摘要：介紹了大型換熱器鈦-鋼復合板焊接接頭的形式、焊接工藝、熱處理工藝及質量評定方法。采用滲透探傷、氦氣檢漏、熱氣循環、超聲波檢測等方法對焊縫及設備的整體性能進行評價，可以準確地對鈦焊縫的質量進行檢測和控制。同時，對設備進行熱氣循環實驗以模擬實際使用工況，達到檢測設備耐熱性能的目的。

    關鍵詞：換熱器；鈦-鋼復合板；焊接接頭

    中圖分類號：TG457.5文獻標識碼：A文章編號：1001-3814(2010)07-0117-03

    隨著我國石油、化工、醫藥等行業的快速發展，其設備也越來越大型化，且生產工藝過程中各種強腐蝕介質使用的場合越來越多，常規材料已經不能滿足其耐腐蝕要求，所以大型特種耐蝕有色金屬材料及其復合板設備的需求量越來越大，尤其是鈦及其復合板設備的需求[1-4]。精對苯二甲酸（PTA）是現代化工基本原料，按照“十一五”規劃，全國需要PTA產能1500多萬噸，才能滿足國內80%的需求，因此我國每年PTA裝置用的大型鈦設備市場價值約為10億元。但是目前國內的鈦設備制造技術相對落后，缺乏生產大型鈦設備的設計和制造技術，設備的可靠性和安全性不能滿足國內化工項目建設的需要，大量的關鍵設備仍需要從國外進口。因此，開展大型鈦設備的制造技術研究就顯得尤為迫切。制造鈦-鋼復合板換熱器最主要的技術途徑是焊接，特別是焊接過程中的質量控制。在卷制對接焊接過程中，由于基層碳鋼與復層鈦板不具有優良的異種金屬的焊接性，為了保證復合板不失去它原有的綜合性能，在接頭設計及焊接工藝制定中都需要采取一些特殊的措施[5-7]。2007年我們公司承擔了某公司PTA項目中1000 m2大型換熱器鈦-鋼復合板設備的設計及制造，本文結合生產實際，針對復合板的焊接工藝及焊縫質量控制做了詳細的研究。

    1·大型鈦-鋼復合板換熱器焊接工藝

    1.1換熱器的結構特點

    PTA項目中的換熱器屬于管殼式換熱器，其傳熱面由管束構成，管子的兩端固定在管板上，管束與管板再封裝在外殼內，殼體兩端有管箱，一種流體從進口管箱流進管子，再經過出口管箱流出，這條路徑稱為管程；另一種流體從外殼上的連接管進出換熱器，這條路徑成為殼程。管箱采用大面積的鈦-鋼復合板卷制對接而成，筒體內表面為鈦材SB265Gr.2，外表面為SA516Gr.70。鈦-鋼復合板產品質量按國家標準GB/T8547-2006《鈦-鋼復合板》中的B1M類執行。制備的換熱器技術參數如表1所示，設計、制造和檢驗標準：GB151-1999“管殼式換熱器”、JB/T4745-2002《鈦制焊接容器》和《壓力容器安全技術監察規程》99版。

            

    1.2鈦-鋼復合板的焊接接頭形式

    早在20世紀50年代，國外學者就開始研究鈦-不銹鋼焊接問題。研究發現，鈦與鋼熔化焊的熔合區中會形成FeTi及Fe2Ti等脆性金屬間化合物，這些金屬間化合物和低熔點的共晶體將急劇提高材料的強度，而大大降低材料的塑性，直接影響焊接接頭的力學性能。另外，由于鈦與鋼的熱物理性能差異，造成焊縫冷卻過程中的收縮不均勻，形成較大的焊接內應力，嚴重時甚至導致焊縫開裂。可見，鈦與鋼直接采用熔化焊的方法形成連續的焊接接頭幾乎是不可能的。為保證焊接質量，避免基板在焊接中污染鈦板，根據以往施工經驗結合設備特點，鈦復合層接頭采用搭接接頭，圖1為常用鈦-鋼復合板對接焊接頭形式。它采用的是互不熔合的間接接頭，焊接接頭通常采用V型坡口，坡口開在基層一側，間隙為2mm，坡口角度約為65°，鈍邊2～3mm。需要注意的是，在焊接鋼板前要在焊接區域將鈦復層去除。去除復層后會在腐蝕襯里中引起缺口或空隙，由于復板SB265Gr.2鈦板不能直接焊接到碳鋼底層上，必須采用蓋板結構將復層構件結合起來。另外，蓋板下面的容器殼體上鉆出通氣孔，以便為蓋板焊縫的背面提供氬氣進行保護，同時也作為裝置生產過程中的檢漏系統。

            

    1.3鈦-鋼復合板的焊接技術

    換熱器管程材質為SA516Gr.70/SB265Gr.2復合板，筒體厚度為30/2mm，錐體為34/2mm，下料前必須按GB/T8547-2006中《鈦-鋼復合板》要求進行檢驗。等離子切割焊件后需要清理加工表面，并在鋼面為后繼的焊接加工留出65°坡口。焊接坡口內表面及坡口外20～25mm范圍內用機械方法除去材料表面氧化皮等污物，焊前用丙酮或乙醇對焊口進行脫脂處理。鈦-鋼復合板對接接頭的焊接次序是先焊基層：用H08Mn2SiA焊絲進行手工氬弧焊打底，用E5015焊條進行手工電弧焊填充，用H10Mn2焊絲進行埋弧焊蓋面，焊接時線能量不宜太大，過大的線能量會使鈦復層因溫度過高發生氧化，或產生復合板界面結合強度下降和界面剝離等問題。同時要避免電弧焊的飛濺造成鈦復層被污染，所以基層焊接時第一道焊縫應用單面焊雙面成形，以避免在鈦復層進行手工電弧焊。焊復層時選用鎢極氬弧焊（氬氣純度為99.99%），采用ERTi-2焊絲，焊接時焊槍后面需要專用拖罩保護，并且背面要求通入氬氣進行保護，焊接區域相對獨立，空氣潔凈。經反復調試，確定的最佳焊接工藝參數如表2所示。在此工藝條件下，從宏觀形貌上看，焊縫外觀均勻，沒有裂縫、夾渣、咬邊、未熔合、焊瘤、燒穿、弧坑和針狀氣孔等缺陷，鈦焊縫和熱影響區表面顏色為銀白色。可見，該焊接工藝下焊縫的宏觀形貌滿足使用要求。

         

    1.4鈦-鋼復合板焊接接頭或容器的熱處理鈦-鋼復合板焊接后，焊縫存在很大的內應力，若不及時去除，將會嚴重影響焊縫質量，在特定介質中容易發生應力腐蝕。因此，鈦-鋼復合板容器通常在鈦蓋板焊接完畢后要進行消除應力熱處理。其熱處理工藝的選擇依據基層鋼板的去應力退火工藝進行。

    2·焊接接頭質量評定

    雖然焊縫的外觀質量滿足了生產標準要求，主體焊縫又經過JB/T4730.2-2005100%RT檢測Ⅱ級合格，但僅憑襯里焊縫外觀形貌判斷設備質量是遠遠不夠的，還需要采用后繼的檢測手段來評價其質量。所采用檢測方法及其檢測結果如下：

    （1）焊縫PT檢查：采用DPT-5型清洗劑清洗焊縫去除污垢，然后利用DPT-5型滲透劑對焊縫進行滲透約10~15min，再用清洗劑清洗滲透劑，最后顯像劑顯像。試驗結果表明，焊縫表面無缺陷，屬于JB/T4730.5-2005 100%PTⅠ級合格。

    （2）氦氣檢漏法：通過在設備殼體上接管和基層焊縫上的檢漏孔通入一定量的氦氣和氮氣的混合氣，對換熱管和管板的角接焊縫以及內復層表面進行檢漏。氦氣檢漏時的流量控制在20ml/s，真空度優于1×10-6Pa。

    （3）熱氣循環法：目前國內廠家只是對復合管箱部分進行熱氣循環試驗，我們對整體設備進行熱氣循環試驗，通過這種模擬實際工況，增加了換熱管管頭的可靠性。具體操作是通過給容器內部充氦然后在焊縫檢漏孔中進行氦檢漏。與其它方法不同的是，試驗前一般要以容器的設計溫度和設計壓力為基準，對容器進行升溫、升壓、保壓、降溫、降壓等使用工況的模擬，然后在容器內部充入氦氣和氮氣的混合氣體，在容器外檢漏孔處進行檢測。這種方法可很好地驗證容器在升溫、升壓、降溫、降壓、正常運行等工況對復層蓋板焊縫處的影響，其靈敏度高、可靠性好，但試驗周期長且費用較高，一般運用在設備設計溫度較高或操作過程不穩定的關鍵設備質檢中。上述檢驗后，采用PXUT-350B型超聲波測試儀對鈦復合層及周圍區域進行100%UT檢查，結果顯示鈦-鋼復合板設備符合JB/T4730.3-2005Ⅰ級合格，滿足生產要求。

    3·結論

    我們在生產1000m2大型鈦-鋼復合板換熱器過程中，通過大量的試驗研究，確定出鈦-鋼復合板的最佳焊接工藝，包括焊絲類型和焊接接頭形式等工藝參數，從焊接接頭的表面形貌來看，復合板焊縫表面光滑，無肉眼可見焊接缺陷。隨后采用PT、UT、氦氣檢漏、熱氣循環等試驗方法對該大型鈦-鋼復合板換熱器進行檢驗，綜合評價設備的焊縫質量及設備整體性能滿足生產要求。

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