SA387Gr22CL2钢制甲烷化炉进出口换热器的制造
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3.2 回火参数的确定
焊后热处理对SA387Gr22CL2钢焊接接头至 关重要，既可降低接头的硬度，消除焊接残余 应力，又可获得较好的韧性。据有关资料表明， SA387Gr22CL2钢回火参数[P]值在20.00～20.65之 间时，焊缝金属冲击功达到最高值。根据该钢推 荐的热处理温度，我们通过回火参数[P]值计算公 式（P=T(20+logt)×10-3，式中T为绝对温度，K；t 为保温时间，h）分别计算出在不同热处理温度、 不同保温时间下的P值。最终确定该钢的最小程 度热处理为690+14 ℃×6+0.5 h，最大程度热处理为 690-14 ℃×28-0.3h。
- 12 -
论文广场
石油与化工设备 2010年第13卷
论文广场
SA387Gr22CL2钢制甲烷化炉进出口换热器的制造
胡林，王建明，王娟
（四川川润股份有限公司， 四川 自贡 643000）
[摘 要] 介绍了SA387Gr22CL2钢制甲烷化炉进出口换热器制造中材料技术指标、复验、焊接工艺控制及检验。通过选取适 当的焊接及热处理工艺，较好的保证了产品质量，产品各项性能指标均达到设计技术要求，为使用该类钢材设备的国产化 提供了经验。 [关键词] SA387Gr22CL2钢；甲烷化炉；进出口换热器；焊接；热处理；制造
Mo
P
S
Ni Cu Sb Sn As X(ppm)
0.93 0.007 0.005 0.04 0.083 0.01 0.003 0.003 13.5
1.1 0.0065 0.0055 0.046 0.029 0.004 0.005 0.005 11
0.91 0.01 0.0038 / 0.065 0.004 0.005 0.003 14.3
产品制造阶段提供了技术保障。
1 主要技术参数 该换热器（见图1）壳体采用钢板焊接结构，
由8节筒节、管箱等组成。壳体筒节、管箱均采用 SA387Gr22CL2钢板冷卷成形；接管、管板均采用 SA182GrF22CL3锻件；换热管为SA213T22。设备属 二类容器，总重约78t，设计主要技术参数见表1。
3.4 焊接工艺评定
根据产品结构尺寸，按照JB 4708-2000《钢制 压力容器焊接工艺评定》标准及产品技术协议要 求进行了四项评定，母材为SA387Gr22CL2，试件 为500×300×28mm，分别采用交流埋弧自动焊和 手工钨极氩弧焊打底+手工焊条电弧焊填充、盖面 各项评定。
（1）评定工艺
焊前预热温度控制在200～250 ℃、层间温度 控制在200～300℃，评定工艺参数见表8，焊后立 即进行350 ℃×3.5h消氢处理，对焊缝进行100% 超声波探伤，按JB/T4730-2005，结果均达I级。将 0904S-1手工焊试件、0821S-1自动焊试件进行min PWHT：620±10℃×6+0.4h（中间热处理）+ 690+14 ℃×6+0.5h（最小程度热处理），将0904S-2手工焊 试件、0821S-2自动焊试件进行max PWHT：620± 10℃×6+0.4h（中间热处理）+690-14 ℃×28-0.3h（最 大程度热处理）。
作者简介：胡林（1986—），男，四川自贡人，大专文化， 技术员，四川川润股份有限公司工艺部工艺主管，主要从事锅 炉压力容器制造焊接技术工作。
第11期
胡林等 SA387Gr22CL2钢制甲烷化炉进出口换热器的制造
- 13 -
表2 SA387Gr22CL2钢板的化学成分
材料
C
Si
Mn
Cr
Mo
P
S
Ni
415/430 460
-29℃，AKV (J) 三个试样平均值：≥55 一个试样最低值：≥47
125.120.122
188.276.310
延伸率 ≥20
28 22
硬度（HB） 156～207
159 150
焊接材料选用德国蒂森公司生产的焊材，埋弧焊焊丝：Union S 1CrMo2（EB3R）；焊剂：UV 420TTR-W；焊条电弧焊焊条：SH Chromo 2KS (E9015-B3)；氩弧焊焊丝：Union 1 GrMo910(ER90S-G)。 焊材到厂后进行化学成分、力学性能复验，其熔敷金属化学成分、X系数、力学性能均满足设计要求，复 验结果见表6、表7。
表8 焊接工艺参数
评定编号
试件厚度 （mm）
0821S-1 0821S-2
28
0904S-1 0904S-2
28
焊接层次 1，2 3～ 点焊 1 2～3 4～
焊接方法 SAW SAW SMAW GTAW SMAW SMAW
电流极性 交流 交流
直流反接 直流正接 直流反接 直流反接
焊接材料
UnionS1GrMo2/UV420TTR-W φ4.0
名称 设计压力（MPa） 设计温度（℃）
工作介质
设备规格
表1 设计主要技术参数
壳程
3.95
454
甲烷化出料气
结构尺寸(mm)
Φ1672×36×15067
管子/管板（mm） Φ14×2×12000/δ130
管程
3.95
454
甲烷化给料气
设备总重（kg）
77810
主材材质
SA213T22、SA387Gr22Cl2、 SA182GrF22CL3
第11期
胡林等 SA387Gr22CL2钢制甲烷化炉进出口换热器的制造
- 15 -
评定编号
0821S-1 0821S-2 0904S-1 0904S-2
表9 拉伸、弯曲、冲击评定试验
拉伸试验 σb (MPa)
605、590 625、620 560、560 610、620
弯曲试验（侧弯）D=40.α=180°
评定试件编号 0821S-1 0821S-2 0904S-1 0904S-2
表10 焊接接头硬度试验
焊缝 182、185、190 154、150、145 180、175、182 160、158、155
热影响区 170、175、172 140、144、145 173、170、178 137、140、142
表7焊接材料力学性能
焊材牌号 SH Chromo 2KS (E9015-B3)
Union S1 GrMo2（EB3R）
抗拉强度 σb (MPa) 650 760
屈服强度 (MPa) 530 535
-29℃，AKV (J) 130、196、158 270、282、276
延伸率 21 20
PWHT 690℃/2h
复验值 0.1 0.088 0.48 2.1 1.02 0.009 0.003 0.058 0.058 0.004 0.006 0.006 85.2
各项性能 标准值 质保书值 复验值
抗拉强度 σb (MPa) ≥515
530/540 630
表5 SA182GrF22CL3锻件的力学性能
屈服强度 (MPa) ≥310
σ0.2 (MPa) ≥310 590 450
A (%) ≥18
27 27
-29℃，AKV (J) 三个试样平均值≥55 一个试样最低值≥47
242、251、243
360、360、358
硬度（HB） ≤235
174、176 139、143
表4 SA182GrF22CL3锻件的化学成分
材料
C
Si
Mn Cr Mo
（2）回火脆性敏感
SA387Gr22CL2钢及其焊接接头在350～500℃ 温度区间长期运行过程中会产生韧性急剧下降， 导致脆性断裂。这是由于P、As、Sb、Sn等杂质元 素在晶界偏聚而引起的晶界脆化。因此，在订购 钢材及焊接材料时应严格控制Mn、Si、P、As、 Sb、Sn等元素的含量。同时在产品制造过程中应 控制预热温度和层间温度，使其在最终热处理状 态下-40℃的冲击功达到尽可能高的水平。
甲烷化炉进出口换热器是我公司为重庆某化 工总公司承制的国内首套国产化45万吨合成氨/80 万吨尿素化肥装置中关键设备，该换热器为中压、 高温、临氢管壳式大型换热器。设备主体材料（钢 板、锻件、换热管）设计选用SA387Gr22CL2、 SA182GrF22CL3、SA213T22抗氢钢。由于首次制 造该种材料的设备，且首次采用国产Cr-Mo抗氢材 料，为此进行了焊接性试验以及焊接工艺评定，为
500～550 28～30 22～24.7 550～580 28～30 23.2～26.1 100～120 22～24 14.4～17.2 130～150 10～15 13.5～16.8 100-120 22～24 14.4～17.2 160～180 24～26 18.7～23.4
（2）评定试件各项性能 按JB 4708-2000 标准及产品技术协议要求对试件进行试验，试验结果见表9、表10。
完好、完好、完好、完好 完好、完好、完好、完好 完好、完好、完好、完好 完好、完好、完好、完好
冲击试验-30℃Akv(J) 焊缝区
306、360、318 325、363、316 208、220、180 234、226、269
热影响区 360、360、366 360、366、362 360、362、366 274、233、306
Cu
Sb
Sn
As
J
标准值
0.05～ 0.15
≤0.50
0.30～ 0.60
1.88～ 2.62
0.85～ 1.15
≤0.015 ≤0.010 ≤0.30
≤0.20 ≤0.004 ≤0.010 ≤0.012
≤100
质保书值 0.13 复验值 0.12
0.03 0.11
0.54 0.54
2.46 2.42
表6 焊接材料化学成分复验值
焊材牌号
Unionl GrMo910 (ER90S-G)
SH Chromo 2KS (E9015-B3)
Union S1 GrMo2 （EB3R）
C 0.08 0.07 0.12
Si 0.56 0.12 0.15
Mn 0.86 0.51 0.77
Gr 2.39 2.18 2.25
3.3 焊接试验
（1）斜Y型坡口焊接裂纹试验
试验选用SA387Gr22CL2钢板δ=70mm，规 格：200mm×75mm，按GB 4675.1进行四组试 验。焊接方法为手工焊条电弧焊，焊材采用德国 蒂森SH Chromo 2KS (E9015-B3)焊条，预热温度分 别为常温、150℃、200℃、250℃条件施焊，焊后 48h进行表面及断面检查。试验结果为：预热温度 200℃及其以上时焊缝表面及断面裂纹率均为0。 故可确定该钢的预热温度不低于200℃。
UnionS1GrMo2/UV420TTR-W φ4.0
SH Chromo 2KS (E9015-B3) φ3.2
Unionl GrMo910 (ER90S-G) φ2.0
SH Chromo 2KS (E9015-B3) φ3.2
SH Chromo 2KS (E9015-B3) φ4.0
焊接电流 焊接电压 焊接线能量 （I） （V） （KJ/cm）
图1 设备结构简图
2 主体材料复验
主要受压元件材料按ASME SA387Gr22CL2、 SA182GrF22CL3、SA213T22标准及设计要求全部 从国内采购，供货状态为正火+回火；其回火脆性 指标为：VTr54+3△VTr54≤0℃。壳体、箱体钢板
到厂后逐张进行化学成分、力学性能复验，并按 炉批号进行690℃±14℃/8h模拟焊后热处理试验。 试验结果见表2、3、4、5。
0.95 1.02
0.009 0.002 0.006 0.001
0.12 0.01
0.07 0.13
0.001 0.003 0.002 68.4 0.003 0.007 0.008 84.5
各项性能 标准值 质保书值 复验值
σb (MPa) 515～690
476 600、590
表3 SA387Gr22CL2钢板的力学性能
3 SA387Gr22CL2钢材的焊接 3.1 焊接性分析
（1）冷裂纹倾向严重 SA387Gr22CL2钢为珠光体耐热钢，Gr、Mo
- 14 -
论文广场
石油与化工设备 2010年第13卷
含量较高。当焊缝中扩散氢含量过高、焊接热输 入较小时，由于淬硬组织和扩散氢的作用，常在 焊接接头中出现氢致延迟裂纹。因此，在焊接过程 中应采用低氢型焊条，严格控制预热温度、层间温 度，焊后应立即进行消氢处理或中间热处理。
P
S
Ni
Cu
Sb
Sn
As
ห้องสมุดไป่ตู้
J
标准值
0.05～ 0.15
≤0.50
0.30～ 0.60
2.00～ 2.50
0.87～ 1.13
≤0.040 ≤0.050
≤0.20
≤0.20 ≤0.003 ≤0.012 ≤0.012
≤100
质保书值 0.08 0.05 0.36 2.27 0.95 0.005 0.006 0.08 0.05 0.001 0.003 0.002 32.8
焊后热处理对SA387Gr22CL2钢焊接接头至 关重要，既可降低接头的硬度，消除焊接残余 应力，又可获得较好的韧性。据有关资料表明， SA387Gr22CL2钢回火参数[P]值在20.00～20.65之 间时，焊缝金属冲击功达到最高值。根据该钢推 荐的热处理温度，我们通过回火参数[P]值计算公 式（P=T(20+logt)×10-3，式中T为绝对温度，K；t 为保温时间，h）分别计算出在不同热处理温度、 不同保温时间下的P值。最终确定该钢的最小程 度热处理为690+14 ℃×6+0.5 h，最大程度热处理为 690-14 ℃×28-0.3h。
- 12 -
论文广场
石油与化工设备 2010年第13卷
论文广场
SA387Gr22CL2钢制甲烷化炉进出口换热器的制造
胡林，王建明，王娟
（四川川润股份有限公司， 四川 自贡 643000）
[摘 要] 介绍了SA387Gr22CL2钢制甲烷化炉进出口换热器制造中材料技术指标、复验、焊接工艺控制及检验。通过选取适 当的焊接及热处理工艺，较好的保证了产品质量，产品各项性能指标均达到设计技术要求，为使用该类钢材设备的国产化 提供了经验。 [关键词] SA387Gr22CL2钢；甲烷化炉；进出口换热器；焊接；热处理；制造
Mo
P
S
Ni Cu Sb Sn As X(ppm)
0.93 0.007 0.005 0.04 0.083 0.01 0.003 0.003 13.5
1.1 0.0065 0.0055 0.046 0.029 0.004 0.005 0.005 11
0.91 0.01 0.0038 / 0.065 0.004 0.005 0.003 14.3
产品制造阶段提供了技术保障。
1 主要技术参数 该换热器（见图1）壳体采用钢板焊接结构，
由8节筒节、管箱等组成。壳体筒节、管箱均采用 SA387Gr22CL2钢板冷卷成形；接管、管板均采用 SA182GrF22CL3锻件；换热管为SA213T22。设备属 二类容器，总重约78t，设计主要技术参数见表1。
3.4 焊接工艺评定
根据产品结构尺寸，按照JB 4708-2000《钢制 压力容器焊接工艺评定》标准及产品技术协议要 求进行了四项评定，母材为SA387Gr22CL2，试件 为500×300×28mm，分别采用交流埋弧自动焊和 手工钨极氩弧焊打底+手工焊条电弧焊填充、盖面 各项评定。
（1）评定工艺
焊前预热温度控制在200～250 ℃、层间温度 控制在200～300℃，评定工艺参数见表8，焊后立 即进行350 ℃×3.5h消氢处理，对焊缝进行100% 超声波探伤，按JB/T4730-2005，结果均达I级。将 0904S-1手工焊试件、0821S-1自动焊试件进行min PWHT：620±10℃×6+0.4h（中间热处理）+ 690+14 ℃×6+0.5h（最小程度热处理），将0904S-2手工焊 试件、0821S-2自动焊试件进行max PWHT：620± 10℃×6+0.4h（中间热处理）+690-14 ℃×28-0.3h（最 大程度热处理）。
作者简介：胡林（1986—），男，四川自贡人，大专文化， 技术员，四川川润股份有限公司工艺部工艺主管，主要从事锅 炉压力容器制造焊接技术工作。
第11期
胡林等 SA387Gr22CL2钢制甲烷化炉进出口换热器的制造
- 13 -
表2 SA387Gr22CL2钢板的化学成分
材料
C
Si
Mn
Cr
Mo
P
S
Ni
415/430 460
-29℃，AKV (J) 三个试样平均值：≥55 一个试样最低值：≥47
125.120.122
188.276.310
延伸率 ≥20
28 22
硬度（HB） 156～207
159 150
焊接材料选用德国蒂森公司生产的焊材，埋弧焊焊丝：Union S 1CrMo2（EB3R）；焊剂：UV 420TTR-W；焊条电弧焊焊条：SH Chromo 2KS (E9015-B3)；氩弧焊焊丝：Union 1 GrMo910(ER90S-G)。 焊材到厂后进行化学成分、力学性能复验，其熔敷金属化学成分、X系数、力学性能均满足设计要求，复 验结果见表6、表7。
表8 焊接工艺参数
评定编号
试件厚度 （mm）
0821S-1 0821S-2
28
0904S-1 0904S-2
28
焊接层次 1，2 3～ 点焊 1 2～3 4～
焊接方法 SAW SAW SMAW GTAW SMAW SMAW
电流极性 交流 交流
直流反接 直流正接 直流反接 直流反接
焊接材料
UnionS1GrMo2/UV420TTR-W φ4.0
名称 设计压力（MPa） 设计温度（℃）
工作介质
设备规格
表1 设计主要技术参数
壳程
3.95
454
甲烷化出料气
结构尺寸(mm)
Φ1672×36×15067
管子/管板（mm） Φ14×2×12000/δ130
管程
3.95
454
甲烷化给料气
设备总重（kg）
77810
主材材质
SA213T22、SA387Gr22Cl2、 SA182GrF22CL3
第11期
胡林等 SA387Gr22CL2钢制甲烷化炉进出口换热器的制造
- 15 -
评定编号
0821S-1 0821S-2 0904S-1 0904S-2
表9 拉伸、弯曲、冲击评定试验
拉伸试验 σb (MPa)
605、590 625、620 560、560 610、620
弯曲试验（侧弯）D=40.α=180°
评定试件编号 0821S-1 0821S-2 0904S-1 0904S-2
表10 焊接接头硬度试验
焊缝 182、185、190 154、150、145 180、175、182 160、158、155
热影响区 170、175、172 140、144、145 173、170、178 137、140、142
表7焊接材料力学性能
焊材牌号 SH Chromo 2KS (E9015-B3)
Union S1 GrMo2（EB3R）
抗拉强度 σb (MPa) 650 760
屈服强度 (MPa) 530 535
-29℃，AKV (J) 130、196、158 270、282、276
延伸率 21 20
PWHT 690℃/2h
复验值 0.1 0.088 0.48 2.1 1.02 0.009 0.003 0.058 0.058 0.004 0.006 0.006 85.2
各项性能 标准值 质保书值 复验值
抗拉强度 σb (MPa) ≥515
530/540 630
表5 SA182GrF22CL3锻件的力学性能
屈服强度 (MPa) ≥310
σ0.2 (MPa) ≥310 590 450
A (%) ≥18
27 27
-29℃，AKV (J) 三个试样平均值≥55 一个试样最低值≥47
242、251、243
360、360、358
硬度（HB） ≤235
174、176 139、143
表4 SA182GrF22CL3锻件的化学成分
材料
C
Si
Mn Cr Mo
（2）回火脆性敏感
SA387Gr22CL2钢及其焊接接头在350～500℃ 温度区间长期运行过程中会产生韧性急剧下降， 导致脆性断裂。这是由于P、As、Sb、Sn等杂质元 素在晶界偏聚而引起的晶界脆化。因此，在订购 钢材及焊接材料时应严格控制Mn、Si、P、As、 Sb、Sn等元素的含量。同时在产品制造过程中应 控制预热温度和层间温度，使其在最终热处理状 态下-40℃的冲击功达到尽可能高的水平。
甲烷化炉进出口换热器是我公司为重庆某化 工总公司承制的国内首套国产化45万吨合成氨/80 万吨尿素化肥装置中关键设备，该换热器为中压、 高温、临氢管壳式大型换热器。设备主体材料（钢 板、锻件、换热管）设计选用SA387Gr22CL2、 SA182GrF22CL3、SA213T22抗氢钢。由于首次制 造该种材料的设备，且首次采用国产Cr-Mo抗氢材 料，为此进行了焊接性试验以及焊接工艺评定，为
500～550 28～30 22～24.7 550～580 28～30 23.2～26.1 100～120 22～24 14.4～17.2 130～150 10～15 13.5～16.8 100-120 22～24 14.4～17.2 160～180 24～26 18.7～23.4
（2）评定试件各项性能 按JB 4708-2000 标准及产品技术协议要求对试件进行试验，试验结果见表9、表10。
完好、完好、完好、完好 完好、完好、完好、完好 完好、完好、完好、完好 完好、完好、完好、完好
冲击试验-30℃Akv(J) 焊缝区
306、360、318 325、363、316 208、220、180 234、226、269
热影响区 360、360、366 360、366、362 360、362、366 274、233、306
Cu
Sb
Sn
As
J
标准值
0.05～ 0.15
≤0.50
0.30～ 0.60
1.88～ 2.62
0.85～ 1.15
≤0.015 ≤0.010 ≤0.30
≤0.20 ≤0.004 ≤0.010 ≤0.012
≤100
质保书值 0.13 复验值 0.12
0.03 0.11
0.54 0.54
2.46 2.42
表6 焊接材料化学成分复验值
焊材牌号
Unionl GrMo910 (ER90S-G)
SH Chromo 2KS (E9015-B3)
Union S1 GrMo2 （EB3R）
C 0.08 0.07 0.12
Si 0.56 0.12 0.15
Mn 0.86 0.51 0.77
Gr 2.39 2.18 2.25
3.3 焊接试验
（1）斜Y型坡口焊接裂纹试验
试验选用SA387Gr22CL2钢板δ=70mm，规 格：200mm×75mm，按GB 4675.1进行四组试 验。焊接方法为手工焊条电弧焊，焊材采用德国 蒂森SH Chromo 2KS (E9015-B3)焊条，预热温度分 别为常温、150℃、200℃、250℃条件施焊，焊后 48h进行表面及断面检查。试验结果为：预热温度 200℃及其以上时焊缝表面及断面裂纹率均为0。 故可确定该钢的预热温度不低于200℃。
UnionS1GrMo2/UV420TTR-W φ4.0
SH Chromo 2KS (E9015-B3) φ3.2
Unionl GrMo910 (ER90S-G) φ2.0
SH Chromo 2KS (E9015-B3) φ3.2
SH Chromo 2KS (E9015-B3) φ4.0
焊接电流 焊接电压 焊接线能量 （I） （V） （KJ/cm）
图1 设备结构简图
2 主体材料复验
主要受压元件材料按ASME SA387Gr22CL2、 SA182GrF22CL3、SA213T22标准及设计要求全部 从国内采购，供货状态为正火+回火；其回火脆性 指标为：VTr54+3△VTr54≤0℃。壳体、箱体钢板
到厂后逐张进行化学成分、力学性能复验，并按 炉批号进行690℃±14℃/8h模拟焊后热处理试验。 试验结果见表2、3、4、5。
0.95 1.02
0.009 0.002 0.006 0.001
0.12 0.01
0.07 0.13
0.001 0.003 0.002 68.4 0.003 0.007 0.008 84.5
各项性能 标准值 质保书值 复验值
σb (MPa) 515～690
476 600、590
表3 SA387Gr22CL2钢板的力学性能
3 SA387Gr22CL2钢材的焊接 3.1 焊接性分析
（1）冷裂纹倾向严重 SA387Gr22CL2钢为珠光体耐热钢，Gr、Mo
- 14 -
论文广场
石油与化工设备 2010年第13卷
含量较高。当焊缝中扩散氢含量过高、焊接热输 入较小时，由于淬硬组织和扩散氢的作用，常在 焊接接头中出现氢致延迟裂纹。因此，在焊接过程 中应采用低氢型焊条，严格控制预热温度、层间温 度，焊后应立即进行消氢处理或中间热处理。
P
S
Ni
Cu
Sb
Sn
As
ห้องสมุดไป่ตู้
J
标准值
0.05～ 0.15
≤0.50
0.30～ 0.60
2.00～ 2.50
0.87～ 1.13
≤0.040 ≤0.050
≤0.20
≤0.20 ≤0.003 ≤0.012 ≤0.012
≤100
质保书值 0.08 0.05 0.36 2.27 0.95 0.005 0.006 0.08 0.05 0.001 0.003 0.002 32.8