N06200镍基合金管板与...热管焊接接头组织与性能研究_武靖伟.pdf

第 40 卷第 4 期压力容器2023 年 4 月doi:10 3969/j issn 1001 4837 2023 04 002试 验 研 究N06200 镍基合金管板与换热管焊接接头组织与性能研究武靖伟，王志刚，张建晓，王有银，王岑，张小许，车文斌，朱映宝，徐红(兰州兰石重型装备股份有限公司，兰州730314)摘要:采用氩弧焊丝 ERNiCrMo 17 对换热管(材料为 SB 622 N06200)与管板(材料为 SB 564 N06200)进行焊接试验。针对此材料的管 板焊接进行焊接工艺研究，通过金相组织观察、角焊缝厚度测量、拉脱力试验、晶间腐蚀试验对N06200 镍基合金管板与换热管焊接接头进行分析。结果表明:采用第 1 层自熔+2 层填丝所获得的管 板焊接接头成形良好，焊道均匀饱满;接头的角焊缝厚度均满足标准要求的 1 2 mm，接头的拉脱力和晶间腐蚀率均高于管板和换热管母材;接头焊缝组织为胞状晶、柱状树枝晶和等轴晶奥氏体组织，枝晶生长方向随机，等轴晶可抑制热裂纹的产生;接头焊缝区域硬度明显高于其他区域，硬度曲线呈“跳跃”特征。关键词:管板 换热管;N06200 合金;焊接;微观组织中图分类号:TH49;TH140 7;TG115 6文献标志码:AStudy on microstructure and mechanical properties of welded joint betweenN06200 nickel base alloy heat exchange tube and tubesheetWU Jingwei，WANG Zhigang，ZHANG Jianxiao，WANG Youyin，WANG Cen，ZHANG Xiaoxu，CHE Wenbin，ZHU Yingbao，XU Hong(Lanzhou LS Heavy Equipment Co，Ltd，Lanzhou 730314，China)Abstract:Welding test was carried out on the welded joint between the heat exchange tube(tube material SB 622 N06200)andtubesheet(tubesheet SA 564 N06200)using arc argon welding wire ERNiCrMo 17 The welding process of heat exchangetube-to-tubesheet welding of this material was studied，and the welded joint of N06200 nickel-base alloy tubesheet and heat ex-changer tube was analyzed by metallographic microstructure observation，fillet weld thickness measurement，pull-out force test andintergranular corrosion test The results show that the shape of the obtained tubesheet-to-tube welded joint is good and the weldbead is full using one self-melting layer and two wire filler layers The fillet weld thickness of the welded joint satisfies the stand-ard requirement of 1 2 mm The both the pull-out force and corrosion rate of the joint are more than the base material of the heatexchange tube and tubesheet The microstructure of the joint weld is cellular，columnar dendrite and equiaxed austenite Thegrowth direction of the columnar dendrite is random，and the equiaxed austenite can inhibit the generation of thermal cracks Themicrohardness of weld zone of the joint is higher than that of other zones and the hardness cure shows a“jump”characteristicKey words:tubesheet-to-heat exchange tube;N06200 alloy;welding;microstructure收稿日期:2023 02 23修稿日期:2023 03 308武靖伟，等:N06200 镍基合金管板与换热管焊接接头组织与性能研究0引言管壳式换热器在石油、化工、核电领域是最常见的一种通用设备1 4，在换热器运行过程中，换热管与管板焊接接头长期承受加热、冷却以及介质的腐蚀，换热管 管板结构的质量直接影响着换热器的安全和稳定运行5 6。由于设备介质环境的复杂，换热管与管板材料的选择成为产品设计的难点，换热管与管板的连接是其制造过程中的最关键程序7 8。N06200 合金是美国 HAYNES 为适应苛刻腐蚀要求开发的一种优化材料9 10，该合金是在广泛应用的 N06059 合金中添加了 1 5%的 Cu，由于其对不同腐蚀环境的耐腐蚀能力，在化工装配制造过程中得到了越来越多的应用。管板锻件对应的 ASME 牌号为 SB 564 N06200，换热管对应的 ASME 牌号为 SB 622 N06200，除了适应苛刻的腐蚀环境外，N06200 镍基合金的开发扩大了Ni Cr Mo 合金的应用范围。N06200 合金是为抵抗盐酸、硫酸及氢氟酸等腐蚀介质的环境而开发的，和以前的 Ni Cr Mo 合金单一的抗还原性或抗氧化性腐蚀不同，N06200 合金同时具有抗氧化和抗还原性腐蚀的能力。16%的 Mo 含量和1 6%的 Cu 含量的添加使合金具有优良的抗还原性腐蚀能力，同时高的 Cr 含量(23%)保证了合金的抗氧化能力11。1试验材料及试验过程1 1试验材料管板材料 SB 564 N06200，规格 300 mm 300 mm 30 mm，换 热 管 材 料 N06200，规 格19 mm 2 mm，焊 接 所 用 的 氩 弧 焊 丝 为ERNiCrMo 17，规格2 0 mm。试验管板、换热管及所用氩弧焊丝的成分见表 1。表 1试验母材及焊丝化学成分Tab 1Chemical composition of test base metal and arc welding wire%元素NiCrMoCuMnCSiSP管板(SB 564 N06200)55 4823 2115 721 580 070 010 010 0010 001换热管(SB 622 N06200)58 2323 4615 631 700 050 010 050 0010 001氩弧焊丝(ERNiCrMo 17)57 9223 3016 471 570 090 0080 010 0010 0011 2试验设备试验采用手工钨极氩弧焊进行焊接，焊接设备型号为 ADP 400 的直流氩弧焊机，见图 1。图 1手工钨极氩弧焊焊接设备Fig 1Manual argon tungsten arc welding machine1 3试验过程按图 2 管板结构示意图进行管孔坡口加工，焊前采用钢丝刷清理换热管与管板坡口处及其附近区域的杂质，并用酒精清洗以去除换热管及坡口处的油污。将管板与换热管按图 3 所示装配好，采用手工钨极氩弧焊进行点焊固定以防止换热管松动，如图 4(a)所示;为避免混淆管头试样，对管头进行标记，标记如图 4(b)所示。(a)管板主视图(b)管板剖视图图 2管板结构示意Fig 2Schematic diagram of tubesheet9PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.40，No.4，2023图 3管板 换热管焊接接头示意Fig 3Schematic diagram of tubesheet-to-heat exchangetube welded joint待点焊固定后采用手工钨极氩弧焊进行焊接，焊丝为 ERNiCrMo 17，规格2 0 mm，氩气纯度 99 99%。为确保焊缝根部焊透，故第 1 层采用自熔的方式，但自熔的速度不宜过快，否则换热管易被烧穿或出现未焊透现象。焊接分为3 层，焊接参数见表 2，第 2 层的焊缝金属应覆盖第 1 层，第 3 层的焊缝应覆盖第 2 层。图 4点焊结构与管头标号示意Fig 4Schematic diagram of spot welding structureand tube joint marking表 2管板与换热管焊接工艺参数Tab 2Tubesheet-to-heat exchange tube welding parameters层数焊接方法焊材规格/mm电源类型焊接电流/A焊接电压/V焊接速度/(mmmin1)第 1 层手工 TIG直流正接85 9015 1770第 2 层手工 TIGERNiCrMo 172 0直流正接85 9015 1770第 3 层手工 TIGERNiCrMo 172 0直流正接85 9015 1770焊接完成后，采用渗透试剂进行检测，检查管头表面是否存在气孔、裂纹等焊接缺陷;在 PT 检测合格的试样上取 3 个平行试样进行拉脱力试验;对管头进行剖切以观察管头宏观断面，检查是否存在未熔合现象;再取部分试样，并打磨、抛光、腐蚀制成金相试样，进行金相微观组织观察;用显微维氏硬度仪对焊接接头进行硬度测量;用角焊缝测量仪测量管头角焊缝厚度。1 4N06200 镍基合金管头焊接难点焊接时为了防止热裂纹的产生，控制焊缝成形及焊接变形等问题，对于 N06200 镍基合金换热管 管板的焊接均进行了深入研究，找到了有效的解决措施。1 4 1焊接热裂纹的防止在 N06200 镍基合金管板 换热管焊接时，有害气体和管板表面的油、污对管头焊接质量的影响很大，易使焊缝产生氧化及出现焊接热裂纹。出现热裂纹的主要原因是焊缝凝固时存在低熔点金属和低熔点共晶物液膜残留于晶界，在收缩应力的作用下发生开裂12 14。从焊接环境考虑，在焊前采用丙酮和酒精擦拭管板与换热管坡口处，以清洗焊件表面的杂质和油污，采用氩气吹扫换热管与管板坡口表面和间隙中的有害气体，以确保管头不被氧化。从焊接工艺上控制，采用较大直径的氩弧焊陶瓷喷嘴，以确保换热管内部质量，采用快速送丝的收弧技术(即在熄弧处快速送熔滴 3 5 滴以填满弧坑)，并及时打磨清理熄弧处的杂质，每个熄弧点相互错开，可有效防止了焊接热裂纹的产生15。1 4 2焊缝变形控制采用小直径的氩弧焊丝、较小的焊接电流、合适的焊接速度、较低的层间温度和小弧摆动的焊接操作技术，可使熔化的氩弧焊丝在足够的时间内熔合于换热管与管板之间的间隙中。填丝焊接时，焊缝不宜太厚，两道填丝焊可使管头成形良好16。在管头焊接过程中，采用分区对称焊的技术，如图 5 所示。本设备管板焊接面小于 1 000 mm，故分为 8 个区域对称施焊，即区区区区区区区区的焊接顺序，从管板中心处向外围对称焊接，按区域依次焊接，直至首层打底焊全部完成，如此循环焊接第 2层，最终达到图纸技术要求的管头，从而满足产品的使用要求。01武靖伟，等:N06200 镍基合金管板与换热管焊接接头组织与性能研究图 5管板分区示意Fig 5Schematic diagram of tubesheet zoning2试验结果及分析2 1宏观形貌分析图 6 示出 N06200 镍基合金管板与换热管接头宏观形貌。可以看出，在合理的焊接工艺参数下，焊缝成形良好，焊道均匀饱满。经 PT 检测后管板焊接接头未发现裂纹、气孔等表面缺陷。采用线切割机横向切割，管头剖切面宏观检测未发现明显未焊透、裂纹等缺陷。对管 板接头剖切面进行剖光、腐蚀，观察并采用角焊缝测量仪对 10 个管头，2 个不同位置的角焊缝厚度进行测量，测量结果见图 7。可以看出，所有接头的角焊缝厚度均大于 2t/3(t 为换热管的名义厚度，t=2 mm)，且满足 NB/T 470142011承压设备焊接工艺评定 的要求。图 6管板 换热管焊接接头宏观形貌Fig 6Macro morphology of tube-tubesheet welded joint图 7试样角焊缝尺寸图Fig 7Fillet weld size diagram of the test specimen图 8管 板焊接接头显微组织Fig 8Microstructure of tube-tubesheet welded joint11PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.40，No.4，20232 2微观组织分析采用线切割技术对管头进行横向切割制备管头金相试样，再用 Olympus DX510 显微镜进行金相显微观察，管 板焊接接头显微组织见图 8，可以看出焊缝与母材熔合良好，且焊缝与两侧母材存在明显的分界线。在电弧的作用下，晶粒沿着热影响区的方向发生再结晶、晶粒长大，在熔合线附近枝晶垂直于热影响区方向向焊缝中心生长，最终在焊缝区域形成枝晶。组织均为奥氏体组织，同时发现换热管母材组织中有部分碳化物析出。2 3晶间腐蚀分析在 PT 检测合格的 N06200 合金管板 换热管焊接接头中选取 2 个试样，按照 ASTM G282022 Method A 进行晶间腐蚀试验17，表面用 80#水砂纸打磨，打磨后置于25 g 硫酸铁+400 mL 蒸馏水+236 mL 硫酸的混合溶液中进行晶间腐蚀试验 16，试验时间24 h。再与管板、换热管母材晶间腐蚀率进行对比，接头晶间腐蚀率均高于管板晶间腐蚀率和换热管母材晶间腐蚀率，且满足产品技术要求和标准规定(腐蚀率1113 g/(m2h)。管板、换热管及焊接接头的腐蚀率见表 3。表 3管板、换热管及焊接接头的腐蚀率Tab 3Corrosion rate of tubesheet，heat exchange tube andwelded joint部位腐蚀率/(gm2h1)管板0 62换热管0 58管板 换热管焊接接头0 65采用扫描电镜对管板 换热管焊接接头的晶间腐蚀 SEM 形貌进行观察，如图 9 所示。图 9管板 换热管焊接接头晶间腐蚀 SEM 形貌Fig 9Intergranular corrosion SEM image of tubesheet-heatexchange tube welded joint可以看出，整个接头腐蚀形貌仅存在凹凸不平的相，在晶界部位未发现晶间腐蚀的现象，说明N06200 镍基合金管板 换热管焊接接头具有良好的耐晶间腐蚀性能。2 4拉脱力分析为获得 N06200 镍基合金管板 换热管焊接接头的拉伸性能，在 PT 检测合格的管板 换热管焊接接头取 5 个试样进行拉脱力试验，试验值及断裂位置见表 4。可以看出换热管 管板焊接接头的平均拉脱力为 97 62 kN，高于管板拉伸载荷(57 2 kN)和换热管拉伸载荷(46 8 kN)，均断裂于换热管部位，从而保证了此焊接结构的安全运行。说明了整个焊缝的强度和稳定性最佳，同时验证了焊接结构的一致性。表 4管 板焊接接头拉脱力及断裂位置Fig4Pull-out force and fracture position of tube-tubesheetwelded joint试样编号拉脱力值/kN断裂位置197 39换热管297 61换热管397 76换热管497 82换热管597 54换热管2 5显微硬度分析在管板 换热管焊接接头选取 5 个位置进行显微硬度测量，硬度分布结果见图 10。图 10管板 换热管焊接接头显微硬度分析Fig 10Microhardness analysis of tubesheet-heatexchange tube welded joint从图 10 可以看出，N06200 镍基合金管板 换热管焊接接头，焊缝区域硬度明显高于其他区域，硬度曲线呈“跳跃”特征，原因为采用多层焊可使每道焊缝尺寸变小，即柱状晶成长的空间减小，有利于晶粒细化，而硬度由基本晶粒的尺寸决定，并满足下式:H=H0+kd1/3(1)21武靖伟，等:N06200 镍基合金管板与换热管焊接接头组织与性能研究式中，H 为材料的显微硬度，HV;H0和 k 为材料的标准常数;d 为晶粒尺寸，mm。根据公式(1)可以发现，随着晶粒的细化，硬度随之升高18，因此，焊缝区域硬度较其他区域高。3产品制造由于该产品为 N06200 镍基合金产品，制造现场要求清洁无污染，因此采用专用的制造车间来完成产品的制造。下料、吊运、存放、加工等均不允许有铁离子污染。在换热管与管板焊接过程中严格按焊接工艺参数执行，并遵守镍基合金焊接注意事项，从而获得焊缝均匀饱满、成形美观的焊接接头。图 11 为产品管头图样，共 264 个管头，管板 换热管焊接接头一次性通过了外观检查、氦检漏试验、渗透检测以及水压试验等图纸和技术条件要求的各项检测。图 11产品管头图样Fig 11Patterns of product tube heads4结论(1)采用第 1 层自熔+2 层填丝焊，可获得成形良好、焊道均匀饱满的焊接接头，经 PT 检测后未发现裂纹和气孔等表面缺陷。接头的角焊缝厚度均大于 2t/3，满足标准要求。(2)管板 换热管焊接接头的平均拉脱力为97 59 kN，均高于管板和换热管，接头断裂于换热管部位，在一定程度上保证了此焊接结构的安全运行;管板 换热管焊接接头的晶间腐蚀率均高于管板、换热管母材的晶间腐蚀率，满足产品技术要求和标准规定。(3)管板 换热管焊接接头组织均为奥氏体组织，管板、换热管母材组织为均匀的多边形奥氏体晶粒，焊缝区为胞状晶、柱状树枝晶和等轴晶奥氏体组织，枝晶生长方向随机，局部区域有等轴晶，可抑制热裂纹的产生。(4)管板 换热管焊接接头焊缝区域硬度明显高于其他区域，硬度曲线呈“跳跃”特征。参考文献:1WEI X L，LING X Investigation of welded structureson mechanical properties of 304L welded tube-to-tubesheet jointsJ Engineering Failure Analysis，2015，52(5):90 96 2 仇放，魏小平，毛芹，等 大流量低压降管壳式换热器设计及优化 J 压力容器，2022，39(8):59 65QIU Fang，WEI Xiaoping，MAO Qin，et al Design andoptimization of shell and tube heat exchangers undermassive flow and low pressure dropJ PressureVessel Technology，2022，39(8):59 65 3 甘刘意，陆怡，查涵清，等 新型螺旋板式换热器及其传热特性研究J 流体机械，2021，49(6):36 43GAN Liuyi，LU Yi，ZHA Hanqing，et al Research onnew type spiral plate heat exchanger and its heat transfercharacteristicsJ Fluid Machinery，2021，49(6):36 43 4 王利明，雷勇刚 间断螺旋片强化套管换热器传热性能分析 J 流体机械，2022，50(11):78 86WANG Liming，LEI Yonggang Study on the heat transferenhancement performance of a double-pipe heat exchangerby the discontinuous helical fins J Fluid Machinery，2022，50(11):78 86 5 赵景玉，黄英，赵石军 大型管壳式换热器的设计与制造 J 压力容器，2015，32(3):36 44ZHAO Jingyu，HUANG Ying，ZHAO Shijun Designingand fabrication of super-sized tubular heat exchangerJ Pressure Vessel Technology，2015，32(3):36 44 6 吴海滨，田玮，陈璐，等 乳品超高温杀菌换热器环境影响不确定性研究J 包装与食品机械，2022，40(1):1 7WU Haibin，TIAN Wei，CHEN Lu，et al Uncertaintyanalysis of environmental influence of heat exchangers forultra-high temperature sterilization of dairy products J Packaging and Food Machinery，2022，40(1):1 7 7 张圆磊 换热管 管板焊接接头的焊接工艺评定 J，石油化工设备，2020，49(5):51 5631PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.40，No.4，2023ZHANG Yuanlei Welding procedure qualification tubeto tube sheet weld joint J Petro chemical Equipment，2020，49(5):51 56 8 张凯翔，张建晓，尤秀美，等 国产超级奥氏体不锈钢 SB 690 N08367 换热管与管板的焊接研究 J 压力容器，2021，38(7):26 31ZHANG Kaixiang，ZHANG Jianxiao，YOU Xiumei，et alResearch on welding of domestic super austeniticstainless steel SB 690 N08367 tube and tubesheetJ Pressure Vessel Technology，2021，38(7):26 31 9 邢卓 Hastelloy C 系列合金综述 J 化工设备与管道，2007，44(2):51 58XING Zhuo Summery of Haste alloy C series alloys J Process Equipment Piping，2007，44(2):51 58 10 刘清会 哈氏合金 C2000 焊接工艺J 化工设备与管道，2016，53(3):43 45LIU QinghuiResearch of welding procedure for HastelloyC2000J Process Equipment Piping，2016，53(3):43 45 11 刘清 哈氏 HC 2000 合金的特性和容器设计制造工艺特点J 化工设备与管道，2007，44(4):62 65LIU QingProperties of HC 2000 alloy and characteristicsof vessel design and fabrication J Process Equipment Piping，2007，44(4):62 65 12 余磊，曹睿 镍基合金焊接裂纹研究现状 J 金属学报，2021，57(1):16 28YU Lei，CAO Rui Welding crack of Ni-based alloys:A review J Acta Metallurgica Sinica，2021，57(1):16 28 13 施允威 镍基合金的焊接J 化学工业与工程技术，2007，28(增刊):216 217SHI Yunwei The welding of Ni-based alloys J EnergyChemical Industry，2007，28(Sup):216 217 14 王广辰，仙运昌，刘文武，等 换热器管头焊接的质量控制 J 化学工程与装备，2018(5):246 247WANG Guangchen，XIAN Yunchang，LIU Wenwu，et al The quality control of the heat ex changer tubeand tube plate welding joints J Chemical Engineering Equipment，2018(5):246 247 15 黄菁，孙宇峰，方超，等 聚变堆用奥氏体不锈钢不同激光输出模式熔丝特征J 焊接，2022(7):28 33HUANG Jing，SUN Yufeng，FANG Chao，et al Fusecharacteristics under different laser output modes ofaustenitic stainless steel for fusion reactor J Welding Joining，2022(7):28 33 16 李锡伟，王俊恒，强凯，等 N06059 镍基合金换热管 管板的焊接技术 J 焊接技术，2019，48(2):30 32LI Xiwei，WANG Junheng，QIANG Kai，et al WeldingtechnologyofN06059nickelbasedalloyheatexchanger tube and tube plate J Welding Joining，2019，48(2):30 32 17李艳美，王明家，江山昱，等 超低碳 C 276 合金敏化处理对显微组织及晶间腐蚀敏感性的影响 J 大型铸锻件，2020(4):20 23LI Yanmei，WANG Mingjia，JIANG Shanyu，et alEffect of sensitization treatment on microstructure andintergranular corrosion sensitivity of C 276 alloywith ultralow carbonJ Heavy Casting ang Foring，2020(4):20 23 18 林一坚，尤云龙，井春永，等 Fe B 基微晶材料晶粒大小与高温硬度的关系 J 金属学报，1991，27(2):104 107LIN Yijian，YOU Yunlong，JING Chunyong，et al Hothardness and crystallite size of Fe B micro crystallitematerial J Acta Metallurgica Sinica，1991，27(2):104 107作者简介:武靖伟(1992)，男，中级工程师，主要从事压力容器焊接的研究工作，通信地址:730314 甘肃省兰州市兰 州 兰 石 重 型 装 备 股 份 有 限 公 司，E mail:wujingwei0119163 com。本文引用格式:武靖伟，王志刚，张建晓，等 N06200 镍基合金管板与换热管焊接接头组织与性能研究J 压力容器，2023，40(4):8 14WU Jingwei，WANG Zhigang，ZHANG Jianxiao，et al Study on microstructure and mechanical properties of welded joint betweenN06200 nickel base alloy heat exchange tube and tubesheet J Pressure Vessel Technology，2023，40(4):8 1441