滕 敏，楊鳳明，劉 宏

(哈爾濱空調(diào)股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078)

?

高壓空冷器碳鋼管板帶極堆焊Inconel625合金層性能

滕 敏，楊鳳明，劉 宏

(哈爾濱空調(diào)股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078)

采用帶極埋弧堆焊技術(shù)在Q345R(HIC)板材表面堆焊Inconel625鎳基高溫合金層。對(duì)堆焊層的力學(xué)性能、抗腐蝕性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：Inconel625堆焊合金層與基材焊接熔合質(zhì)量好，結(jié)合強(qiáng)度高；經(jīng)過(guò)消氫熱處理后，堆焊合金材料的抗腐蝕性能沒(méi)有降低。此項(xiàng)研究可保證高壓空冷器具有優(yōu)良抗腐蝕性能，同時(shí)大幅降低設(shè)備投資，為國(guó)內(nèi)新型加氫裂化裝置高壓空冷器研制提供了方法和經(jīng)驗(yàn)。

加氫裂化裝置 高壓空冷器 帶極堆焊 Inconel625

隨著國(guó)內(nèi)煉油廠加工高硫、高酸及高氮原料油越來(lái)越多和環(huán)境保護(hù)對(duì)油品質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)格，加氫裂化等油品深加工裝置的規(guī)模和數(shù)量在國(guó)內(nèi)石油化工企業(yè)中都有了很大發(fā)展。熱高分氣空氣冷卻器(以下簡(jiǎn)稱空冷器)作為加氫裂化裝置中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備之一，常常在裝置生產(chǎn)過(guò)程中因腐蝕而泄漏，影響裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-4]。

碳鋼材質(zhì)空冷器投資少，但耐腐蝕性差，裝置服役周期短且安全性低。Incoloy825合金材質(zhì)空冷器耐腐蝕性能優(yōu)異[5-6]，但其價(jià)格昂貴，裝置制造成本巨大，同時(shí)其加工制造難度也較大，這些因素限制了Incoloy825合金在加氫裂化空冷器上的使用和推廣。因此，在不大幅增加制造成本的前提下，如何提高高壓空冷器安全性，延長(zhǎng)裝置服役周期是加氫裂化裝置空冷器制造技術(shù)研究的新方向[7]。

在碳鋼管板表面堆焊一層鎳基高溫合金，與Incoloy825合金換熱管焊接配合，可極大提高空冷器管板接頭的抗腐蝕性能。由于管箱的絲堵板、蓋板、堵板及加強(qiáng)板等部件依然采用碳鋼材質(zhì)，空冷器的制造成本并沒(méi)有大幅增加。

帶極堆焊技術(shù)常用在石油化工行業(yè)加氫反應(yīng)器、合成塔、煤液化反應(yīng)器及核電站的厚壁壓力容器等設(shè)備內(nèi)表面堆焊[8-9]，在高壓空冷器管板上采用大面積自動(dòng)堆焊技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚無(wú)報(bào)道，需要進(jìn)行大量試驗(yàn)探索工作，為新型加氫裂化裝置空冷器研制提供技術(shù)支撐。

1 高壓空冷器簡(jiǎn)介

1.1 主要參數(shù)及材質(zhì)

空冷器設(shè)計(jì)壓力為17.5 MPa，操作壓力為15.9 MPa；設(shè)計(jì)溫度275 ℃，操作溫度(進(jìn)口/出口)137 ℃/50 ℃；介質(zhì)為高熱分氣(含油氣、H2，H2S和H2O)。

管箱材料為Q345R(HIC)板材；換熱管材質(zhì)為UNS N08825；管板為Q345R(HIC)帶極堆焊Inconel625高溫合金。

1.2 管板堆焊層尺寸

根據(jù)管箱圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，管板尺寸為2 700 mm×226 mm×54 mm，管板堆焊層共兩層兩道，尺寸為寬116 mm，厚度7 mm。

2 管板帶極堆焊工藝

2.1 焊接設(shè)備與焊材

為保證項(xiàng)目順利實(shí)施，避免焊接設(shè)備不穩(wěn)定影響焊接質(zhì)量，專門購(gòu)置了國(guó)際上領(lǐng)先的堆焊設(shè)備：進(jìn)口原裝林肯焊接電源，進(jìn)口原裝蘇德凱焊接機(jī)頭。

焊材質(zhì)量?jī)?yōu)良、匹配恰當(dāng)是保證堆焊層質(zhì)量和性能的前提。堆焊使用的焊帶與焊劑均為Soudokay公司所生產(chǎn)，焊帶為SOUDOTAPE625(EQNiCrMo-3)，規(guī)格為0.5 mm×60 mm，焊劑代號(hào)為NEF 201。以上選用的焊材均滿足ASME相關(guān)規(guī)范要求。表1與表2分別為焊帶與焊劑的化學(xué)成分。

表1 焊帶化學(xué)成分 w,%

表2 焊劑化學(xué)成分 w,%

2.2 堆焊工藝參數(shù)

在產(chǎn)品正式堆焊之前，先用試板進(jìn)行帶極堆焊試驗(yàn)及評(píng)定，試板模擬產(chǎn)品進(jìn)行焊后熱處理，然后進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)和腐蝕試驗(yàn)。

埋弧方法堆焊鎳基高溫合金工藝相關(guān)研究報(bào)道較少[10]，在進(jìn)行了大量堆焊試驗(yàn)及堆焊層性能檢測(cè)的情況下，通過(guò)對(duì)焊接電流、電壓及堆焊速度等堆焊工藝參數(shù)比對(duì)優(yōu)化，最終得出了一組最佳工藝參數(shù)，制造出了合格的堆焊管板。表3為帶極堆焊Inconel625的工藝參數(shù)。

表3 Inconel625合金帶極堆焊工藝參數(shù)

2.3 試板堆焊

圖1為厚度30 mm的Q345R(HIC)鋼板表面帶極堆焊厚度6 mm的Inconel625試板。圖2為Inconel625合金堆焊層(兩層兩道)。由圖2可以看出，堆焊層成形良好，厚度均勻,表面平整、光滑，兩相鄰焊道之間的凹下量不大于1 mm。

圖1 試板帶極堆焊

圖2 Inconel625合金堆焊層

3 堆焊層試驗(yàn)評(píng)定

合金堆焊層質(zhì)量好壞直接影響到產(chǎn)品在實(shí)際工作環(huán)境中的性能及合金堆焊層與基體金屬的結(jié)合強(qiáng)度。合金堆焊層的抗腐蝕性能是決定產(chǎn)品整體性能的重要指標(biāo)。

試板堆焊完成后，按照相關(guān)技術(shù)要求，選取試樣進(jìn)行了堆焊層力學(xué)性能、抗腐蝕性能等試驗(yàn)。

3.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

試板堆焊后取樣，進(jìn)行了橫向、縱向側(cè)彎試驗(yàn)。取厚度10 mm試樣和厚度3 mm試樣各4件,彎曲后試樣照片見(jiàn)圖3。由圖3可知，彎曲角度達(dá)到180°，所有試樣堆焊層和熔合線上均未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂，可見(jiàn)堆焊層金屬與基材融合良好，結(jié)合牢固。

同時(shí)，對(duì)堆焊層表層、第一層堆焊層、基層母材和堆焊層側(cè)面分別進(jìn)行硬度檢驗(yàn)。表4為材料表面硬度測(cè)試結(jié)果，其硬度全部符合技術(shù)條件要求。

圖3 彎曲試驗(yàn)后試樣

試驗(yàn)位置硬度值/HV測(cè)點(diǎn)1測(cè)點(diǎn)2表層216227第一層206201基層168168堆焊層側(cè)面1219227堆焊層側(cè)面2219233

3.2 化學(xué)成分分析及金相試驗(yàn)

按照GB/T 223《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》對(duì)堆焊試樣進(jìn)行了化學(xué)分析，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可以看出，堆焊層化學(xué)成分滿足相關(guān)技術(shù)條件要求。金相分析結(jié)果顯示，堆焊層未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、夾雜及弧坑等缺陷。圖4為金相試樣橫截面宏觀照片。由圖4可知，堆焊層與基材熔合情況良好，堆焊層厚度均勻。

表5 試樣化學(xué)分析結(jié)果 w,%

圖4 金相試樣橫截面

3.3 堆焊層腐蝕試驗(yàn)

合金堆焊過(guò)程相當(dāng)于金屬重熔，合金中的鎳與雜質(zhì)元素易形成低熔點(diǎn)共晶物，此外熔融金屬的黏度比較大，在焊接過(guò)程中容易形成未熔合等焊接缺陷，這些都會(huì)對(duì)合金堆焊層的抗腐蝕性能造成不利影響。同時(shí)，加氫裂化裝置空冷器所接觸的介質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)，因此， Inconel625堆焊層的抗腐蝕性能是生產(chǎn)實(shí)際中關(guān)注的重點(diǎn)。

按照YB/T 5362—2006《不銹鋼在沸騰氯化鎂溶液中應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法》進(jìn)行了氯化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。將堆焊層表面磨平、取樣，試樣尺寸為2 mm×3 mm×30 mm。試樣加載應(yīng)力243 MPa，經(jīng)96 h應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，檢查試樣均未發(fā)現(xiàn)裂紋，試樣耐應(yīng)力腐蝕性能合格。

按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM A262 C法對(duì)兩組試樣進(jìn)行了5個(gè)周期晶間腐蝕試驗(yàn)。結(jié)果表明，試樣平均腐蝕速率分別為0.051 mm/月和0.054 mm/月，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相關(guān)技術(shù)條件要求的腐蝕速率值(0.075 mm/月),可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

4 產(chǎn)品管板帶極堆焊

經(jīng)過(guò)試板堆焊試驗(yàn)并檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行產(chǎn)品管板堆焊。產(chǎn)品管板Inconel625合金堆焊層為兩層兩道，厚度約6 mm,寬度約116 mm，見(jiàn)圖5。

圖5 產(chǎn)品管板堆焊層

管板堆焊的主要流程為：管板焊前清理(噴砂)、管板劃線、焊前預(yù)熱、堆焊第一層、焊后消氫處理、堆焊第二層、焊后熱處理、按圖加工堆焊層和無(wú)損探傷等。

圖6是經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后的合金堆焊層照片，堆焊層按照國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行100%超聲檢測(cè)合格，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。堆焊后管板的外形尺寸、平整度及堆焊層厚度均滿足產(chǎn)品要求。

圖6 機(jī)械加工后產(chǎn)品管板堆焊層

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)優(yōu)化焊接工藝，首次在高壓空冷器碳鋼管板上實(shí)現(xiàn)大面積帶極埋弧堆焊技術(shù)，成功堆焊Inconel625鎳基高溫合金層。

(2)堆焊合金層表面光滑平整，厚度均勻；與基材結(jié)合強(qiáng)度高;其抗腐蝕性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)堆焊Inconel625鎳基高溫合金的碳鋼管板能夠滿足實(shí)際產(chǎn)品的制造要求，為國(guó)內(nèi)新型加氫裂化裝置高壓空冷器制造提供了方法和經(jīng)驗(yàn)。

[1] 郭其新，莫少明，卞玉峰，等.重油加氫裝置高壓空冷器管束的腐蝕與防護(hù)[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2002,19(6):14-16.

[2] 章炳華，陳江，譚金龍.加氫裂化高壓空冷器腐蝕分析與防護(hù)[J].揚(yáng)子石油化工，2007,22(1)：9-11.

[3] 吳麗娜，靳鈞.加氫裂化裝置高壓空冷器的腐蝕及防護(hù)[J].石油煉制與化工，2007,38(2):69-70.

[4] 孫毅，張小莉，董建偉.加氫裂化高壓空冷器的防腐分析與措施[J].石油煉制與化工，2009,40(6):65-69.

[5] 馮勇，羅春東.Incoloy825材料在加氫裂化裝置高壓空冷器上的應(yīng)用[J].煉油技術(shù)與工程,2006,36(5):24-26.

[6] 李春蘭，王增新，陸建英,等.Incoloy825材質(zhì)高壓空冷器制造[J].石油化工設(shè)備，2010,39(1):60-63.

[7] 李春蘭.管板堆焊Inconel625合金材料高壓空冷器研制[J].化工機(jī)械，2013,40(5):672-675.

[8] 李雙燕.核電設(shè)備中鎳基合金帶極電渣堆焊[J].壓力容器，2011,28(3):33-37.

[9] 羅成.核電蒸汽發(fā)生器管板鎳基合金雙熱絲鎢極氬弧焊堆焊技術(shù)[J].壓力容器，2012,29(7):61-65.

[10]王莉，徐祥久，王舒?zhèn)ィ?AP1000非能動(dòng)余熱排出熱交換器管板堆焊技術(shù)[J].壓力容器，2016,33(1):74-78.

(編輯 王維宗)

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—)，高級(jí)工程師，主要從事石化空冷器制造工藝工作。E-mail:smart_teng@126.com