高温不锈钢衬里换热器的制造技术

高温不锈钢衬里换热器的制造技术
张亚宁;于永娟
【摘要】结合高温不锈钢衬里换热器的技术特性、结构特点和材料要求,从设备的主要部件制作工艺、焊接工艺、热处理工艺、无损检测要求和耐压试验等方面进行了阐述和总结,并根据实际情况提出了一些建议,以便为相关类型设备的设计、制造和工程应用提供一些经验参考.%Based on the design specification, structural characteristics and the material requirements of the heat exchanger, the fabrication process of the main components, the welding procedure specification, the heat treatment process,the non - destructive test process and the hydraulic test procedure are described and summarized. In addition, some engineering specifications were proposed and offered for the similar heat exchanger's design,fabrication and engineering application.【期刊名称】《压力容器》
【年(卷),期】2013(030)001
【总页数】6页(P64-69)
【关键词】高温;换热器;制造技术;大开孔
【作者】张亚宁;于永娟
【作者单位】大连金州重型机器有限公司,辽宁大连116100;大连金州重型机器有限公司,辽宁大连116100
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TQ051.5
0 引言
为某单位制作完成一台变换炉进料换热器，由于该换热器管程设计温度达500℃，管、壳程设计压力为4 MPa，属中压高温设备。

换热器基材壁厚较薄且采用Cr－Mo钢材料以及各接管尺寸较大，涉及到了大开孔补强问题，因此该换热器制造过程受焊接和热处理变形影响较大。

换热器在管程出口端内置膨胀节，一端管板与壳体固定，另一端可轴向伸缩，该结构具有一定的特殊性。

文中结合该设备技术特性、结构特点和材料要求，从设备的主要部件制作工艺、焊接及热处理工艺、耐压试验及无损检测要求等方面进行阐述和总结。

1 设备技术特点
1.1 技术特性
该换热器管、壳程采用压差设计，设计压差0.5 MPa，主要设计参数见表1。

1.2 结构特点
换热管规格为Ø25 mm×2 mm，采用正方形排列，管间距41 mm;换热管与管板采用强度焊和贴胀的连接形式;壳程、管程分别采用了15CrMoR+0Cr18Ni10Ti复合板和 15CrMoR堆焊0Cr18Ni10Ti的堆焊结构;壳程进出口接管采用大开孔嵌入式结构，换热管以多层折流杆进行支撑，流体为纵向流动;换热器管程内置膨胀节
不仅可以补偿管、壳程温差产生的线性变形，而且在很大程度上可以避免介质外泄，具有较高的安全性。

换热器结构见图1。

表1 换热器技术特性
图1 换热器结构示意
2 主体材料要求
结合工程图和相关标准提出的原材料采购要求如下:
管、壳程用15CrMoR钢板除符合GB 713—2008《锅炉和压力容器用钢板》的
要求外，还应逐张进行超声波检测，按JB/T 4730.3—2005《超声检测》，Ⅱ级
合格;壳程要求ReL300℃≥210 MPa;管程要求ReL500℃≥174 MPa。

管、壳程用15CrMo锻件应符合JB/T 4726—2000《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》的要求;壳程锻件R300℃≥210 MPa;管程锻件eL≥174 MPa。

以上CrMo钢模拟焊后热处理:Max.PWHT:680±20℃ ×8 h，
Min.PWHT:680±20 ℃ ×2 h。

0Cr18Ni10Ti换热管，规格Ø25 mm×2 mm，应为冷拔无缝管;钢坯采用电炉加
炉外精炼;换热管逐根水压试验;其余按照GB 13296—2007《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》的要求执行。

管板用0Cr18Ni10Ti锻件应符合JB/T 4728—2000中饼形锻件的要求。

0Cr18Ni10Ti材料均进行晶间腐蚀倾向试验，试验方法按GB/T 4334.5—2000《不锈钢硫酸－硫酸铜腐蚀试验方法》执行，弯曲后，表面不得有晶间腐蚀裂纹。

3 设备主要部件工艺控制
该换热器由三部分组成，即管箱组件、管束部分以及壳体组件。

由于换热器基材较薄，各接管尺寸较大，整个制作过程均受焊接和热处理变形影响;另外，管束部分
为整体穿入式结构，因此壳程筒体基材与复合板的组对错边量和内壁焊角高度必须进行严格控制;同时要保证壳体的直线度和圆度要求。

3.1 球形复合板封头的成形工艺
封头成形方法较多，有整板或拼板冷冲压、热冲压、冷旋压、热旋压、冷卷、热卷等，也可分瓣成形后再组焊成封头［1］。

该换热器壳程球形复合板封头采用分瓣冷压成形后再组焊的成形工艺。

分瓣冷压成形可以解决因热压成形中复层与基层的剥离分层问题，还可以最大程度上避免复合层热压成形中可能出现的材料敏化问题。

组焊后立即对焊缝进行消氢处理;并随壳体组件一起进行整体热处理。

3.2 折流杆支撑件的制作工艺
传统的折流板管壳式换热器存在影响传热的死区，流体阻力大且易发生换热管振动与破坏。

为了避免传统折流板换热器中换热管与折流板的切割破坏和流体诱导振动，并且强化传热、提高传热效率，近年来开发了一种新型的管束支撑结构——折流
杆支撑结构［2］。

研究表明，用折流杆代替普通的折流板可以减小换热管的振动，验证了折流杆换热器的实用价值［3］。

该换热器的支撑结构由支撑圈板和条形筋板组成并相焊在一起;每4块支撑结构组成一组。

支撑结构均采用不锈钢
0Cr18Ni10Ti。

为保证管束装配，外支撑圈采用多层圈板叠加在一起加工成形;支撑筋板逐件剪切、校平、加工;而后与支撑圈组焊。

不锈钢具有焊接变形过大倾向，因此支撑圈板与
支撑筋板均借助防变形工装进行组焊，施焊时尽量减小焊接能量输入，焊接后增加必要的校形工序，以保证换热管的顺利组装。

3.3 管箱组件与壳体组件的防变形控制
3.3.1 管箱组件的组焊
管箱封头与管箱筒体组焊后进行内壁堆焊。

考虑到管箱基材厚度较薄，为控制焊接变形，一般采用筒体端部直接内衬支撑环［4］和外置卡箍件［5］的方法以提高
刚度;对该封头部件，直接内衬支撑环不利于管箱内壁堆焊;外卡箍的结构形式则需
要卡箍与筒体外壁焊接固定，焊接热影响区在一定程度上会影响到母材性能。

为防止管箱筒体在堆焊过程中引起筒体端面收缩变形，管箱筒体组焊前直接加长余量，在筒体加长处焊接衬入支撑环以提高刚度要求，见图2。

待内壁堆焊和基材消氢处理之后，再按工艺图纸切割线处去除支撑圈并加工端面坡口。

图2 管箱支撑结构示意
3.3.2 大接管与壳体的组焊
壳程筒体与接管采用嵌入式对接结构形式，C，D接管对接处直径分别达到1180
和1327 mm;相当于壳体公称直径的78.67%和88.47%，均属于大开孔且超过标
准要求。

鉴于接管设计中经应力分析计算，因此对于接管的尺寸要求和组焊必须严格控制。

由于开孔较大，接管与壳体组焊过程中，每个大开孔处及开孔两侧均增加防变形工装内撑环，内撑环与复合层接触处须设置不锈钢薄片，防止复合层受到铁污染。

3.4 膨胀节组件工艺控制
该换热器膨胀节为单层多波形结构形式，并要求膨胀节以固溶热处理状态供货。

膨胀节组件包括膨胀节本体倒流装置、膨胀节短节。

工艺控制如下:
(1)作为管束的一部分，膨胀节组件必须严格控制直线度;
(2)鉴于膨胀节本身的轴向伸缩热补偿功能，同时考虑端部与壳体封头接管的装配
要求，因此要严格控制组件的同轴度;
(3)作为不锈钢薄壁元件，膨胀节与左右短节环焊缝采用氩弧焊，施焊中需控制焊
接线能量和焊接速度;避免焊接变形，减小焊接残余应力;
(4)膨胀节组件所有焊缝表面应平滑，表面不得有裂纹、气孔、夹渣等缺陷。

3.5 管束组装工艺控制
管束由管板、换热管、折流杆支撑件、拉杆、定距管以及膨胀节组件等组成。

换热管支撑结构特殊，管束部分采用预先组装折流杆、拉杆、定距管等支撑件而后再明装换热管的装配方法，具体步骤如下:
(1)首先按方位固定主管板Ⅰ，逐一装配折流杆支撑件、定距管、拉杆;组焊滑道;
(2)换热管由内向外逐根穿入，穿入一定数量后;装配管板Ⅱ，将已穿管头从管板Ⅱ侧引出;这样既可以保证两管板穿管后同轴，也可以确保剩余管子顺利装配。

定位、焊接各管头;根据实际贴胀工艺参数，对管头进行液压贴胀工序;
(3)组焊管板Ⅱ与管束封头、短节;将膨胀节组件与管束封头组对、点焊，并留一定的伸缩量，注意保证膨胀节组件轴线与管束轴线一致;
(4)管束与壳体进行预组装，确保管束端部与壳体间便于焊接后，将管束抽出，再
对膨胀组件与封头及筋板进行焊接。

以上操作中，各组件均要定位准确，保证管板与折流杆支撑件同心同轴;管束部分
共有22块折流杆支撑件，为满足管束装配过程中的刚度要求，组装中需多处设置支撑。

4 焊接及热处理工艺控制
4.1 15CrMoR 焊接性能
15CrMoR钢属于珠光体热强钢，即在正火+回火状态下，显微组织由珠光体和铁
素体所组成的一类耐热钢。

该钢具有足够的高温强度和持久塑性，具有良好的组织稳定性、高的松弛稳定性、足够的抗氧化性和一定的耐氢腐蚀性能。

15CrMoR总体焊接性能良好，无明显的回火脆性和再热裂纹敏感性。

按照经验，15CrMoR钢具有一定的淬硬性和焊后冷裂纹倾向，引起冷裂纹的原因一般有3个:钢材的淬硬性组织，一定的氢含量和一定的拘束应力、组织应力。

15CrMoR本身含碳量不变，焊接时如果选用含碳量较高的焊材会因熔合、扩散使熔合区含碳量增高而产生硬化层，因此需控制焊材的含碳量;冷裂纹与氢的扩散有关，为了减少热影响区的氢扩散含量，宜选用低氢碱性焊材;另外，施焊接前适当
的预热，焊接过程中保持层间温度和焊后消氢或中间消除应力热处理，也是防止氢致延迟裂纹的有效办法。

4.2 15CrMoR与0Cr18Ni10Ti异种钢的焊接
不锈钢0Cr18Ni10Ti主管板两端与15CrMoR焊接的环焊缝，图纸要求焊后进行
局部热处理。

由于消除应力热处理温度(680±20℃)处于奥氏体不锈钢的敏化温度
范围内，因此需尽力避免奥氏体不锈钢在其敏化温度之内操作。

鉴于此，考虑在
15CrMoR端部堆焊隔离层后进行热处理，热处理后再与0Cr18Ni10Ti管板相焊。

该换热器管程最高操作温度为381℃，有文献表明，当使用温度不高于450℃，
一般选用堆焊奥氏体钢焊条如 A302或H13Cr24Ni13焊丝［6］。

受介质晶间腐
蚀环境影响，因此与介质接触的熔敷金属选用含稳定化元素Nb的焊接材料
A132;A132焊材中的Cr具有良好的高温抗氧化性，Ni有助于钢获得稳定的奥氏
体组织，Mo可以提高钢的高温强度。

15CrMoR与奥氏体不锈钢焊接时需要考虑［6－8］:异种材质线膨胀系数差异引
起的热应力;施焊过程中，奥氏体焊缝金属与母材一侧的熔合线处发生的碳迁移而
产生的脱碳层和渗碳层将导致高温强度和塑性下降问题;母材对熔敷金属的稀释比
例问题等。

热应力是影响焊接接头热疲劳的主要原因，因此建议在周期性循环热载荷的操作工况下，宜选用热膨胀系数及导热系数相近的镍基合金焊材;资料表明，珠光体钢与
奥氏体钢焊缝金属中Cr含量从0.6%增加到5%时，对低碳母材脱碳层宽度的影响最为明显，进一步提高Cr含量则影响减小，因此采用A302堆焊材料(含 Cr量约23%)可以限制碳扩散层的发展，另外，一定的Ni含量可有效抑制碳的扩散;为了
降低熔合比，减少焊缝金属被稀释，可采用大坡口、小电流、快速及多层焊接工艺。

文献［9］表明，在高温运行下的15CrMoR与0Cr18Ni9焊缝采用镍基焊材ERNiCr－3能有效阻止碳迁移或减少碳迁移过渡层的宽度，并且高含量的镍能有
效控制因稀释造成15CrMoR侧脆硬马氏体的产生，镍基金属与15CrMoR的线膨胀系数较为接近，不会产生较大的焊接热应力，其高塑性及良好的高温强度对缓解焊缝区应力有很大帮助。

生产过程中对合拢环焊缝结构进行了调整，焊接接头如图3所示，即管箱和壳程
筒体15CrMoR端部分别堆焊隔离层A302，隔离层随管箱和壳程筒体进行热处理，以消除由于材料线膨胀系数差异而产生的焊接残余应力;热处理后再与
0Cr18Ni10Ti相焊。

表2列出15CrMoR钢端部堆焊隔离层并经热处理后与0Cr18Ni10Ti焊接后的焊
接工艺评定力学性能对照表，焊接方法为GTAW+SMAW。

评定结果表明，该焊
接接头各项力学性能指标均满足标准要求。

图3 带隔离层焊接接头
表2 焊接工艺评定力学性能对比0°冲击 KV2试件编号拉伸180°弯曲H.A.Z试件
1 580 408 335 364 269 合格 128，162，/MPa Rm(室温)
Rm(300℃)ReL(300℃)Rm(500℃)ReL(500℃)/J 15CrMoR侧210试件2 585 404 321 361 255 合格 110，80，50标准值≥520 —≥210 —≥174 无裂纹
≥31试件编号HB母材(0Cr18Ni10Ti)硬度值(0Cr18Ni10Ti)H.A.Z 焊缝母材
(15CrMoR)H.A.Z母材母材(15CrMoR)试件1 170 183 198 185 170试件2—————标准值≤217 ≤217 ≤217 ≤220 ≤220
隔离层焊接具体要求如下:
(1)堆焊隔离层时要求控制预热温度最低为100℃;
(2)施焊中采用尽可能小的焊接能量输入，可以有效控制母材对熔敷金属的稀释比例;
(3)隔离层厚度加工后不得小于10 mm;(4)耐蚀层材料A132热处理后再堆焊且厚
度不小于4 mm。

4.3 热处理工艺
Cr－Mo钢属于通过热处理来改善钢材性能的钢种，因此，正确选择热处理规范和严格执行热处理工艺对Cr－Mo钢制压力容器是至关重要的。

在压力容器制造过
程中，一般除严格控制焊前预热温度外，还要保持焊接过程中的层间温度;焊后尚
应采取焊后消氢热处理、中间热处理和最终焊后热处理，方能保证焊接接头不开裂，并具有优良的综合性能［10］。

结合相关标准要求和大量的实际生产经验，最终
确定690±20℃作为该换热器管箱和壳程筒体部件的整体热处理温度，工艺曲线见图4。

图4 管、壳程部件热处理曲线
对于通过热压成形的15CrMoR封头，由于热成形温度(960±14℃)超过了其Ac1
临界温度值，改变了材料的供货热处理状态，还必须进行恢复材料性能热处理，热处理曲线见图5。

图5 管箱封头热成形曲线
5 无损检测要求及耐压试验控制
换热器的无损检测按JB/T 4730—2005《承压设备无损检测》执行。

所有Cr－
Mo钢坡口进行100%磁粉检测，复层坡口进行100%渗透检测。

由于Cr－Mo钢具有焊后延迟裂纹倾向，因此要求Cr－Mo钢基材焊缝无损检测至少应在焊后24 h进行。

设备制造完毕后，壳程、管程分别进行压差水压试验;而后管、壳程连通同时水压
试验。

水压试验合格后应当立即将水渍去除干净，并用压缩空气将设备内部吹干。

水压试验合格后，按HG 20584—1998《钢制化工容器制造技术要求》附录A中的B法对换热管与管板接头进行氨检漏试验。

6 提出的一些建议
壳程进、出口大开孔采用嵌入式整体补强结构形式，由于接管尺寸较大，接管加工成形经济性较差;另外，大尺寸锻件受锻造比限制，材质内部组织偏析比较严重，
一定程度上会影响到材料性能，因此设计时可以考虑适当增加开孔段壳体基材厚度，以增加补强金属面积，尽量减小接管嵌入端尺寸。

管程膨胀节连接处距离主管板较远，考虑到该浮头式结构在操作过程中可能出现管束振动，进而诱导膨胀节发生横向移动，剪切应力增大，可以合理考虑增加远端横向位移控制。

7 结语
(1)Cr－Mo钢制设备的焊接和热处理变形问题一直是设备设计和制造关注的要点。

该换热器通过以上制造、焊接、热处理及无损检测等工艺控制，有效解决了生产过程中的焊接和热处理变形问题，顺利完成了管束与壳程筒体的装配，设备各项指标均达到了标准要求。

(2)对于具有晶间腐蚀倾向的工艺介质，复合板球形封头宜采用分瓣冷压成形工艺。

(3)在满足设备操作工艺要求和设备制造工艺条件下，对不锈钢主管板两侧合拢环
焊缝的接头形式进行了调整，避免了该焊缝在其敏化温度范围内进行局部热处理。

(4)在高温和周期性循环热载荷的操作工况下，珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢选用
镍基合金焊材值得借鉴和应用。

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