高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺制造技术

本发明专利技术提供一种高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，包括管板堆焊及管板与换热管的焊接两大步骤；管板包括管板基层及管板复层,管板基层厚度为64mm材料为16MnⅢ，管板复层为4mm的S11972，在整个锻件上粗车外圆直径预留10mm加工量，在管板复层车密封面至待堆焊表面、刨隔板槽至待堆焊表面；然后，在待堆焊表面上堆焊镍基合金ENiCrMo‑3，换热管采用S11972材料；管板与换热管焊接时，焊接接头连接形式为强度焊加贴胀，分两层焊接，第一遍自熔，第二层添加焊丝；本发明专利技术的有益效果：本发明专利技术制定了可行的高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺并成功的进行了管板堆焊、管板与换热管焊接，解决了焊接过程中、热裂纹、晶间腐蚀、复层损伤等缺陷，焊接后产品的质量好。

【技术实现步骤摘要】
高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺
本专利技术涉及焊接领域，尤其涉及高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺。
技术介绍
热换热器是石化装置主要静设备，有相当部分采用装置循环水作为热交换介质，海水淡化是循环水的重要来源，其中氯离子浓度长期处于300ppm以上区间，致使换热管与管板焊接接头及换热管出现氯离子点蚀和应力腐蚀，影响了换热设备的使用寿命，严重影响装置的平稳运行和效益。某石化公司炼油装置中有大量设备处于类似工况，面临着恶劣的循环水质环境。通过研究铁素体不锈钢具有很好的耐腐蚀性，因此该石化公司决定进行对该类设备进行材料升级试验。目前市面上有专门用于管式换热器用的铁素体不锈钢，例如：中国专利CN1341843A公开了一种耐海水腐蚀的铁素体不锈钢换热器，换热器管束所用的换热管采用铁素体不锈钢0Cr19Mo2TiRE管材制作。加入稀土可有效改善焊缝性能，但工业生产条件下不锈钢中添加稀土一直存在结晶器水口结瘤，收得率难于控制、稀土分布不均匀等问题。中国专利CN1367368A公开了一种铁素体不锈钢换热器，其用铁素体不锈钢RT360，即OCr13Ti(或Nb)RE的无缝钢管制造换热器管束的换热管3-2，焊接材料用超低碳奥氏体不锈钢焊丝308L(H00Cr20Ni10)或H00Cr18Ni12Mo2，氩弧焊焊接。该铁素体不锈钢含铬量仅为13％，不适用于存在氯离子条件下工作的凝汽器。中国专利CN1702186A公开了一种超低碳铁素体不锈钢制造的换热器、空冷器，应用于石油、化工、冶金、电力等领域，抗硫化氢及氯离子应力腐蚀的铁素体不锈钢，具体的是00Cr13Al。该铁素体不锈钢含铬量低，同样不适用于存在氯离子条件下工作的凝汽器。中国专利201410290317.3公开了一种管式换热器用铁素体不锈钢及其制造方法，其调整了铁素体不锈钢中Cr和Mo的含量，进而控制点蚀当量PRE，从而使所述铁素体不锈钢的耐腐蚀能力与奥氏体不锈钢316L相当，但还是有冷热裂纹倾向和接头脆化、晶间腐蚀现象。通过研究，S11972为高纯铁素体钢，该钢种在含有Cl-的水介质中耐应力腐蚀和点腐蚀的性能优良，其耐腐蚀性能优于304、316L，其C、N含量很低，其较好的塑性、韧性和可焊性。适合工况需要，并且与常规奥氏体不锈钢相比具有一定的经济性。S11972钢的化学成分(％)如下：C≤0.025，Si≤1.00，Mn≤1.00，P≤0.030，S≤0.020，Cr：17.50～19.50，Mo：1.75～2.50，Ti(或Nb)：0.20+4(C+N)～0.80，N≤0.030；S11972钢的力学性能如下：规定塑性延伸强度≤275/MPa，抗拉强度≤415/MPa，延伸率≤20％，硬度≤220HV；S11972在室温下具有纯铁素体组织，强度不高，塑性、韧性良好。该类材料在高温下基本不出现马氏体组织，在焊接铁素体不锈钢时淬硬性小；其焊接热膨胀系数与碳钢相近，比奥氏体不锈钢小，S、P等杂质在铁素体中溶解度大，Nb、Ti等是铁素体形成元素，焊缝结晶时不易形成低熔点共晶，热裂纹倾向比奥氏体不锈钢小得多。因此解决了下述问题：1)接头脆化：铁素体不锈钢在焊后冷却过程中不会出现奥氏体向马氏体转变的淬硬现象，但焊接热所形成的热影响区近缝带在高温下铁素体晶粒粗大，C、N化合物的析出，明显降低了接头的韧性，并且不能用热处理方法改善。由于冶炼技术提高，高纯铁素体中C、N含量得到了控制，因此很大程度上消除了C、N化合物，极大改善了焊接性。2)晶间腐蚀：由于C、N在铁素体不锈钢中溶解度很低，在950℃高温迅速析出，因此，同质焊缝和热影响区在焊后冷却过程中就会析出化合物，引起脆化还引起晶界贫铬和提高晶间腐蚀敏感性，在强氧化介质中发生晶间腐蚀。因此，试验设备主体材料选用S11972。该类材料在石化行业内没有使用先例，对该材料的焊接性能认识不充分，结构制造无相关经验，并且上述专利都只是披露了换热器的材料，未披露焊接的过程。在此之前我公司申请了几项关于换热器的焊接工艺，包括：申请号为201110038817.4，该专利披露了一种换热器管板与换热管焊接接头的焊接方法，具体披露的为管板与换热管焊接时的焊接路线，该专利适用于普通材质的焊接，能避免间隙腐蚀现象，但我们本次采用的是S11972材料，该方法并不适用本次焊接，采用传统的焊接参数不预热的情况下配合该焊接路线可能会出现晶间腐蚀倾向，这是由于如果不预热，S11972材料中的铬不能向贫铬区扩散并消除晶界贫铬，接头耐腐蚀性能差，晶间腐蚀现象严重；上述焊接过程也比较繁琐；我们还申请了关于超级铁素体换热管与管板之间便于焊接的结构，专利号为201720056830.5，该专利披露的为焊接孔外边缘设有环形槽，通过改变了其结构，使得换热管与管板便于焊接，但其未披露解决焊接过程中的晶间腐蚀、热裂纹缺陷、表面缺陷等问题的方法，采用的也不是S11972材料。换热器的焊接包括两个方面，一是管板堆焊，另一个是管板与换热管的焊接，采用传统的方式焊接，因为焊接过程不够严谨，并且由于温度及方法的的不适宜，导致堆焊表面出现裂纹、密封面有气孔、夹渣、复层损伤等缺陷，严重影响了换热器的使用寿命，且如果材料把控不好不但会造成材料浪费、造价高，且会增加后期制造难度，影响焊接效果，因此需要研制出一种即能满足石化公司炼油装置的要求，也能达到经济性、适用性、可靠性目的高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术制定了可行的高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，成功进行了管板堆焊、管板与换热管焊接，解决了焊接过程中的焊接制造难题，为类似产品的制造推广奠定了基础。高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺其制作流程分为如下四步，分别为焊前检验----管板堆焊----管板与换热管的焊前组装----管板与换热管的焊接；具体流程如下：第一步，是焊接前对原材料进行检验，检验步骤分为2个方面，分别为：a.换热管检验：换热管入厂后，进行了力学性能、化学成分、硬度、晶间腐蚀、点蚀试验等项目的检查，各项检验合格后方可开展下一步。b.管板原材料检验：管板入厂后进行了复层化学成分、晶间腐蚀、点蚀试验，基层力学检验，各项检验合格后方可开展下一步。第二步，是进行管板堆焊，管板堆焊工艺具体步骤如下：首先是管板原材料的准备，具体的管板的结构为：管板包括管板基层及管板复层，所述管板基层的材料为16MnⅢ，厚度为64mm，所述管板的一面设有所述管板复层，所述管板复层材料为S11972，厚度为4mm，在整个锻件上粗车外圆直径预留10mm加工量，从管板的所述管板复层面车密封面至待堆焊表面，从管板的所述管板复层面刨隔板槽至待堆焊表面；然后对待堆焊表面进行堆焊，具体的堆焊工艺如下：首先进行待堆焊面清理并进行磁粉检测，检验合格后进行下一步；然后在所述密封面和所述隔板槽上堆焊镍基合金ENiCrMo-3，使得所述密封面和所述隔板槽低于复层表面4mm；堆焊镍基合金ENiCrMo-3的具体参数如下：焊接材料为ENiCrMo-3φ3.2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，其特征在于：包括管板堆焊及管板与换热管的焊接两大步骤；/n第一步：管板堆焊工艺具体步骤如下：/n首先是管板原材料的准备，具体为：管板的结构为：管板包括管板基层及管板复层，所述管板基层的材料为16MnⅢ，厚度为64mm，所述管板基层的一面设有管板复层，所述管板复层材料为S11972，厚度为4mm，在整个锻件上粗车外圆直径预留10mm加工量，在所述管板复层面车密封面至待堆焊表面，在所述管板复层面刨隔板槽至待堆焊表面,然后在所述管板复层一侧的待堆焊表面进行堆焊，具体的堆焊工艺如下：/n在所述密封面和所述隔板槽上堆焊镍基合金ENiCrMo-3，使得所述密封面和所述隔板槽低于所述管板复层表面4mm；堆焊镍基合金ENiCrMo-3的具体参数如下：焊接材料为ENiCrMo-3φ3.2，堆焊镍基合金厚度为4-6mm，分3-4层堆焊，堆焊第一层前先对管板进行预热，预热温度在80-100℃之间，其他层不预热；焊接时的焊接电流为130-150A，焊接速度为150-200mm/min；焊接方式采用均匀对称焊接；电流极性为DCEP，焊接电压为21-22V，焊接线能量为17.6KJ/cm；堆焊过程中保证层间温度在20℃-150℃之间；4层的堆焊参数一致；/n第二步：管板与换热管的焊接工艺具体步骤如下：/n首先是换热管原材料的选择，换热管采用S11972材料；焊接接头连接形式采用强度焊加贴胀；/n然后是管板与换热管的焊接，其焊接工艺如下：/n第一，焊接第一层前先进行焊前预热，保证施焊温度在50-100℃之间；然后进行管板与换热管的焊接，本管板与换热管的焊接分两层焊接，第一层采用氩弧焊不加丝自熔焊接，焊接的参数为：焊接材料：无，电流极性为DCEN，焊接电流为90-95A，焊接电压为17-18V，焊接速度为6cm/min，保护气体及流量为Ar10-12L/min，层间温度为30℃；第一个接头焊接完成后，从第一个接头转移到下一个接头直至所有的接头都焊接完成；从一个接头不熄弧转移到下一个接头时移动速度小于2mm/s，焊接收弧时在管板表面上收弧，再打磨收弧位置，然后进行管束旋转90°，再进行第二层的焊接；焊接第二层时填加焊丝氩弧焊焊接，焊接材料为ERNiCr-3φ2.0，焊接参数为：电流极性为DCEN，焊接电流为95-100A，焊接电压为17-18V，焊接速度为5cm/min，保护气体及流量为Ar10-12L/min，层间温度为120℃，第一个接头焊接完成后，从第一个接头转移到下一个接头直至所有的接头都焊接完成；从一个接头不熄弧转移到下一个接头时移动速度小于2mm/s，焊接收弧时在管板表面上收弧，再打磨收弧位置。/n...

【技术特征摘要】
1.高纯铁素体不锈钢换热器的焊接工艺，其特征在于：包括管板堆焊及管板与换热管的焊接两大步骤；
第一步：管板堆焊工艺具体步骤如下：
首先是管板原材料的准备，具体为：管板的结构为：管板包括管板基层及管板复层，所述管板基层的材料为16MnⅢ，厚度为64mm，所述管板基层的一面设有管板复层，所述管板复层材料为S11972，厚度为4mm，在整个锻件上粗车外圆直径预留10mm加工量，在所述管板复层面车密封面至待堆焊表面，在所述管板复层面刨隔板槽至待堆焊表面,然后在所述管板复层一侧的待堆焊表面进行堆焊，具体的堆焊工艺如下：
在所述密封面和所述隔板槽上堆焊镍基合金ENiCrMo-3，使得所述密封面和所述隔板槽低于所述管板复层表面4mm；堆焊镍基合金ENiCrMo-3的具体参数如下：焊接材料为ENiCrMo-3φ3.2，堆焊镍基合金厚度为4-6mm，分3-4层堆焊，堆焊第一层前先对管板进行预热，预热温度在80-100℃之间，其他层不预热；焊接时的焊接电流为130-150A，焊接速度为150-200mm/min；焊接方式采用均匀对称焊接；电流极性为DCEP，焊接电压为21-22V，焊接线能量为17.6KJ/cm；堆焊过程中保证层间温度在20℃-150℃之间；4层的堆焊参数一致；
第二步：管板与换热管的焊接工艺具体步骤如下：
首先是换热管原材料的选择，换热管采用S11972材料；焊接接头连接形式采用强度焊加贴胀；
然后是管板与换热管的焊接，其焊接工艺如下：
第一，焊接第一层前先进行焊前预热，保证施焊温度在50-100℃之间；然后进行管板与换热管的焊接，本管板与换热管的焊接分两层焊接，第一层采用氩弧焊不加丝自熔焊接，焊接的参数为：焊接材料：无，电流极性为DCEN，焊接电流为90-95A，焊接电压为17-18V，焊接速度为6cm/min，保护气体及流量为Ar10-12L/min，层间温度为30℃；第一个接头焊接完成后，从第一个接头转移到下一个接头直至所有的接头都焊接完成；从一个接头不熄弧转移到下一个接头时移动速度小于2mm/s，焊接收弧时在管板表面上收弧，再打磨收弧位置，然后进行管束旋转90°，再进行第二层的焊接；焊接第二层时填加焊丝氩弧焊焊接，焊接材料为ERNiCr-3φ2.0，焊接参数为：电流极性为DCEN，焊接电流为95-100A，焊接电压为17-18V，焊接速度为5cm/min，保护气体及流量为Ar10-12L/min，层间温度为120℃，第一个接头焊接完成后，从第一个接头转移到下一个接头直至所有的接头都焊接完成；从一个接头不熄弧转移到下一个接头时移动速度小于2mm/s，焊接收弧时在管板表面上收弧，再打磨收弧位...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛仲凯，王建松，
申请(专利权)人：天津津滨石化设备有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12