王東麗，高　磊

(撫順化工機(jī)械設(shè)備制造有限公司，遼寧 撫順　113122)

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制造與安裝

TA1-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)換熱器焊接要點(diǎn)

王東麗，高磊

(撫順化工機(jī)械設(shè)備制造有限公司，遼寧 撫順113122)

摘要：TA1常用于強(qiáng)腐蝕性環(huán)境的設(shè)備，其具有很高的化學(xué)活性，加熱時(shí)易吸收周圍的氧、氮、氫等雜質(zhì)，從而影響其性能。通過焊接工藝評(píng)定，選擇合適的焊接參數(shù)，制定合理的焊接工藝方案，以確保產(chǎn)品質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)使用要求。

關(guān)鍵詞：TA1;焊接;銀釬焊

0引言

2013年，某廠為一石化廠制造8臺(tái)脫前原油-初頂油氣換熱器，它是常減壓蒸餾裝置中的重要設(shè)備之一。首次將這8臺(tái)換熱器的螺旋折流板結(jié)構(gòu)與鈦制U形管束結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在保證傳熱效率的同時(shí)、使其殼程壓降降低20%，殼程膜傳熱系數(shù)提高20%，綜合傳熱能力提高10%。通過制定合理的焊接工藝及焊接措施，滿足產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)要求。

1產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)條件及結(jié)構(gòu)

1.1　產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)條件

產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)見表1，設(shè)備簡(jiǎn)圖見圖1。該設(shè)備運(yùn)行條件苛刻，管程介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)，所以管箱材料選用Q345R+TA1復(fù)合板，管板選用16Mn+TA1復(fù)合板，換熱管選用TA1。為了保證傳熱效率，殼程采用U形管螺旋折流板結(jié)構(gòu)。

表1　設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

圖1　脫前原油-初頂油氣換熱器簡(jiǎn)圖

1.2　制造難點(diǎn)

該產(chǎn)品制造難點(diǎn)主要體現(xiàn)在管箱鈦復(fù)合結(jié)構(gòu)焊接、換熱管與管板焊接等方面。管箱封頭和短節(jié)為Q345R+ TA1復(fù)合板，其他采用鈦襯里結(jié)構(gòu)，如圖2所示。管板材料為16Mn+TA1，換熱管為TA1，換熱管與管板接頭型式為角焊縫，如圖3所示。鈦在高溫時(shí)對(duì)氮、氫、氧具有較大的親和力，且易形成多種脆性相，從而在焊接接頭處引發(fā)氣孔、裂紋等缺陷[1]。此外，焊接接頭的晶粒長(zhǎng)大傾向嚴(yán)重，加劇了焊接接頭塑性，韌性急劇下降[2]。因此，設(shè)備制造有一定的難度。

圖2　管箱簡(jiǎn)圖

圖3　換熱管與管板接頭型式示意

2TA1焊接方法的確定及焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

2.1　TA1焊接的主要特點(diǎn)

(1)高溫時(shí)鈦具有較高活性。鈦對(duì)氧和氮的親和力大大超過鐵對(duì)這些元素的親和力，氮和氧在相當(dāng)寬的濃度范圍內(nèi)與鈦形成間隙固溶體。這些元素強(qiáng)烈地降低鈦的塑性，并提高其硬度，鈦和氫也有極強(qiáng)的親和力，鈦吸收氫以后形成氫化鈦，通常沿孿晶線和滑移面析出，從而增加了金屬中的氫含量，使韌性急劇下降，增大了形成冷裂紋和延遲裂紋的傾向，并增加對(duì)缺口的敏感性。這些元素間隙雜質(zhì)在特殊情況下還能引起焊縫脆性斷裂[3]。

(2)焊件清理。保證焊件表面的清潔性是成功焊接工業(yè)純鈦的一個(gè)重要要求。焊接表面的污染物質(zhì)主要是表面氧化皮和引起脆化的元素。表面氧化皮的熔點(diǎn)比母材高得多，常?？赡苄纬蓨A渣或細(xì)小的不連續(xù)的氧化物[4]。

(3)焊接接頭冷卻時(shí)形成脆性相。根據(jù)合金化元素含量和熱處理規(guī)范的不同，鈦能形成亞穩(wěn)定相。由于這些相能顯著地改變近縫區(qū)的金屬的性能[5]，因此，選擇避免在近縫區(qū)的最終組織中產(chǎn)生脆性和不穩(wěn)定相的焊接規(guī)范是焊接鈦合金的重要前提。高強(qiáng)度的鈦合金的焊接，在焊接熱循環(huán)作用下相和組織轉(zhuǎn)變的特征，常常導(dǎo)致焊縫金屬的脆化。

綜合TA1上述特點(diǎn)及最大程度地滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)使用要求，在換熱管與管板焊接及管箱TA1的焊接時(shí)選用自動(dòng)/手工氬弧焊，管箱密封板TA1與法蘭16Mn焊接采用銀釬焊。正式施焊前分別進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，要滿足NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[6]、GB 151—1999《管殼式換熱器》[7]、JB/T 4745—2002《鈦制焊接容器》[8]等相關(guān)要求。

2.2　TA1焊接

2.2.1母材及焊材

TA1為工業(yè)純鈦的一種，在海水及大多數(shù)酸、堿、鹽介質(zhì)中具有優(yōu)良的抗腐蝕性能。管箱材料為Q345R+TA1，就是為了在滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上還滿足管程出口介質(zhì)強(qiáng)腐蝕性能。焊材為氬弧焊ERTA1ELIφ2.4 mm焊絲。

2.2.2施焊工藝及焊接

試板母材厚度10 mm，坡口如圖4所示，焊接采用手工氬弧焊，水平施焊，嚴(yán)格遵守鈦焊接注意事項(xiàng)，即焊接時(shí)應(yīng)采用合適形狀的保護(hù)罩保護(hù)焊縫，適當(dāng)?shù)臍怏w保護(hù)流量、小電流快速焊的方法，既要避免粗大組織的形成，又要使溫度高于形成焊縫所需的溫度，焊前不預(yù)熱，層間溫度<100 ℃，焊接參數(shù)見表2。

圖4　焊接坡口示意

焊道/焊層焊接方法填充金屬焊接電流牌號(hào)直徑/mm極性電流/A電弧電壓/V焊接速度/cm·min-1氬氣流量/L·min-1正面背面1~2GTAWERTA1ELI?2.4DC-90~12011~13710153~5GTAWERTA1ELI?2.4DC-90~12011~1371015

2.2.3性能試驗(yàn)

(1)外觀檢測(cè)。

試樣焊縫表面絕大部分為銀白色，只有幾處為淺黃色或金黃色。

(2)無(wú)損檢測(cè)。

試樣經(jīng)100%RT射線檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

(3)拉伸試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果見表3，合格。

表3　試樣拉伸結(jié)果

(4)彎曲試驗(yàn)。

面彎(2個(gè)試樣)、背彎(2個(gè)試樣)，合格。

(5)金相檢驗(yàn)。

金相組織見圖5?？梢钥闯?，母材的組織均勻、規(guī)則、等軸狀的α相，具有良好的塑性，由母材過渡到熱影響區(qū)，晶粒開始劇烈長(zhǎng)大，形成明顯的分界線，組織形狀也發(fā)生了變化，熱影響區(qū)組織為鋸齒狀和板條狀α 相，焊縫的組織主要是鋸齒狀和針狀α 相。

(a)母材(b)熱影響區(qū)-母材

(c)　熱影響區(qū)

(d)　焊縫

(6)評(píng)定結(jié)果。

2.3　換熱管與管板焊接

2.3.1施焊工藝及參數(shù)

管板選用16Mn+TA1復(fù)合板，換熱管為TA1，規(guī)格為φ25 mm×2/1.65 mm，換熱管與管板焊接采用惰性鎢極自動(dòng)氬弧焊，ERTA1ELIφ1.0 mm焊絲，氬氣保護(hù)，水平固定焊接，焊前不預(yù)熱，層間溫度<100 ℃，焊接參數(shù)見表4。

表4　換熱管與管板焊接工藝評(píng)定焊接參數(shù)

2.3.2性能試驗(yàn)

(1)外觀檢測(cè)。

對(duì)管板表面顏色進(jìn)行檢驗(yàn)，絕大多數(shù)換熱管焊縫呈銀白色，少數(shù)換熱管焊縫呈淺黃色或金黃色。

(2)無(wú)損檢測(cè)。

試樣經(jīng)100%PT檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

用EC細(xì)網(wǎng)格0.125°×0.125°格點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)同一時(shí)次同一高度的實(shí)況和預(yù)報(bào)形勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)(采用8日20時(shí)500 hPa高度場(chǎng)和850 hPa風(fēng)場(chǎng),圖略),6日20時(shí)、7日08時(shí)、7日20時(shí)、8日08時(shí)起報(bào)的8日20時(shí)預(yù)報(bào)場(chǎng),500 hPa高度場(chǎng)均與實(shí)況場(chǎng)差異不大,850 hPa風(fēng)場(chǎng)在各時(shí)段起報(bào)的預(yù)報(bào)場(chǎng)偏東急流中偏北分量較實(shí)況來(lái)的大,從而造成8日20時(shí)—9日08時(shí)的累積降水量預(yù)報(bào)比實(shí)況小。EC細(xì)網(wǎng)格對(duì)9日08時(shí)的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)接近實(shí)況流場(chǎng),因此對(duì)9日08—20時(shí)的雨量預(yù)報(bào)與實(shí)況接近。從形勢(shì)場(chǎng)的預(yù)報(bào)可以看出,此次EC細(xì)網(wǎng)格就1601號(hào)臺(tái)風(fēng)“尼伯特”對(duì)蒼南的暴雨影響預(yù)報(bào)具有分析意義。

(3)焊縫厚度及金相檢測(cè)。

φ25 mm×2 mm換熱管焊縫厚度為2.6~2.8 mm，φ25 mm×1.65 mm換熱管焊縫厚度為2.4~2.7 mm；金相組織如圖6所示，可以看出，母材的組織均勻、規(guī)則、等軸狀的α 相，具有良好的塑性，由母材過渡到熱影響區(qū)，晶粒開始劇烈長(zhǎng)大，形成明顯的分界線，組織形狀也發(fā)生了變化，熱影響區(qū)組織為鋸齒狀和板條狀α 相，焊縫的組織主要是鋸齒狀和針狀α 相[9]。

(a)管板母材(b)換熱管母材

(c)　管板側(cè)熱影響區(qū)

(d)　管板側(cè)焊縫

(e)　換熱管側(cè)焊縫

(f)　換熱管側(cè)HAZ

(4)評(píng)定結(jié)果。

結(jié)合以上檢測(cè)表明，該焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果完全滿足NB/T 47014—2011附錄D和圖紙相關(guān)技術(shù)要求。

2.4　鈦的異種鋼焊接

2.4.1施焊工藝及參數(shù)

由于鈦材無(wú)法與鋼采用熔化焊焊接，所以鈦和鋼的異種鋼焊接采用銀釬焊的焊接方法[10]。根據(jù)接頭型式及圖紙要求的檢驗(yàn)方法制作兩種焊接試板，一種為T形接頭型式，驗(yàn)證預(yù)留6 mm間隙是否滿足焊接要求;另一種為整體密封型式，驗(yàn)證銀釬焊焊縫是否能滿足氣密性的強(qiáng)度要求。焊接方法采用手工氬弧焊，純銀焊絲，直徑φ1.6 mm；層間溫度≤100 ℃；水平焊接，焊前不預(yù)熱，焊接參數(shù)如表5所示。

表5　銀釬焊焊接參數(shù)

2.4.2性能試驗(yàn)

(1)外觀檢測(cè)。

試樣焊縫表面絕大部分為銀白色，只有幾處為淺黃色或金黃色。

(2)對(duì)釬焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行鐵污染的檢驗(yàn)。配制試驗(yàn)溶液:將7 g鐵氰化鉀、4.5 mL硝酸(濃度65%)溶解在214 mL蒸餾水中，配制成檢驗(yàn)溶液。將吸取溶液的試紙貼合在所需檢查表面，若有鐵污染時(shí)試紙會(huì)顯示藍(lán)色；經(jīng)試驗(yàn)無(wú)藍(lán)色，合格。

(3)按圖紙要求從檢漏孔通入0.4 MPa的壓縮空氣對(duì)所有釬焊焊縫進(jìn)行檢查，無(wú)泄漏，合格。

2.4.3評(píng)定結(jié)果

結(jié)合以上檢測(cè)表明，該評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果完全滿足圖紙相關(guān)技術(shù)要求。

3產(chǎn)品制造

3.1　殼體法蘭的焊接

產(chǎn)品殼體與法蘭的焊接結(jié)構(gòu)如圖7所示。法蘭密封面是由鈦密封板加工而成，鈦密封板與法蘭由鈦鉚釘連接，并在密封板的外圓處采用銀釬焊密封；殼體法蘭內(nèi)側(cè)的襯板與鈦墊板和密封板分別焊接，在法蘭襯板與殼體復(fù)層的焊縫上再蓋一塊鈦蓋板，保護(hù)原焊縫，并且采用鈦氬弧焊焊接，焊接時(shí)嚴(yán)格遵守鈦焊接注意事項(xiàng)及焊接工藝規(guī)程。焊接完成后進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)。

圖7　殼體與法蘭的結(jié)構(gòu)示意

3.2　接管法蘭的焊接

產(chǎn)品接管與法蘭及殼體的結(jié)構(gòu)如圖8所示。法蘭密封面是由鈦密封板加工而成，鈦密封板與法蘭由鈦鉚釘連接，并在密封板的外圓處采用銀釬焊密封；接管法蘭內(nèi)側(cè)的襯板與鈦蓋板和密封板分別焊接，焊接時(shí)嚴(yán)格遵守鈦焊接注意事項(xiàng)及焊接工藝規(guī)程。焊接完成后進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)。

3.3　制造過程保護(hù)

因該產(chǎn)品部分材料為TA1，制造現(xiàn)場(chǎng)要求清潔、無(wú)污染，所以在專用的清潔車間制造該產(chǎn)品，車間在使用前要進(jìn)行菲繞啉試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后方可使用，并在現(xiàn)場(chǎng)地面鋪設(shè)木板。下料、堆放、吊運(yùn)、加工制造等過程都不允許有鐵離子污染，材料下料后在材料表面要鋪設(shè)防護(hù)紙，工人操作必須戴手套。由于鈦焊接的位置不一樣，根據(jù)相應(yīng)的位置制作相應(yīng)的氬氣保護(hù)罩，在焊接過程中做到氬氣的完全保護(hù)；由于管頭結(jié)構(gòu)形式特殊，改裝了原有的管頭焊機(jī)，增加了拖尾保護(hù)，使管頭焊縫達(dá)到了良好的焊接質(zhì)量。

圖8　接管與法蘭的結(jié)構(gòu)示意

3.4　檢驗(yàn)

在每道TA1焊縫焊接前進(jìn)行鐵離子檢測(cè)，焊接完成后要進(jìn)行PT檢測(cè)，檢測(cè)合格后進(jìn)行下一步的焊接；在每個(gè)部件組對(duì)焊接完成后進(jìn)行氨滲漏檢測(cè)，檢測(cè)合格后再進(jìn)行水壓試驗(yàn)，以確保生產(chǎn)的產(chǎn)品合格。

4結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，鈦制造時(shí)注意保持車間清潔，焊接時(shí)母材表面清潔，焊接過程中注意焊縫保護(hù)，合理控制施焊線能量和層間溫度，結(jié)合其焊縫成型特點(diǎn)調(diào)整施焊工藝，可獲得較好的質(zhì)量，滿足設(shè)計(jì)及使用要求。

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Summary about Welding of TA1-steel Composite Structure

Heat Exchanger

WANG Dong-li，GAO Lei

(Fushun Chemical Equipment Manufacture Co.,Ltd.，F(xiàn)ushun 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

作者簡(jiǎn)介：王東麗(1984-)，女，工程師，主要從事壓力容器焊接方面的研究工作,

通信地址：113122遼寧省撫順經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)沈東四路59號(hào)撫順化工機(jī)械設(shè)備制造有限公司,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

中圖分類號(hào)：TH49;TQ142.3;TG441

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1001-4837(2015)12-0059-07