评定，将该非熔化极气体保护焊工艺成功应用到换热管与管板的焊接中，不仅提高了焊接效率和焊接质量，而且得到了监检部门的认可。

参考文献

[1]苏海清.15CrMoR钢的焊接工艺[J] .焊接技术，2006,35（5）:63-64.

[2]王怀建，李雷.15CrMoR钢焊接接头的组织和力学性能[J] .金属铸锻焊技术，2008，137（3）：78-79.

[3]焊接学会.焊接手册（第2卷）[M] .北京：机械工业出版社，2008.

[4]NB/T 47014—2011承压设备焊接工艺评定[S] .

[5]中国机械工程学会热处理学会.热处理手册（第一卷）：工艺基础[M] .北京：机械工业出版社，2008.

[6]NB/T 47015—2011压力容器焊接规程[S] .

[7]GB/T 151—2014热交换器[ S ] .

[8]时鸿儒，刘惠杰.换热器管板的焊接变形与控制[J] .化学工业与工程技术，2005，26（3）：46-47.

[9]JB/T 4730.5—2005承压设备无损检测——第5部分：渗透检测[S] .

[10]机械工业理化检验人员技术培训和资格鉴定委员会.金相检验[M] .上海：上海科学普及出版社，2003.

化机制造

Research on Welding Technology of 15CrMoR Heat Exchange Tube and Tube Sheet

Wu Shouhui Chen Zhiqiang Xue Jiaozu Wu Yunzhi Pan Lijie

Abstract：The welding technology of the 15CrMoR heat exchange tube and tube sheet is studied and evaluated.The welded joints with good performance are obtained through the welding under the protection of the non-consumable gas and with the selected welding parameters.The macroscopic testing and hardness testing on the welded joints, as well as the penetrant testing on the cross section of the joints are carried out.The results show that the properties of the joints completely satisfies the operating requirements.

Key words：Heat exchange tube; Tube sheet; Welding technology; Gas shielded welding; Welded joint

(收稿日期：2015-06-26)

中图分类号TQ 050.6

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.02.014