N08825复合板换热器制造工艺和焊接要点分析

耿亚鸽，白天祥，于成科

（1.河南省锅炉压力容器安全检测研究院；2.中国石油天然气第一建设有限公司，河南 郑州 471000）

1 设备结构和基本参数

固溶强化镍基合金（如N08825）具有良好的耐点腐蚀、缝隙腐蚀性能，在氧化和还原环境下都具有抗酸和碱金属腐蚀性能，其高镍成分使合金具有有效的抗应力腐蚀开裂性。在各种介质中的耐腐蚀性都很好，在油气田开采工业中也得到了越来越多的应用。

国外某原油处理项目中用到一批导热油-油换热器，如图1所示，设备总长度为14450mm，筒体内径为1600mm，按照ASME规范进行设计和制造。壳程介质为导热油，设计压力1.6MPa，设计温度255℃，主体材质为SA-516M Gr.415。管程介质为原油，设计压力1.6MPa，设计温度255℃，主体材质为SA-516MGr.415+UNS N08825，换热管材质为SB-163M UNS N08825。

图1 压力容器示意图

2 主要制造工艺

2.1 一般要求

制造中应避免材料表面的机械损伤，复合钢板的耐蚀面不应采用硬印作为材料的确认标记。耐腐蚀表面的局部伤痕、刻槽等缺陷应予修磨。N08825复合板的切割和坡口加工应采用等离子、超高压水切割及机械加工等方法。采用等离子切割时，复层放在下面，基层放在上面，切割从基层开始进行；采用机械法切割时，钢板基层放在下面，复层放在上面，以避免复层损伤。如需采用热切割时，切割边缘和坡口仍应采用机械方法加工并去除污染层。

2.2 壳体

换热器壳程介质为导热油，壳体材质为SA-516M Gr.415，接管材质为SA-106 Gr.B，均为低碳钢，相对来说比较容易焊接。在制造时主要是应保证筒体的圆度和直线度。另外需要注意，筒体内壁影响换热管束穿入的焊缝余高均应打磨至与母材表面平齐。筒体上的接管、鞍座垫板等焊接时应采取防变形措施，不得影响管束的穿入。

2.3 管箱

换热器管程介质为原油，前端管箱（与原油接触）筒体、封头和接管材质为SA-516M Gr.415+UNS N08825，管箱法兰材质为SA266M Gr.2N+ENiCrMo-3堆焊，接管法兰面采用SA-105N+ENiCrMo-3堆焊。管箱预制完成需进行焊后消除应力热处理，所有焊接件应在热处理前焊接完毕，热处理后不得施焊。热处理后需要对管箱法兰及分程隔板的密封面进行二次加工。堆焊完成后对密封面和内壁堆焊层进行超声检测，超声检测合格后，除密封面外，法兰其余部位再加工至规定尺寸。

后端管箱（与导热油接触）筒体、封头和接管均采用低碳钢，筒体和封头材质为SA-516M Gr.415，接管材质为SA-106Gr.B。封头采用整体热冲压成型。

2.4 浮头盖

浮头盖材质为SA-516M Gr.415+UNS N08825，浮头法兰采用SA-266M Gr.2N+ENiCrMo-3堆焊。浮头盖整体冷冲压成型，成型后应进行100%超声检测，不允许有任何尺寸的剥离和材料分层。浮头盖应进行焊后热处理，热处理完成后，再将法兰密封面机加工至规定尺寸，同时加工螺栓孔。

2.5 管板

管板材质为SA-266M Gr.2N+ENiCrMo-3堆焊，由于管板面积相对较大，制造时考虑采用带极堆焊，密封面堆焊层厚度应满足机加工余量要求。管板加工和堆焊的大致流程为：粗车→预变形（将管板的待堆焊面预变形成龟背状）→堆焊过渡层（堆焊前进行100%磁粉检测）→堆焊覆层（测量管板平面度）→加工、堆焊隔板槽（固定管板）→加工管板正面→加工管板背面→加工隔板槽（隔板槽略低于密封面）。

2.6 换热管

换热管材质为SB-163M UNS N08825，换热管与管板的连接采用强度胀接+密封焊接。管板与换热管接头承受系统在运行中由于各种因素变化所产生的交变应力，需要确保换热管管端的密封性，避免产生间隙腐蚀和振动疲劳破环，同时保证管板管箱侧耐高温性能。

在正式胀接前应进行试胀，以检查胀管器的质量和管材的胀接性能。在试胀后，要对试样进行比较性检查，检查胀口部分是否有裂纹、胀接过渡部分是否有剧烈变化、喇叭口根部与管孔壁的结合状态是否良好等，然后检查管孔壁与管子外壁的接触表面的痕迹和啮合状况。

2.7 热处理

根据设计文件的技术要求，换热器的管箱和浮头盖需要进行热处理，热处理温度为620±20℃，热处理时间大约2.5h，焊后热处理应在焊接工作全部完毕并经检验合格后，并且在压力试验之前进行。经焊后热处理后，设备表面上不得再进行焊接。

2.8 耐压试验

在耐压试验前，应以0.4～0.5MPa的压缩空气，检查开孔补强板以及鞍座垫板的焊接接头质量。耐压试验采用水压试验，应采用无毒、无腐蚀的新鲜洁净水，注意控制水中氯离子含量不超过20mg/L。试压之后应将积液彻底排尽，并用干燥空气将水渍清除干净。

水压试验分三部分进行。一是管接头试验：组装管束和壳体，利用试压工装，进行管接头水压试验，检查管接头角焊缝有无渗漏。二是管程压力试验：装配管箱、勾圈和浮头盖，进行管程压力试验，检查焊缝及连接部位有无渗漏。三是壳程压力试验：全部组装完成后，进行壳程压力试验，检查焊缝及连接部位有无渗漏。

3 焊接技术要点

3.1 产品焊接试件

根据设计文件的要求，换热器的管程应进行焊后热处理，需要制备产品焊接试件。试件应取自合格的原材料，且与容器用材具有相同标准、相同牌号、相同厚度和相同热处理状态。试件应由施焊该容器的焊工，采用与施焊容器相同的条件、过程与焊接工艺施焊。试件的尺寸和试样的截取和试验按ASME Sec.Ⅸ的相关规定。

3.2 焊接工艺评定

该换热器制造时涉及到的焊接对象有低碳钢焊接接头，镍基复合板焊接接头，管板、浮头盖、管箱法兰等表面的耐蚀堆焊，接管法兰面的耐蚀堆焊，管板和换热管的密封焊角接接头等。如果先不考虑母材和焊缝厚度覆盖问题，至少需要制作如下几个焊接工艺评定试验：采用焊条电弧焊和埋弧自动焊的低碳钢焊接工艺评定（可单独评定，也可组合评定），采用焊条电弧焊、埋弧自动焊和钨极氩弧焊的镍基复合板焊接工艺评定（可单独评定，也可组合评定），采用采用埋弧自动焊或电渣焊的镍基合金堆焊工艺评定，采用焊条电弧焊的镍基合金堆焊工艺评定，采用钨极氩弧焊的管板与换热管焊接工艺评定。

3.3 复合板焊接

复合板在下料前，应对覆层表面进行100%PT检测，不得有结疤、裂纹、夹杂、折叠等缺陷。坡口预定线边缘100mm范围内，进行100%超声检测，质量水平不低于SA-265规定的1类，不允许有任何尺寸的剥离和材料分层。

复合板切割和坡口加工应采用等离子及机械加工方法。采用等离子切割时，复层放在下面，基层放在上面，切割从基层开始进行；采用机械法切割时，钢板基层放在下面，复层放在上面，以避免复层损伤。采用热切割时，切割边缘和坡口仍应采用机械方法加工并去除污染层。制造中应避免材料表面的机械损伤，对耐腐蚀表面的局部伤痕、刻槽等缺陷应予修磨。

定位焊应在基层上进行，并采用与正式焊接相同的焊接材料及焊接工艺。焊接时，宜先焊基层，经清根及规定的质量检验项目检验合格后，再焊过渡层，最后焊复层。先焊基层时，其焊道根部或表面，应距复合界面1～2mm。焊接过渡层时，应采用较小直径的焊条或焊丝及较小的焊接线能量，尽量减少母材中Fe对合金的稀释。复层焊接时，应尽可能与复层表面保持平整、光顺。对镍基合金钢，其道间温度应不高于100℃，并尽可能采用较小的焊接线能量。焊接完成后，应清除表面的焊渣、焊瘤、飞溅及其他污物。

3.4 法兰面耐蚀堆焊

为增加法兰面的耐腐蚀性，应进行镍基合金的耐蚀堆焊，在堆焊前应进行堆焊工艺评定，工艺评定项目均合格后，方可制定焊接工艺规程，进行施焊。法兰机加工密封面堆焊槽和内壁尺寸应符合图纸要求，待堆焊面进行100%磁粉检测。覆层堆焊后，进行超声检测，然后将法兰加工成形，加工后再对堆焊面进行100%渗透检测。

3.5 复层表面的保护

在制造过程中应注意对耐蚀合金的保护。原材料的搁置要稳妥、堆放要整齐，要防止损伤和弯曲。设置专门的存放区域，与其它材料隔离。材料在搬运过程中，运输用具必须配备必要的防铁离子污染和碰伤的衬垫，如橡胶、木板等。复合板组对过程中，进行容器内部工作时，必须采用铺设衬垫等保护措施，以避免污染和损伤覆层表面。

在制造过程中，应注意复合板表面和堆焊覆层表面的保护，严禁表面划伤或者与低熔点金属接触以及铜铁污染。设备制造完毕并检验合格后，所有耐蚀合金内表面均应进行酸洗+钝化处理。酸洗可以是单独进行，也可以酸洗钝化一次处理，但要注意严防过酸洗。钝化后须用清水将酸洗净，呈中性。 经过酸洗、钝化处理的表面应呈银灰色，并且要均匀，无过度腐蚀现象。覆层去污垢可采用喷丸、磨光或抛光，喷丸不得使用形状不规则或有棱角的介质，不得使用喷过铁器的介质或含有铁质的介质。

4 结语

复合板换热器制造时的关键点就在复合板的焊接和耐蚀合金的堆焊，应根据规范和设计文件的要求，制作产品焊接试件和进行焊接工艺评定试验，同时在下料、焊接、热处理、酸洗钝化等过程中应注意复合板复层和耐蚀堆焊表面的保护。