陳海峰

(中核集團(tuán)西安核設(shè)備有限公司 設(shè)計(jì)部，陜西 西安710021)

0 前言

尿素類換熱器多在高溫高壓工況和強(qiáng)腐蝕性的甲銨液介質(zhì)中運(yùn)行，對(duì)設(shè)備制造過程的嚴(yán)格控制是設(shè)備制造的重點(diǎn)。本文以為某公司設(shè)計(jì)、制造的年產(chǎn)5萬噸尿素項(xiàng)目關(guān)鍵設(shè)備高壓甲銨預(yù)熱器為例，從制造過程中的控制進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

1 設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)(見表1)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

表1 設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖1 設(shè)備簡圖

表2 管箱基層焊接工藝參數(shù)

該設(shè)備是一臺(tái)U形管換熱器，設(shè)備簡圖如圖1所示。主要由管箱筒體、管板、殼程法蘭、U形換熱管、殼程筒體、橢圓封頭、分程隔板、折流板、接管等零部件組成。

管板與管、殼程法蘭連接方式的確定：常見的U形管換熱器管板的連接方式是管、殼程法蘭用緊固件連接，兩法蘭中間夾持管板，即GB151-1999圖18[1]中給出的a型連接方式,管、殼程法蘭可以直接按管殼換熱器常規(guī)計(jì)算方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。當(dāng)該設(shè)備管板連接形式采用a型連接時(shí)，GB151-1999中要求在管、殼程法蘭的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)壓力按管、殼程設(shè)計(jì)壓力較高者計(jì)，即殼程法蘭的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)壓力按22.6MPa。通過計(jì)算，殼程法蘭厚度達(dá)到400mm，重量達(dá)到2050kg，將使材料成本大大提高，制造加工難度加大，為設(shè)備安裝和拆卸檢修帶來不便。為解決上述問題，采用了管板分別與管、殼程法蘭單獨(dú)連接的方式(見圖1)。這樣不僅降低了殼程法蘭的厚度和重量(可直接選用標(biāo)準(zhǔn)容器法蘭，重量僅為250kg),而且管、殼程可以分別獨(dú)立安裝和拆卸檢修。

2 制造過程中的控制要點(diǎn)

該設(shè)備管程工況條件是高溫高壓，介質(zhì)強(qiáng)腐蝕性。在加工制造過程中，合理確定管箱熱處理時(shí)機(jī)和如何保證管箱基層焊縫滿足強(qiáng)度要求、管箱堆焊層滿足耐晶間腐蝕要求是整臺(tái)設(shè)備加工制造過程中的重點(diǎn)。

2.1 管箱焊接成型控制要點(diǎn)

管箱材料是碳鋼鍛件堆焊不銹鋼，合理的焊接坡口形式、焊接順序以及焊接工藝參數(shù)是保證焊縫強(qiáng)度及堆焊層耐蝕能力的關(guān)鍵。

在焊接成型過程中管箱采用管箱筒體基層(碳鋼)和管箱法蘭基層(碳鋼)對(duì)焊成型后，再進(jìn)行管箱內(nèi)表面進(jìn)行堆焊。由于筒體基層厚度達(dá)到90mm，焊接坡口采用雙面坡口。內(nèi)壁為小V型坡口，外壁為U型坡口。初步確定可以采用背面清根，埋弧自動(dòng)焊。但考慮到設(shè)備管程內(nèi)徑僅為800mm，施工人員從內(nèi)部進(jìn)行清根的操作空間較小，不利于完全清除掉焊渣等物。為方便施工和保證焊縫質(zhì)量，決定采用對(duì)根部先進(jìn)行鎢級(jí)氬弧焊打底，再順次進(jìn)行焊條電弧焊+埋弧自動(dòng)焊。在施焊過程中，為防止焊接接頭過熱，決定小的熱輸入量和薄面焊道，并采用多層多道焊接；控制每層線能量不大于3kJ/mm，同時(shí)嚴(yán)格控制層間溫度，以防止焊縫及熱影響區(qū)晶粒粗大，造成焊接接頭韌性下降。具體工藝參數(shù)見表6。焊縫內(nèi)表面與母材(基層)表面平齊，不保留焊縫余高，焊后立即進(jìn)行325℃±25℃/3h的消氫處理；焊縫要進(jìn)行100%RT，100%UT，100%MT 檢測。

管箱基層焊縫檢驗(yàn)合格后，管箱內(nèi)表面再進(jìn)行堆焊。為防止堆焊過程中，因基層表面溫度過低，堆焊面溫度迅速下降而引起 應(yīng)力集中，造成堆焊面出現(xiàn)裂紋或與基層脫開。決定采用管箱焊前預(yù)熱后，進(jìn)行堆焊。具體堆焊工藝參數(shù)見表7。堆焊順序?yàn)椋?1)清理干凈基層材料表面油、銹等污物，并進(jìn)T檢查；（2）采用25.22.2LMn[2]焊帶堆焊過渡層，過渡層厚度 3 mm；（3）過渡層堆焊完后進(jìn)行管箱消應(yīng)力熱處理后再對(duì)該焊縫進(jìn)行20%RT，100%MT檢測；（4）采用 25.22.2LMn 焊帶堆焊耐蝕層，耐蝕層厚度≥7mm；（5）堆焊后的堆焊層厚度≥10mm。在堆焊過程中，必須嚴(yán)格控制過渡層層間溫度在100℃-200℃，其它層道間溫度≤100℃。堆焊完畢后合格后，對(duì)整個(gè)堆焊層進(jìn)行100%UT，100%PT檢測。

2.2管箱熱處理時(shí)機(jī)的確定

管箱筒體焊后要進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。如果在管箱筒體內(nèi)表面過渡層和耐蝕層全部堆焊完后進(jìn)行熱處理，由于不銹鋼在400℃(管箱熱處理溫度在600℃左右)以上就會(huì)產(chǎn)生敏化，則反而加劇了堆焊層晶間腐蝕和σ相析出造成脆化，這恰恰違背了選取00Cr25Ni22Mo2N作為堆焊材料的初衷。如何既要進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理又要防止堆焊層的敏化，進(jìn)行熱處理的時(shí)機(jī)是關(guān)鍵。針對(duì)這一問題，制定了合理的熱處理工藝流程，由于堆焊層的過渡層和耐蝕層均為不銹鋼且為同種材料,不受熱處理再施焊的影響，所以堆焊層的耐蝕層在熱處理后再堆。這樣既消除了碳鋼焊后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力又避免了堆焊表面的敏化，保證了其耐蝕性能。

3 結(jié)語

尿素類高壓換熱器的工況條件苛刻，同設(shè)備中材料品種較多，對(duì)材料的制造加工成型質(zhì)量要求很高，因此合理制定制造加工工藝對(duì)保證設(shè)備制造質(zhì)量是至關(guān)重要的。

［1］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB151-1999國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.管殼式換熱器[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.

［2］ASMEⅡ卷 材料 C篇 焊條、焊絲及填充金屬[S].