高压空冷器碳钢管板带极堆焊Inconel625合金层性能

滕 敏，杨凤明，刘 宏

(哈尔滨空调股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150078)



高压空冷器碳钢管板带极堆焊Inconel625合金层性能

滕 敏，杨凤明，刘 宏

(哈尔滨空调股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150078)

采用带极埋弧堆焊技术在Q345R(HIC)板材表面堆焊Inconel625镍基高温合金层。对堆焊层的力学性能、抗腐蚀性能进行了测试，结果表明：Inconel625堆焊合金层与基材焊接熔合质量好，结合强度高；经过消氢热处理后，堆焊合金材料的抗腐蚀性能没有降低。此项研究可保证高压空冷器具有优良抗腐蚀性能，同时大幅降低设备投资，为国内新型加氢裂化装置高压空冷器研制提供了方法和经验。

加氢裂化装置 高压空冷器 带极堆焊 Inconel625

随着国内炼油厂加工高硫、高酸及高氮原料油越来越多和环境保护对油品质量要求越来越严格，加氢裂化等油品深加工装置的规模和数量在国内石油化工企业中都有了很大发展。热高分气空气冷却器(以下简称空冷器)作为加氢裂化装置中必不可少的关键设备之一，常常在装置生产过程中因腐蚀而泄漏，影响装置安全稳定运行[1-4]。

碳钢材质空冷器投资少，但耐腐蚀性差，装置服役周期短且安全性低。Incoloy825合金材质空冷器耐腐蚀性能优异[5-6]，但其价格昂贵，装置制造成本巨大，同时其加工制造难度也较大，这些因素限制了Incoloy825合金在加氢裂化空冷器上的使用和推广。因此，在不大幅增加制造成本的前提下，如何提高高压空冷器安全性，延长装置服役周期是加氢裂化装置空冷器制造技术研究的新方向[7]。

在碳钢管板表面堆焊一层镍基高温合金，与Incoloy825合金换热管焊接配合，可极大提高空冷器管板接头的抗腐蚀性能。由于管箱的丝堵板、盖板、堵板及加强板等部件依然采用碳钢材质，空冷器的制造成本并没有大幅增加。

带极堆焊技术常用在石油化工行业加氢反应器、合成塔、煤液化反应器及核电站的厚壁压力容器等设备内表面堆焊[8-9]，在高压空冷器管板上采用大面积自动堆焊技术在国内尚无报道，需要进行大量试验探索工作，为新型加氢裂化装置空冷器研制提供技术支撑。

1 高压空冷器简介

1.1 主要参数及材质

空冷器设计压力为17.5 MPa，操作压力为15.9 MPa；设计温度275 ℃，操作温度(进口/出口)137 ℃/50 ℃；介质为高热分气(含油气、H2，H2S和H2O)。

管箱材料为Q345R(HIC)板材；换热管材质为UNS N08825；管板为Q345R(HIC)带极堆焊Inconel625高温合金。

1.2 管板堆焊层尺寸

根据管箱图纸设计要求，管板尺寸为2 700 mm×226 mm×54 mm，管板堆焊层共两层两道，尺寸为宽116 mm，厚度7 mm。

2 管板带极堆焊工艺

2.1 焊接设备与焊材

为保证项目顺利实施，避免焊接设备不稳定影响焊接质量，专门购置了国际上领先的堆焊设备：进口原装林肯焊接电源，进口原装苏德凯焊接机头。

焊材质量优良、匹配恰当是保证堆焊层质量和性能的前提。堆焊使用的焊带与焊剂均为Soudokay公司所生产，焊带为SOUDOTAPE625(EQNiCrMo-3)，规格为0.5 mm×60 mm，焊剂代号为NEF 201。以上选用的焊材均满足ASME相关规范要求。表1与表2分别为焊带与焊剂的化学成分。

表1 焊带化学成分 w,%

表2 焊剂化学成分 w,%

2.2 堆焊工艺参数

在产品正式堆焊之前，先用试板进行带极堆焊试验及评定，试板模拟产品进行焊后热处理，然后进行各项性能试验和腐蚀试验。

埋弧方法堆焊镍基高温合金工艺相关研究报道较少[10]，在进行了大量堆焊试验及堆焊层性能检测的情况下，通过对焊接电流、电压及堆焊速度等堆焊工艺参数比对优化，最终得出了一组最佳工艺参数，制造出了合格的堆焊管板。表3为带极堆焊Inconel625的工艺参数。

表3 Inconel625合金带极堆焊工艺参数

2.3 试板堆焊

图1为厚度30 mm的Q345R(HIC)钢板表面带极堆焊厚度6 mm的Inconel625试板。图2为Inconel625合金堆焊层(两层两道)。由图2可以看出，堆焊层成形良好，厚度均匀,表面平整、光滑，两相邻焊道之间的凹下量不大于1 mm。

图1 试板带极堆焊

图2 Inconel625合金堆焊层

3 堆焊层试验评定

合金堆焊层质量好坏直接影响到产品在实际工作环境中的性能及合金堆焊层与基体金属的结合强度。合金堆焊层的抗腐蚀性能是决定产品整体性能的重要指标。

试板堆焊完成后，按照相关技术要求，选取试样进行了堆焊层力学性能、抗腐蚀性能等试验。

3.1 力学性能试验

试板堆焊后取样，进行了横向、纵向侧弯试验。取厚度10 mm试样和厚度3 mm试样各4件,弯曲后试样照片见图3。由图3可知，弯曲角度达到180°，所有试样堆焊层和熔合线上均未发现开裂，可见堆焊层金属与基材融合良好，结合牢固。

同时，对堆焊层表层、第一层堆焊层、基层母材和堆焊层侧面分别进行硬度检验。表4为材料表面硬度测试结果，其硬度全部符合技术条件要求。

图3 弯曲试验后试样

试验位置硬度值/HV测点1测点2表层216227第一层206201基层168168堆焊层侧面1219227堆焊层侧面2219233

3.2 化学成分分析及金相试验

按照GB/T 223《钢铁及合金化学分析方法》对堆焊试样进行了化学分析，结果见表5。由表5可以看出，堆焊层化学成分满足相关技术条件要求。金相分析结果显示，堆焊层未发现裂纹、气孔、夹杂及弧坑等缺陷。图4为金相试样横截面宏观照片。由图4可知，堆焊层与基材熔合情况良好，堆焊层厚度均匀。

表5 试样化学分析结果 w,%

图4 金相试样横截面

3.3 堆焊层腐蚀试验

合金堆焊过程相当于金属重熔，合金中的镍与杂质元素易形成低熔点共晶物，此外熔融金属的黏度比较大，在焊接过程中容易形成未熔合等焊接缺陷，这些都会对合金堆焊层的抗腐蚀性能造成不利影响。同时，加氢裂化装置空冷器所接触的介质腐蚀性较强，因此， Inconel625堆焊层的抗腐蚀性能是生产实际中关注的重点。

按照YB/T 5362—2006《不锈钢在沸腾氯化镁溶液中应力腐蚀试验方法》进行了氯化物应力腐蚀试验。将堆焊层表面磨平、取样，试样尺寸为2 mm×3 mm×30 mm。试样加载应力243 MPa，经96 h应力腐蚀试验，检查试样均未发现裂纹，试样耐应力腐蚀性能合格。

按照标准ASTM A262 C法对两组试样进行了5个周期晶间腐蚀试验。结果表明，试样平均腐蚀速率分别为0.051 mm/月和0.054 mm/月，远远小于相关技术条件要求的腐蚀速率值(0.075 mm/月),可以满足实际生产需要。

4 产品管板带极堆焊

经过试板堆焊试验并检验合格后，进行产品管板堆焊。产品管板Inconel625合金堆焊层为两层两道，厚度约6 mm,宽度约116 mm，见图5。

图5 产品管板堆焊层

管板堆焊的主要流程为：管板焊前清理(喷砂)、管板划线、焊前预热、堆焊第一层、焊后消氢处理、堆焊第二层、焊后热处理、按图加工堆焊层和无损探伤等。

图6是经过机械加工后的合金堆焊层照片，堆焊层按照国内相关标准要求进行100%超声检测合格，达到设计要求。堆焊后管板的外形尺寸、平整度及堆焊层厚度均满足产品要求。

图6 机械加工后产品管板堆焊层

5 结 论

(1)通过优化焊接工艺，首次在高压空冷器碳钢管板上实现大面积带极埋弧堆焊技术，成功堆焊Inconel625镍基高温合金层。

(2)堆焊合金层表面光滑平整，厚度均匀；与基材结合强度高;其抗腐蚀性能达到标准要求。

(3)堆焊Inconel625镍基高温合金的碳钢管板能够满足实际产品的制造要求，为国内新型加氢裂化装置高压空冷器制造提供了方法和经验。

[1] 郭其新，莫少明，卞玉峰，等.重油加氢装置高压空冷器管束的腐蚀与防护[J].石油化工腐蚀与防护，2002,19(6):14-16.

[2] 章炳华，陈江，谭金龙.加氢裂化高压空冷器腐蚀分析与防护[J].扬子石油化工，2007,22(1)：9-11.

[3] 吴丽娜，靳钧.加氢裂化装置高压空冷器的腐蚀及防护[J].石油炼制与化工，2007,38(2):69-70.

[4] 孙毅，张小莉，董建伟.加氢裂化高压空冷器的防腐分析与措施[J].石油炼制与化工，2009,40(6):65-69.

[5] 冯勇，罗春东.Incoloy825材料在加氢裂化装置高压空冷器上的应用[J].炼油技术与工程,2006,36(5):24-26.

[6] 李春兰，王增新，陆建英,等.Incoloy825材质高压空冷器制造[J].石油化工设备，2010,39(1):60-63.

[7] 李春兰.管板堆焊Inconel625合金材料高压空冷器研制[J].化工机械，2013,40(5):672-675.

[8] 李双燕.核电设备中镍基合金带极电渣堆焊[J].压力容器，2011,28(3):33-37.

[9] 罗成.核电蒸汽发生器管板镍基合金双热丝钨极氩弧焊堆焊技术[J].压力容器，2012,29(7):61-65.

[10]王莉，徐祥久，王舒伟，等.AP1000非能动余热排出热交换器管板堆焊技术[J].压力容器，2016,33(1):74-78.

(编辑 王维宗)

Performance of Inconel625 Alloy Deposited on Carbon Steel Tubesheet of High Pressure Air Cooler Using Strip Surfacing Method

TengMin,YangFengming,LiuHong

(HarbinAirConditioningCo.,Ltd.,Harbin150078,China)

Nickel-base super alloy Inconel625 was deposited on the surface of carbon steel Q345R (HIC) using strip surfacing method. The mechanical and corrosion resistant performance of deposited layer was investigated. The results showed that the bond strength between layer and base metal was high. The corrosion resistant property of layer was not decreased after hydrogen elimination heat treatment. With the strip surfacing technology, corrosion resistant of high pressure air cooler could be enhanced, at the same time, the cost of air cooler could be reduced greatly, which could provide valuable experience for the manufacture of high pressure air cooler in hydrogenation unit.

hydrogenation cracking unit, high pressure air cooler, strip surfacing, Inconel625

2017-01-05；修改稿收到日期：2017-03-09。

滕敏(1972—)，高级工程师，主要从事石化空冷器制造工艺工作。E-mail:smart_teng@126.com