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摘要： 针对高压空冷器管箱上的管板与换热管焊接工艺进行研究，形成了合理、可行的焊接工艺，作为该设备管箱焊接的指导性文件。
关键词： 换热管与管板的焊接；全自动深孔填丝焊；焊接
中图分类号： TG422
High pressure air cooler pipe welding tank
Liu Ning
（Dalian Ruixue Refrigeration Co.， Ltd.，Dalian 116050，Liaoning，China）
Abstract： Aiming high pressure air cooler tube sheet tube box on research carried out with the heat transfer tubes welding process， the formation of a reasonable and feasible welding process， as the device header welded guiding document.
Key words： tube to tube sheet welding； automatic deep welding with filler wire； welding
1 概述
为垦利三合新材料科技有限责任公司生产的5台30万吨/年低聚物裂化精制装置的空冷器，其中有一台位号为A1101的产品是高压空冷器。高压空冷器是这批产品中制造难度最大的产品。
1.1 管箱制造
1.2 换热管与管板间的管头焊接
该高压空冷器管箱部分的主要设计参数与技术要求见表1。
设计温度/℃设计压力/MPa工作介质主要材质热处理要求管板焊接质量检验要求
12517.12H2S，H2管板材质为Q345R（R-HIC）/δ=55 mm换热管为Q345R（R-HIC）/25 mm×3 mm无缝钢管等管箱焊后均进行焊道消除应力热处理，硬度值≤180 HB为合格。换热管与管板的焊接接头采用全自动深孔填丝焊，且做焊接工艺评定和宏观检验，合格后方可施焊，焊接时必须有保证管板不变形的工艺措施，外观及质量检验应符合GB150.1～150.4-2011，GB/T 151—2014相关标准规定。
2 空冷器管箱组焊要解决的问题
2.1 焊缝力学性能和化学成份符合抗氢钢要求
空冷器管箱材料为Q345R（R-HIC），它是在Q345R钢板规定的范围内增加一些附加要求得到的，其含义是抗氢致开裂或抗氢致裂纹。它降低了钢中P，S和O2的含量，提高了钢材的纯净度，改善了钢材的焊接性能，减少了钢材对焊接冷裂纹的敏感性，同时又降低了钢中含Mn量，也就减少钢材在使用期中对氢诱导开裂或氢致裂纹的敏感性，尤其是对H2S应力腐蚀的敏感性。Q345R（R-HIC）化学成份见表2，力学性能见表3。
为保证焊缝具有与母材同样的抗氢诱导开裂的能力，即提高其抗裂性，对焊缝金属提出以下要求，需保证含S≤0.003，含P≤0.012，焊缝金属-30 ℃夏比冲击试验平均值KV≥27 J，单个值≥20 J，硬度值不大于180 HB，根据这些要求，制定了Q345R（HIC）焊材订货技术条件，经筛选确定为焊条牌号为J507SH、埋弧焊焊丝为H09MnSH、焊剂为SJ204SH；氩弧焊焊丝为H09MnSHG-6。
由于Q345R（R-HIC）腐蚀试验做氢致开裂检验（HIC）和硫化物应力腐蚀（SSC）检验， 从每批钢板中取一组试样，首先做氢致开裂检验（HIC），焊接工艺评定SAW，SMAW试板上各取一组试样进行抗氢诱导裂纹试验，方法按GB/T 8650—2015《管线钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方法》，取样部位为T×T/2，按横向制取试样，试样尺寸为20 mm×20 mm×100 mm。具体要求如下：PH=3.0～4.0，H2S饱和0.5%醋酸+5%氯化钠混合溶液，试验温度20～27 ℃，试验压力0.084 5 MPa。其试验结果为：①试样表面未发现氢鼓包；②开裂长度比CLR=3.08%，开裂厚度比CTR=0.82%，开裂敏感性比CSR=0.16%，按要求满足：CLR≤5%，CTR≤1.5%，CSR≤0.5%。即试样抗湿硫化氢诱导开裂（HIC）试验合格。再做硫化物应力腐蚀（SSC）检验，从A，B，D类焊接接头焊接工艺评定试板中抗拉强度或硬度最高者取一组试样，根据GB/T 4157—2006《金属在硫化氢环境中抗特殊形式环境开裂试验室试验》规定的方法A进行抗环境开裂（EC）性能试验，试验溶液采用溶液A，试验温度为室温（维持在24 ℃±3 ℃），合格标准为临界应力不低于247 MPa。试样无裂纹，临界应力266 MPa，即试样硫化物应力腐蚀（SSC）试验合格。
2.2 解决焊接变形问题
管箱在高压条件下工作，处理的介质又是易燃易爆，焊缝的质量必须确保万无一失，否则在使用中发生问题将会产生灾难性事故，这就要求焊缝的结构是保证全焊透结构的焊接工艺，焊接方法是最不易产生任何缺陷的方法。
制造高压空冷器首先是进行空冷器管箱的组装，组对工装和焊接顺序决定了管箱的成型质量。管箱主要由管板、丝堵板、上、下盖板、中间隔板、支撑板、侧板组成，如图1所示。首先是上、下盖板与中间隔板、支撑板的组装，然后是侧板，最后是管板与丝堵板的装配。主要的焊缝是蓋板、管板、丝堵板与侧板的六条对接焊缝，对接焊缝全部采用U形坡口型式全焊透结构。由于底层清根困难，打底焊一般采用氩弧焊单面焊双面成型工艺，氩弧焊焊完所有的U型坡口后再用焊条电弧焊填充，埋弧焊盖面。焊接时采用对称施焊并随时注意焊接变形情况，这样可以有效地防止焊接变形，保证了焊接质量，最后进行管板与换热管的深孔焊。 图1 高压空冷器管箱结构图
3 管板与换热管的焊接
3.1 管板与换热管焊缝的化学成分符合抗氢钢要求
管板材料焊接性分析，管板与换热管的材质均为Q345R（R-HIC），管板δ=55 mm，换热管25 mm×3 mm，标准为GB 9948—2013《石油裂化用无缝钢管》，其化学成分见表4。
由于空冷器管箱上管板与换热管材料为Q345R（R-HIC），它具有抗氢致裂纹的能力。因此，焊接参数的选择、焊接顺序、焊接方向、过程加热方式及过程检验等各个环节均将会对焊接质量有较大的影响。为保证焊缝具有与母材同样的抗裂性，应使用与母材成分相同的同类焊材，因此选用焊材牌号为ER50-3（HIC），焊丝直径为0.8 mm。焊丝化学成分见表5。
3.2 解决焊接变形问题
换热管与管板焊接难点之一就是实现管子与管板间的深孔加丝全位置脉冲自动钨极氩弧焊接，只有经过严格的试验确定合理、可行的焊接工艺，才能在保证质量、满足设计要求的前提下完成管头的焊接工作。
由于高压空冷器为两个矩形管箱中部由换热管焊接而成，其换热管与管板间管头的焊接，只能从丝堵板侧来进行，这就要求管子与管板必须有深孔焊功能，而且换热管与管板焊接最困难的问题是焊枪必须通过M30的丝堵孔横穿管箱内腔伸入管板孔内进行内角焊缝焊接。在管头焊接时，只有填加焊丝才能满足强度焊的要求。为此专门为空冷器购买一台焊管头的深孔焊机，采用数控全位置深孔填丝脉冲自动钨极氩弧焊，采用ER50-3（HIC）焊丝，对于焊丝直径的选择非常关键，直径太细，刚度不够，不能使焊丝稳定到达电弧区，焊丝太粗，设备不允许，通过反复试验，选用0.8 mm的焊丝较为适宜。焊前应将换热管与管板施焊范围20 mm内的锈蚀、油、污、水或氧化皮等其它脏物彻底清除干净。
在进行管头的深孔焊之前先进行换热管与管板的焊接工艺评定，测试一下换热管与管板的焊接接头是否满足强度焊的要求，试验材料管与板选取Q345R（R-HIC），选择一名有经验的焊工，首先根据《热交换器》的标准GB/T 151—2014准备换热管与管板的焊评试板如图2所示，再选择与抗氢钢匹配的氩弧焊焊丝ER50-3（HIC），焊丝直径0.8 mm，采用合适的焊接工艺参数进行管头的焊接，连接形式如图3所示，其焊接工艺参数见表6。
3.3 工艺评定
试验结果见表7，可以看出，其H值图4所示，金相检验实物图片如图5所示，均大于管壁厚的2/3，即2 mm，且拉脱力大于标准规定的将管子拉断的最低载荷，评定合格。
以工艺方案要求和工艺评定合格的参数为依据，编制了高压空冷器换热管与管板的焊接工艺，对换热管与管板接头进行了焊接，管箱的换热管与管板焊接示意图如图6所示。
3.4 管板孔直径的尺寸及装配
管孔直径较大，刚开始焊接时，管子被拉向起焊一侧，在焊接间隙大的一侧时易出现未熔合、焊肉薄、焊缝凹面等缺陷，严重时会造成丝堵孔与管子同轴度过大，从而使焊枪杆旋转过程中阻力过大，造成转速不均匀，甚至造成断弧现象，因此在钻孔和铰孔时，在不影响穿管的情况下，管板孔内径与换热管外径之差小于0.15 mm，换热管应缩进管板2.5～3 mm，如图7所示。
上述各参数在施焊时，互相制约，只有相互协调好才能得到满意的效果，施焊管头时采用两层的工艺，即第一层采用自熔，使换热管与管板间的根部充分熔透；第二层填丝焊，从而保证焊缝金属厚度达到一定要求，在一周的焊接过程中，将周围分为8个区段，通过大量的工艺性试验确定，将6点作为起弧点，焊接方向为顺时针，如图8所示。焊接前先把管板一侧的换热管与管板点焊固定，焊另一侧，焊接时，尽量使热量均匀输入，以使应力分散，变形量减少，从而预防和控制因焊接而引起的管板变形。
3.5 焊后检验结果
换热管与管板施焊完毕后，对焊接部位进行了肉眼检查，并用PT法对能检查的部位进行了无损检测，未发现任何缺陷，管板与换热管接头的焊接质量能完全达到填丝强度焊的要求。管箱焊后均进行焊道消除热应力处理，整个产品制造完毕后进行了19 MPa的水压试验，管头均无渗漏，合格。
4 结论
实践证明，该高压空冷器管箱在制造过程中，通过采取严格的过程控制，使管板的变形量降低到最小程度，避免了由于管板的變形而在设备进入下一工序时出现难以组装的现象，深孔加丝式全位置脉冲自动钨极氩弧焊接应用在高压空冷器上，保证了焊接质量，提高了工作效率，降低了成本，缩短了工期，还为公司生产设计压力10 MPa以上的高压空冷器积累了丰富的经验。
关键词： 换热管与管板的焊接；全自动深孔填丝焊；焊接
中图分类号： TG422
High pressure air cooler pipe welding tank
Liu Ning
（Dalian Ruixue Refrigeration Co.， Ltd.，Dalian 116050，Liaoning，China）
Abstract： Aiming high pressure air cooler tube sheet tube box on research carried out with the heat transfer tubes welding process， the formation of a reasonable and feasible welding process， as the device header welded guiding document.
Key words： tube to tube sheet welding； automatic deep welding with filler wire； welding
1 概述
为垦利三合新材料科技有限责任公司生产的5台30万吨/年低聚物裂化精制装置的空冷器，其中有一台位号为A1101的产品是高压空冷器。高压空冷器是这批产品中制造难度最大的产品。
1.1 管箱制造
1.2 换热管与管板间的管头焊接
该高压空冷器管箱部分的主要设计参数与技术要求见表1。
设计温度/℃设计压力/MPa工作介质主要材质热处理要求管板焊接质量检验要求
12517.12H2S，H2管板材质为Q345R（R-HIC）/δ=55 mm换热管为Q345R（R-HIC）/25 mm×3 mm无缝钢管等管箱焊后均进行焊道消除应力热处理，硬度值≤180 HB为合格。换热管与管板的焊接接头采用全自动深孔填丝焊，且做焊接工艺评定和宏观检验，合格后方可施焊，焊接时必须有保证管板不变形的工艺措施，外观及质量检验应符合GB150.1～150.4-2011，GB/T 151—2014相关标准规定。
2 空冷器管箱组焊要解决的问题
2.1 焊缝力学性能和化学成份符合抗氢钢要求
空冷器管箱材料为Q345R（R-HIC），它是在Q345R钢板规定的范围内增加一些附加要求得到的，其含义是抗氢致开裂或抗氢致裂纹。它降低了钢中P，S和O2的含量，提高了钢材的纯净度，改善了钢材的焊接性能，减少了钢材对焊接冷裂纹的敏感性，同时又降低了钢中含Mn量，也就减少钢材在使用期中对氢诱导开裂或氢致裂纹的敏感性，尤其是对H2S应力腐蚀的敏感性。Q345R（R-HIC）化学成份见表2，力学性能见表3。
为保证焊缝具有与母材同样的抗氢诱导开裂的能力，即提高其抗裂性，对焊缝金属提出以下要求，需保证含S≤0.003，含P≤0.012，焊缝金属-30 ℃夏比冲击试验平均值KV≥27 J，单个值≥20 J，硬度值不大于180 HB，根据这些要求，制定了Q345R（HIC）焊材订货技术条件，经筛选确定为焊条牌号为J507SH、埋弧焊焊丝为H09MnSH、焊剂为SJ204SH；氩弧焊焊丝为H09MnSHG-6。
由于Q345R（R-HIC）腐蚀试验做氢致开裂检验（HIC）和硫化物应力腐蚀（SSC）检验， 从每批钢板中取一组试样，首先做氢致开裂检验（HIC），焊接工艺评定SAW，SMAW试板上各取一组试样进行抗氢诱导裂纹试验，方法按GB/T 8650—2015《管线钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方法》，取样部位为T×T/2，按横向制取试样，试样尺寸为20 mm×20 mm×100 mm。具体要求如下：PH=3.0～4.0，H2S饱和0.5%醋酸+5%氯化钠混合溶液，试验温度20～27 ℃，试验压力0.084 5 MPa。其试验结果为：①试样表面未发现氢鼓包；②开裂长度比CLR=3.08%，开裂厚度比CTR=0.82%，开裂敏感性比CSR=0.16%，按要求满足：CLR≤5%，CTR≤1.5%，CSR≤0.5%。即试样抗湿硫化氢诱导开裂（HIC）试验合格。再做硫化物应力腐蚀（SSC）检验，从A，B，D类焊接接头焊接工艺评定试板中抗拉强度或硬度最高者取一组试样，根据GB/T 4157—2006《金属在硫化氢环境中抗特殊形式环境开裂试验室试验》规定的方法A进行抗环境开裂（EC）性能试验，试验溶液采用溶液A，试验温度为室温（维持在24 ℃±3 ℃），合格标准为临界应力不低于247 MPa。试样无裂纹，临界应力266 MPa，即试样硫化物应力腐蚀（SSC）试验合格。
2.2 解决焊接变形问题
管箱在高压条件下工作，处理的介质又是易燃易爆，焊缝的质量必须确保万无一失，否则在使用中发生问题将会产生灾难性事故，这就要求焊缝的结构是保证全焊透结构的焊接工艺，焊接方法是最不易产生任何缺陷的方法。
制造高压空冷器首先是进行空冷器管箱的组装，组对工装和焊接顺序决定了管箱的成型质量。管箱主要由管板、丝堵板、上、下盖板、中间隔板、支撑板、侧板组成，如图1所示。首先是上、下盖板与中间隔板、支撑板的组装，然后是侧板，最后是管板与丝堵板的装配。主要的焊缝是蓋板、管板、丝堵板与侧板的六条对接焊缝，对接焊缝全部采用U形坡口型式全焊透结构。由于底层清根困难，打底焊一般采用氩弧焊单面焊双面成型工艺，氩弧焊焊完所有的U型坡口后再用焊条电弧焊填充，埋弧焊盖面。焊接时采用对称施焊并随时注意焊接变形情况，这样可以有效地防止焊接变形，保证了焊接质量，最后进行管板与换热管的深孔焊。 图1 高压空冷器管箱结构图
3 管板与换热管的焊接
3.1 管板与换热管焊缝的化学成分符合抗氢钢要求
管板材料焊接性分析，管板与换热管的材质均为Q345R（R-HIC），管板δ=55 mm，换热管25 mm×3 mm，标准为GB 9948—2013《石油裂化用无缝钢管》，其化学成分见表4。
由于空冷器管箱上管板与换热管材料为Q345R（R-HIC），它具有抗氢致裂纹的能力。因此，焊接参数的选择、焊接顺序、焊接方向、过程加热方式及过程检验等各个环节均将会对焊接质量有较大的影响。为保证焊缝具有与母材同样的抗裂性，应使用与母材成分相同的同类焊材，因此选用焊材牌号为ER50-3（HIC），焊丝直径为0.8 mm。焊丝化学成分见表5。
3.2 解决焊接变形问题
换热管与管板焊接难点之一就是实现管子与管板间的深孔加丝全位置脉冲自动钨极氩弧焊接，只有经过严格的试验确定合理、可行的焊接工艺，才能在保证质量、满足设计要求的前提下完成管头的焊接工作。
由于高压空冷器为两个矩形管箱中部由换热管焊接而成，其换热管与管板间管头的焊接，只能从丝堵板侧来进行，这就要求管子与管板必须有深孔焊功能，而且换热管与管板焊接最困难的问题是焊枪必须通过M30的丝堵孔横穿管箱内腔伸入管板孔内进行内角焊缝焊接。在管头焊接时，只有填加焊丝才能满足强度焊的要求。为此专门为空冷器购买一台焊管头的深孔焊机，采用数控全位置深孔填丝脉冲自动钨极氩弧焊，采用ER50-3（HIC）焊丝，对于焊丝直径的选择非常关键，直径太细，刚度不够，不能使焊丝稳定到达电弧区，焊丝太粗，设备不允许，通过反复试验，选用0.8 mm的焊丝较为适宜。焊前应将换热管与管板施焊范围20 mm内的锈蚀、油、污、水或氧化皮等其它脏物彻底清除干净。
在进行管头的深孔焊之前先进行换热管与管板的焊接工艺评定，测试一下换热管与管板的焊接接头是否满足强度焊的要求，试验材料管与板选取Q345R（R-HIC），选择一名有经验的焊工，首先根据《热交换器》的标准GB/T 151—2014准备换热管与管板的焊评试板如图2所示，再选择与抗氢钢匹配的氩弧焊焊丝ER50-3（HIC），焊丝直径0.8 mm，采用合适的焊接工艺参数进行管头的焊接，连接形式如图3所示，其焊接工艺参数见表6。
3.3 工艺评定
试验结果见表7，可以看出，其H值图4所示，金相检验实物图片如图5所示，均大于管壁厚的2/3，即2 mm，且拉脱力大于标准规定的将管子拉断的最低载荷，评定合格。
以工艺方案要求和工艺评定合格的参数为依据，编制了高压空冷器换热管与管板的焊接工艺，对换热管与管板接头进行了焊接，管箱的换热管与管板焊接示意图如图6所示。
3.4 管板孔直径的尺寸及装配
管孔直径较大，刚开始焊接时，管子被拉向起焊一侧，在焊接间隙大的一侧时易出现未熔合、焊肉薄、焊缝凹面等缺陷，严重时会造成丝堵孔与管子同轴度过大，从而使焊枪杆旋转过程中阻力过大，造成转速不均匀，甚至造成断弧现象，因此在钻孔和铰孔时，在不影响穿管的情况下，管板孔内径与换热管外径之差小于0.15 mm，换热管应缩进管板2.5～3 mm，如图7所示。
上述各参数在施焊时，互相制约，只有相互协调好才能得到满意的效果，施焊管头时采用两层的工艺，即第一层采用自熔，使换热管与管板间的根部充分熔透；第二层填丝焊，从而保证焊缝金属厚度达到一定要求，在一周的焊接过程中，将周围分为8个区段，通过大量的工艺性试验确定，将6点作为起弧点，焊接方向为顺时针，如图8所示。焊接前先把管板一侧的换热管与管板点焊固定，焊另一侧，焊接时，尽量使热量均匀输入，以使应力分散，变形量减少，从而预防和控制因焊接而引起的管板变形。
3.5 焊后检验结果
换热管与管板施焊完毕后，对焊接部位进行了肉眼检查，并用PT法对能检查的部位进行了无损检测，未发现任何缺陷，管板与换热管接头的焊接质量能完全达到填丝强度焊的要求。管箱焊后均进行焊道消除热应力处理，整个产品制造完毕后进行了19 MPa的水压试验，管头均无渗漏，合格。
4 结论
实践证明，该高压空冷器管箱在制造过程中，通过采取严格的过程控制，使管板的变形量降低到最小程度，避免了由于管板的變形而在设备进入下一工序时出现难以组装的现象，深孔加丝式全位置脉冲自动钨极氩弧焊接应用在高压空冷器上，保证了焊接质量，提高了工作效率，降低了成本，缩短了工期，还为公司生产设计压力10 MPa以上的高压空冷器积累了丰富的经验。