陳崇剛

(中國石化集團洛陽石油化工工程公司，河南洛陽 471003)

S32205雙相鋼換熱管拼接試驗研究

陳崇剛

(中國石化集團洛陽石油化工工程公司，河南洛陽 471003)

雙相鋼廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域腐蝕嚴(yán)重的部位，但焊接加工是影響其耐腐蝕性能的主要因素之一。該文介紹了用拼接法生產(chǎn)φ15 mm×1.5 mm，長38 m超長雙相鋼換熱管的拼焊工藝和熱處理工藝，并進行了相關(guān)的性能試驗和測試。經(jīng)化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、腐蝕試驗和鐵素體分析，證明上述拼接方法可行，所生產(chǎn)的超長換熱管已應(yīng)用于某加氫裂化裝置，從而為超長雙相鋼換熱管的生產(chǎn)開辟了一條新的途徑。

S32205雙相鋼 換熱管 拼接

1概述

雙相不銹鋼換熱管具有強度高和耐腐蝕性優(yōu)良的特點，尤其在氯化物介質(zhì)中抗應(yīng)力腐蝕、縫隙腐蝕和孔蝕的性能更加優(yōu)異，被廣泛用于化工、石化、電力和造紙等領(lǐng)域的換熱器中。S32205雙相鋼(以下簡稱S32205)是石化設(shè)備中應(yīng)用最多的一種雙相不銹鋼，其焊接加工是影響雙相鋼耐腐蝕性能的最主要因素之一。

某廠新建1.3 Mt/a高壓加氫裂化裝置中反應(yīng)流出物/低溫?zé)崴p繞管換熱器采用了SA789M中的S32205雙相不銹鋼無縫換熱管，根據(jù)換熱計算，需要換熱管長度為38 m。

雙相不銹鋼換熱管生產(chǎn)難度大，國內(nèi)外僅有少數(shù)企業(yè)能夠生產(chǎn)，目前國際上雙相不銹鋼無縫管一次成型長度最長為27 m，國產(chǎn)的最長只能生產(chǎn)22～25 m。如果不能獲得超長雙相鋼管，只能將該臺設(shè)備拆分為兩臺，將大大增加配管和設(shè)備投資，也延長設(shè)備的交貨期。

在此情況下，制造廠提出采用將S32205換熱管進行拼接的方案，即將兩根合格的φ15 mm×1.5 mm無縫換熱管，采用接頭形式進行對接焊接。而過去雙相鋼高壓換熱管都是采用整根換熱管，拼接后的各項性能，特別是拼接后接頭的耐腐蝕性能是否能滿足技術(shù)條件的要求，受到設(shè)計、用戶和制造各方的關(guān)注，為此進行了專門的拼接試驗。

該臺反應(yīng)流出物/低溫?zé)崴p繞管換熱器設(shè)計條件見表1。

表1 換熱器設(shè)計條件

2 換熱管拼接技術(shù)要求

換熱管材質(zhì)為 S32205，規(guī)格為 φ15 mm×1.5 mm，每根換熱管只允許一個拼接接頭。結(jié)合換熱器操作條件，提出了以下?lián)Q熱管拼接試驗技術(shù)要求:

(1)對包括焊縫兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)的焊接接頭進行固溶熱處理;

(2)對拼接試驗管子的焊接接頭進行100%射線檢測;

(3)檢測焊縫和熱影響區(qū)的金相組織、化學(xué)成分;

(4)除對接頭進行拉伸、硬度等強度試驗以及彎曲、壓扁等工藝性能試驗外，還應(yīng)進行晶間腐蝕、點腐蝕試驗和抗硫化物應(yīng)力開裂試驗。

通過以上各項試驗來驗證S32205換熱管拼接焊縫及母材的使用性能是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件要求。換熱管拼接接頭見圖1。

圖1 換熱管拼接接頭

3 換熱管拼接工藝

采用小口徑全自動脈沖氬弧焊機，拼接焊接工藝采用氬氣純度為99.99%的保護氣，自動不填絲GTAW-P水平固定(5G)方法。評定按 JB4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》等規(guī)定進行。對于焊前的準(zhǔn)備也制定了詳細(xì)的規(guī)定，如:

(1)組對前應(yīng)對管口進行機加工，以保證管口端面必須平直，不得有毛刺等雜物，組焊前用丙酮擦凈，管端25 mm內(nèi)需露出金屬光澤。

(2)組焊前內(nèi)側(cè)充氬氣保護，充氬時將管內(nèi)空氣徹底置換，保證氬氣純度為99.99%，焊接時密切注意焊縫成形質(zhì)量。

(3)接頭組對按圖1，組對錯邊量應(yīng)嚴(yán)格控制，不得超過0.15 mm。制定的焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

采用上述工藝焊接的φ15 mm×1.5 mm換熱 管外觀和接頭剖面見圖2。

圖2 換熱管拼接焊縫接頭及剖面

4 試驗和檢驗

焊縫成型后外觀檢查未發(fā)現(xiàn)缺陷，將管子剖開后觀察接頭內(nèi)表面，焊縫成型良好，無缺陷。對拼接管焊接接頭按JB/T4730－2005《承壓設(shè)備無損檢測》進行100%RT檢測，結(jié)果為I級。

4.1 化學(xué)成分分析

由于管子壁薄、焊縫窄，難以通過取樣進行化學(xué)分析，只對無縫管和焊縫金屬分別用DV－4光譜分析儀和XLT898合金分析儀進行了成分檢測，結(jié)果見表3。從表3中可看出材料各主要元素含量都符合標(biāo)準(zhǔn)。說明管子拼接焊縫中合金元素基 本保持與母材一致。

表3 母材和焊縫金屬主要化學(xué)成分 w，%

4.2 力學(xué)性能測試

對拼接管的焊接接頭和母材分別取樣進行拉伸、彎曲和壓扁等試驗。

4.2.1 拉伸試驗

分別對母材管段和帶拼焊接頭的拼接管進行拉伸試驗，其強度和伸長率見表4。從表4中可以看出，焊接接頭的強度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 母材管段和焊接頭力學(xué)性能

4.2.2 硬度試驗

對管子焊接接頭進行硬度試驗，其檢測結(jié)果見表5。

表5 管子焊接接頭硬度檢測結(jié)果

從表5可以看出焊接接頭的硬度符合ASMESA789M對S32205無縫管的標(biāo)準(zhǔn)要求，總體上硬度稍低于無縫管母材的硬度，在有足夠強度保證的情況下，稍低的硬度有利于管子的繞制和使用中抗應(yīng)力腐蝕。

4.2.3 彎曲試驗

對管子焊接接頭剖管加工試樣后，進行彎芯直徑為6 mm，支座跨距為12 mm的180°的面彎曲、背彎曲試驗，結(jié)果受拉面完好，未出現(xiàn)任何開口性缺陷，說明管子拼焊接頭具有較好的塑性變形能力。具體試驗情況見表6。

表6 彎曲試驗情況

4.2.4 壓扁試驗

對管子母材段和焊縫段均取樣進行壓扁試驗。將試樣勻速壓至兩壓板距離h=5 mm后(SA-1016要求壓板距離h=8.6 mm)，試樣彎曲變形處未出現(xiàn)裂縫、裂口和焊縫開裂，表明管子拼焊接頭具有良好的塑性，結(jié)果為合格。

4.3 腐蝕試驗

4.3.1 晶間腐蝕試驗

按GB/T4334-2008方法E《不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法》對焊接試件進行晶間腐蝕試驗，彎曲法評定，兩試件評定面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，表明該試件無晶間腐蝕傾向。

4.3.2 耐點蝕性能試驗

耐點蝕性能試驗，按不銹鋼三氯化鐵法和ASTM-A923方法C進行。焊接試件-1和2質(zhì)量損失率分別為0.008967042 mg/cm2和0.021755305 mg/cm2，兩件試樣均未發(fā)現(xiàn)腐蝕或點蝕的情況。焊接接頭腐蝕率均未超出0.1 mg/cm2，試驗合格。

4.3.3 抗硫化物應(yīng)力開裂試驗

按NACE TM 0177-2005《金屬材料抗H2S環(huán)境硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕實驗室試驗》進行抗硫化物應(yīng)力開裂試驗，在應(yīng)力加載72%SMYS(SMYS規(guī)定的最小屈服強度)下，經(jīng)過720 h硫化氫飽和溶液浸泡試驗，試樣受拉面無裂紋?？沽蚧瘹鋺?yīng)力開裂試驗合格。

4.4 鐵素體分析

4.4.1 金相分析

對焊接接頭縱截面進行金相觀察，分別取焊縫、熱影響區(qū)和母材的金相照片見圖3～5。

從圖3中可看出，焊縫組織為奧氏體加鐵素體雙相組織，組織呈塊狀、片狀和個別松針狀，局部出現(xiàn)碳化物顆粒;組織分布不均勻，鐵素體平均體積分?jǐn)?shù)為38%左右。

從圖4中可看出，熱影響區(qū)組織為奧氏體加鐵素體雙相組織，局部出現(xiàn)碳化物顆粒;組織分布基本均勻，鐵素體平均體積分?jǐn)?shù)為39%左右。

從圖5中可看出母材組織為奧氏體加鐵素體雙相組織，局部出現(xiàn)碳化物顆粒;組織分布基本均勻，鐵素體平均體積分?jǐn)?shù)為41%左右。金相組織鐵素體符合35% ～65%的要求［1］。

圖3 拼接管焊縫500×

圖4 拼接管熱影響區(qū)500×

圖5 拼接管母材500×

4.4.2 鐵素體數(shù)檢測

采用MP30型磁性鐵素體測定儀對拼接焊縫進行鐵素體抽查，其鐵素體數(shù)(FN)見表7。從兩種方法鐵素體抽查情況來看，焊縫上鐵素體含量略有波動，但都在要求范圍35～65 FN之內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件要求。

表7 焊接頭鐵素體數(shù)抽查試驗情況

5 分析總結(jié)

經(jīng)對換熱管的拼焊接頭進行的X射線檢測、化學(xué)分析、硬度檢測、拉伸試驗、金相分析、接頭鐵素體數(shù)檢測、腐蝕試驗、彎曲和壓扁試驗，證明換熱管拼焊接頭主要合金成分、強度、硬度、塑性、工藝性、金相組織、鐵素體含量和耐腐蝕性能與母材部分相近并符合標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件要求，表明所制定的換熱管的拼焊工藝和熱處理工藝是合理可行的。同時，通過試驗發(fā)現(xiàn)，焊縫的合金成分，較之于原始母材有所降低，應(yīng)當(dāng)在訂購鋼管時，對鋼管的主要合金成分的最低含量予以規(guī)定，以滿足焊接后還能達到標(biāo)準(zhǔn)的最低要求。在實際換熱管拼焊時，制定相關(guān)規(guī)程，如鋼管表面制備及檢查、組對管口的壁厚、坡口和工裝等提出要求，特別是焊接參數(shù)、保護氣體和焊后的熱處理溫度、冷卻速度等，執(zhí)行中嚴(yán)格按規(guī)程操作，就能保證拼焊鋼管的各項性能滿足設(shè)計技術(shù)條件的要求。

6 結(jié)論

采用該文所述的拼焊工藝和熱處理工藝成功解決了φ15 mm×1.5 mm長38 m的超長S32205換熱管的生產(chǎn)難題，所生產(chǎn)的換熱管已應(yīng)用于某廠1.3 Mt/a加氫裂化裝置反應(yīng)流出物/低溫?zé)崴p繞管換熱器中，經(jīng)實際工業(yè)應(yīng)用考核，換熱器的各項性能達到設(shè)計的預(yù)期要求，拼接的換熱管經(jīng)受住了實際運行條件的檢驗，證明換熱管的拼焊工藝和熱處理工藝是完全合理可行的，生產(chǎn)出的拼接管質(zhì)量是滿足使用條件要求的，不失為一種解決超長換熱管生產(chǎn)的有效方法。

［1］API Technical Report 938-C First Edition.Use of Duplex Stainless Steels in the Oil Refining Industry［S］.2005.

Testing on Welding for Splice Joint of S32205 Duplex Steel Heat Exchanger Tubes

Chen Chonggang
Luoyang Petrochemical Engineering Corporation(Luoyang，Henan 471003)

Duplex steel is extensively applied in the corrosive locations in petroleum refining and petrochemical services.The welding is one of major factors affecting its corrosion resistance performance.Here described are the welding techniques for splice joint of super-long duplex steel heat exchanger tubes(φ15 mm ×1.5 mm，38 m long)and heat treatment process.The relative testing and analysis of welded tubes such as chemical analysis，mechanical performance testing，corrosion testing and ferrite analysis prove that the above splice joint method is feasible and practical.The super-long heat exchanger tubes of splice joint have been successfully applied in a commercial hydrocracking unit.This has provided a new means for the production of super-long duplex steel heat exchanger tubes.

S32205 duplex steel，heat exchange tube，splice joint

TG441.2

A

1007－015X(2011)03－0004－04

2011－03－ 02;

2011－05－08。

陳崇剛，1983年畢業(yè)于成都科技大學(xué)化工機械專業(yè)，一直從事煉油化工設(shè)備的設(shè)計研究工作，現(xiàn)為洛陽石油化工工程公司副總工程師。E－mail:chengcg.lpec@sinopec.com