大型低合金耐热钢12Cr2Mo1压力容器合成气 锅炉给水预热器的制造.pdf

西 部 煤 化 工 2007 年 第 1 期 -53- 大型低合金耐热钢 12Cr2Mo1 压力容器合成气/锅炉给水预热器的制造 罗 乐 （四川成都川化集团有限责任公司， 四川 成都 610301） 摘要：对大型低合金耐热钢 12Cr2Mo1 压力容器合成气/锅炉给水预热器的制造进行了详细的阐述， 重点介绍了 12Cr2Mo1 材料的订货技术条件、材料的到货检验及复验、焊接工艺试验、评定、热处理、制造加工过程和最终检验控制。成功地完成 了合成气 / 锅炉给水预热器的制造，经检验,完全满足了设计和工艺的要求。 关键词：12Cr2Mo1 压力容器；材料；焊接；制造；检验 合成气 / 锅炉给水预热器是合成氨装置的重 要设备，是川化股份公司第二化肥厂的关键设备。 该设备为 3 类高温、高压压力容器，材料焊接性能 较差，并且第二化肥厂在进行技术改造时，从某压 力容器制造单位购置的合成气/锅炉给水预热器在 投入使用后不久就发生过多次严重的泄漏事故，经 川化多次补焊，该预热器一直在勉强运行，给化工 生产的稳定和装置的安全造成了极大的隐患。股份 公司决定重新制造。川化充分考虑了该此设备的材 质、焊接工艺、热处理、机械加工精度等一系列要 求，并结合实际情况进行了详细的论证和分析，制 定了合理的制造工艺方案，采取了一系列工艺保证 措施，解决了焊接工艺、热处理、成型、加工等方 面的问题，设备经最终检验并投入使用，至今未出 现任何问题。 1 设备简介 合成气/锅炉给水预热器为立式结构的高温、 高 压列管式换热器，为 3 类压力容器，管束级别为 级， 总高度为 10 062 mm ， 总重量为 36 730 kg ， 其结构简图见图 1。合成气 / 锅炉给水预热器的设 计参数如表 1 所示。 图 1 合成气/锅炉给水预热器结构图 2 材料的选择 合成气 / 锅炉给水预热器的工作条件为高 温、高压，且管程介质为具有氢腐蚀性的合成气， 因此，选择了具有抗氢腐蚀性和具有较好高温力学 性能和耐高温蠕变性能的珠光体耐热钢 12Cr2Mo1 作为管箱和换热管的材料；由于该设备壳程的工作 介质只有锅炉水，因而选择了普通低合金钢 16 MnR 作为筒体材料，该设备的主要选用材料见 1182 66 1266 108 10062 西 部 煤 化 工 2007 年 第 1 期 -54- 表 2 。 考虑到该设备的重要性和 12 Cr2Mo1 材料的 特殊性，吸取了其他单位制造的失败教训，川化提 表 1 合成气/锅炉给水预热器设计参数 名称 壳程 管程 设计压力，MPa 工作压力，MPa 设计温度， 工作温度，进 /出， 壁温， 物料名称 焊接接头系数，筒体 / 封头 腐蚀裕量，mm 换热面积，m2 管子与管板连接形式 全容积，m3 水压试验压力，MPa 气密性试验压力，MPa 容器类别 12.5 10.4 327 274 / 312 293 锅炉给水 1 3 386 强度焊 + 4.42 21.3 三类 25.73 21.5 385 370 / 301 303 合成气 1 3 贴胀 2.82 36.2 25.73 表 2 合成气/锅炉给水预热器的主要选用材料 名称 材料 规格，mm 壳程筒体 壳程接管 管程筒体 球形封头 换热管管程接管 16MnR 16MnIII 12Cr2Mo1IV 12Cr2Mo1IV ASTMSA-213T22 12Cr2Mo1III 1182 66 319.1 70 1266 108 R608 68 19 2.5 536.4 115 出了换热管必须采用进口 ASTM SA - 213 T22 冷 拔无缝钢管，并经过了正火和回火，不允许拼接， 对其化学成分进行严格控制，管程材 12 Cr2Mo1IV 和 ASTM SA - 213 T22 的化学成分见表 3 。 同时为了防止回火脆化，化学成分配比应符合 （Si Mn）（P Sn) 104（100 ） 150 和（10p 5Sb 4Sn As) / 100 10 6 15 106 的要求，即控制微量元素杂质的 含量。 为计算化学成分的配比，达到控制微量杂质的 要求，锻件生产厂家应提供微量杂质 As（砷） 、Sn （锡） 、Sb（锑）等微量杂质的实测值（熔炼成分） 。 该设备的主要受压元件均按照压力容器安全技术 监察规程第 25 条的要求进行复验，不合格的材 料不得投入使用。复验 16 MnR 板材的化学成分、 力学性能、冷弯性能，逐张检查钢板的表面质量和 材料标志；逐张进行超声波探伤复验，质量等级符 合 JB 4730 - 94 ， 不低于级为合格。 12Cr2Mo1 还要按照 JB / T 4726 - 2000 规定的项目进行复验， 换热管逐根进行水压试验、超声波探伤，必须符合 制定的订货技术条件的要求。 3 焊接 合成气 / 锅炉给水预热器壳程的材质为普通 低合金钢 16 MnR ，其焊接性能良好，焊接材料选 用与其强度相等的大西洋 CHE 507 、CHW - S4 、 HJ 431 及天泰公司的氩弧焊丝 TIG - 50 。川化具 有成熟的焊接工艺，焊接工艺评定能满足该设备的 需要，无需进行焊接工艺试验及评定。而管程的材 料为 2.25Cr - 1Mo ，该材料首次在川化使用，因 此，必须进行焊接工艺试验和焊接工艺评定。 表 3 管程材料 12Cr2Mo1IV 和 ASTM SA - 213 T22 的化学成分 材料 指标 C Si Mn Cr Mo P S 12Cr2Mo1IV ASTMSA-213T22 技术条件 质保书值 敷衍数据 技术条件 质保书值 敷衍数据 0.15 0.13 0.108 0.050.15 0.11 0.129 0.50 0.39 0.28 0.02 0.30 0.343 0.300.6 0.41 0.341 0.300.60 0.46 0.429 2.002.50 2.21 2.03 1.902.60 2.10 2.11 0.901.10 0.98 0.921 0.871.13 0.92 0.976 0.025 0.009 0.020 0.03 0.015 0.0281 0.015 0.008 0.0063 0.01 0.005 0.0144 按照 JB 4708 2000 、JB 4709 - 2000 以及 ASME 锅炉及压力容器规范焊接和钎焊评定标准 的要求，在查阅了焊接手册等资料后，川化制 定了相应的焊接工艺试验方案，进行了多次试验， 西 部 煤 化 工 2007 年 第 1 期 -55- 最终确定了焊接工艺，并在此基础上进行了焊接工 艺评定，评定合格后编制了产品的焊接工艺规程。 焊接工艺试验及焊接工艺评定项目如表 4 所示。 在进行工艺试验和评定的同时， 还有 1 项重要 任务，就是进行焊工培训和考试，让焊工掌握该新 料的焊接性能，操作技能，并按照锅炉压力容器 压力管道焊工考试与管理规则取得相应的操作资 格证，以确保产品的焊接质量。 表 4 合成气 / 锅炉给水预热器焊接工艺评定项目 评定材料 接头形式 规格/mm 焊接方法 焊接材料 焊后热处理 12Cr2Mo1IV 12Cr2Mo1IV 12Cr2Mo1IV 16MnR 12Cr2Mo1IV 12Cr2Mo1IV Tncone1600/12Cr2Mo1IV SA - 213 T22 12Cr2Mo1IV 堆焊 Tncone1600 Tncone1600（用 12Cr2Mo1IV 堆焊 Tncone1600 制作的试板） 16MnR 16MnR 16MnR 对接焊缝 对接焊缝 对接焊缝 对接焊缝 对接焊缝 强度焊 对接焊缝 对接焊缝 对接焊缝 对接焊缝 对接焊缝 80 20 70 7.5 70 20 + 8 19 2.5 20 + 6 75 40 40 40 GTAW SMAW GTAW SMAW GTAW SMAW SAW SMAW GTAW SMAW GTAW SMAW SMAW SMAW SMAW SAW TGS - 2CM R407 TGS - 2CM R407 TGS - 250 R407 IIIOMnSi/IIJ431 R407 TGS - 2CM R407 ERNiCr - 3 ERNiCrFc - 3 ERNiCrFc - 3 J507 J507 IIIOMnSi/IIJ431 消应热处理 消应热处理 消应热处理 消应热处理 消应热处理 不做热处理 消应热处理 消氢热处理 消氢热处理 证火+效应热处理 消应热处理 消应热处理 4 壳程的制造 合成气/ 锅炉 给 水预热 器 壳程的 材 质 为 16 MnR ， 厚度为 70 mm ， 制造的关键是卷板和埋 弧自动焊接。卷板采用的是高温卷板，因此坡口形 式的选择就显得尤为重要。 若选择不好， 在高温下， 钝边在卷板时就容易被熔掉，或者钝边太厚，给焊 接造成困难，经过试验，确定了焊接坡口形式，其 形式如图 2 所示。 R10 202 70 31 20.5 图 2 壳程筒体对接焊缝坡口图 壳程筒体需要制作 A 类焊缝产品焊接试板。 产 品焊接试板必须接在纵缝上同时焊接，其试板尺 寸、 试样截取、 试验项目与合格要求均按照 JB 4744 - 2000 规定执行。不得在组对时进行强行组对。 焊接采用手工钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊填 充 3 层后，再采取埋弧自动焊的方法。焊接材料的 选用按照合成气 / 锅炉给水预热器焊接工艺评定 要求进行。为了保证后续工艺的质量，应作好 16 MnR 筒体环焊缝收缩量的记录，以确定换热管 的长度。壳程的制造还有 1 个重点，就是壳体与管 板的 2 条环缝，为保证质量，只能有 1 条环缝留作 收口焊缝，并且无法对该条收口焊缝进行射线探 伤，只能作 100 超声检测，因此该条焊缝的焊 接就显得尤为重要，川化选择了最好的焊工进行施 西 部 煤 化 工 2007 年 第 1 期 -56- 焊，并对全过程进行跟踪检查。 5 管程的制造 由于管箱为锻焊结构， 没有 A 类焊缝， 按照 压 力容器安全技术监察规程的要求，首次使用新材 料， 需要制作 2 个 B 类焊接接头鉴证环， 其一是管 箱与球形封头之间 12Cr2Mo1 对接的鉴证环， 其 二是管箱与管板之间 12Cr2Mo1坡口各堆焊 Incone l600 后，再进行对接的鉴证环，鉴证环的规 格和焊接工艺应与产品完全一致。其试件尺寸、试 样截取、 试验项目与合格要求均按照JB 4744 - 2000 及 ASME 锅炉及压力容器规范焊接和钎焊评定 标准进行评定。 5.1 管箱的组对 管箱在组对时，由于材料的特殊性，不得在坡 口内进行点焊，而必须采用组对筋板，在母材上焊 接，组对筋板也必须采用与母材材料相同的 12Cr2Mo1 ， 焊前必须将待焊区域预热至 250 以 上，采用与正式焊接相同的焊条 R 407 进行焊接。 在主体焊缝焊完一半后，去掉拉筋板，继续焊接。 去掉拉筋板后，将焊疤打磨干净，并作磁粉探伤， 如果有裂纹缺陷，必须对其进行补焊并检验合格。 需要特别注意的是，为了保证筒体尺寸和堆焊层厚 度，对于管箱筒体两端坡口的加工，应先加工有堆 焊层一面的坡口，另一面暂不加工，待堆焊面加工 完后再进行加工。 5.2 管箱的焊接 5.2.1 管箱与球形封头的焊接 管箱与球形封头的焊接是 12Cr2Mo1 同种 材料之间的焊接，焊接采用焊条电弧焊的方法，焊 接材料的选用见表 4 。焊前将其预热至 250 以 上，在焊接过程中，层间温度不低于预热温度，并 在焊后进行消氢热处理，当管箱接管焊接完成后， 进行热处理，以消除应力。坡口形式见图 3 。 5.2.2 管箱与管板的焊接 管箱与管板的焊接焊缝作为收口焊缝，离管口 很近，经过研究，川化采用了在坡口两侧先堆焊 Incone l600 ， 然后再进行 Incone l600 之间的对 接，以避免环缝在对接焊后的消应热处理，有效地 解决了因消应热处理而导致管口焊缝被拉裂的问 题。焊缝坡口形式见图 4 。 108 3 305 R10 [phone] 图 3 管箱与球形封头焊接坡口形式 R10 R10 10 20 6 45 8 1000 108 图 4 管箱与管板的焊接坡口形式 5.3 管板的加工 为了保证管板及折流板孔的加工质量，我单位 特定加工制作了 1 副模板。 套钻模板的加工必须严 格控制加工尺寸，特别是换热管孔的加工，严格检 验各加工尺寸，并对超过偏差的尺寸做好标记和记 录。 5.4 管口的焊接 因为是在冬季施工， 环境温度较低， 湿度较大， 并且 2.25 Cr - 1Mo 的焊接性能较差，因此，在焊 接前必须进行预热，焊接必须焊 2 层，第 1 层焊接 全部检验合格后，再进行第 2 层的焊接。 5.5 胀管 为了保证该设备胀管的质量，采用了制作模拟 胀管试样，其性能指标符合容规第 104 、105 条之规定。 胀管采用液压胀管，严格按照操作程序执行， 不得出现漏胀、过胀等现象。 西 部 煤 化 工 2007 年 第 1 期 -57- 5.6 管箱的消应热处理 消应热处理对 12Cr2Mo1 是非常重要的，消应 热处理的温度为 680 720 ，保温 6 h 。热 处理完成后，对焊缝、热影响区、母材分别测试其 硬度值，各项指标均在合格范围内。 6 检验 壳程和管程所有的 A、B 类焊缝焊接完成后均 进行 100 射线探伤，按 JB4730 - 94 级合格； 进行 20 的超声波复探，按 JB4730 - 94级合 格； 小于 250 的接管对接焊缝作 100 磁粉探伤， 按 JB4730 - 94 I 级合格。 壳体和管箱的 C 、 D 类焊缝作 100 超声波 探伤，按 JB4730 - 94 I 级合格，直径 200 接 管参照该标准执行； C、 D 类焊缝作 100 磁粉探 伤，按 JB4730 - 94 I 级合格；焊接坡口表面在焊前 进行 100 渗透检查，按 JB4730 - 94级合格。 换热管与管板强度焊缝进行 100 着色 检查。 设备试压分 2 步进行， 先对设备壳体进行水压 试验，试验合格后，再作氨渗透试验；管箱组装完 之后，对管程进行水压试验，试验合格后，再对管 箱进行气密性试验。 水压试验合格后，所有受压焊缝作 100 磁 粉或着色检查，按 JB4730 - 94级合格。 12Cr2Mo1 所有经火焰切割后的坡口均进行 100 磁粉探伤，按 JB4730 - 94级合格。 7 结束语 7.1 材料的订货技术条件和验收复验 材料是压力容器制造中的重要控制环节，是设 备能否制造成功的关键，因此必须加强控制，制定 详细的订货技术条件，并严格执行入厂检验。 7.2 制造方案论证及技术交底 由于设备的特殊性和重要性，在制造前应编制 总体制造方案，并进行技术交底和分级交底，编制 详细的制造和焊接工艺以及质检计划和检验要求。 7.3 质量检验控制 （1）编制合成气 / 锅炉给水预热器质量检验 计划和质量控制流程图，确定其制造的停止点、控 制点和见证点，并做好相关记录。 （2）设备所选用的钢板管材均为定尺板和管， 要求有准确的下料图或加工图，在钢板或加工件上 标明尺寸方位，并有专人负责下料的检查工作。 （3）由于是高温卷板，因此在卷板时必须将 辊子清理干净，并保持平整。 （4）管板的机加工是 1 个重要控制点，另外 其它加工件及坡口的加工也必须严格控制，按图纸 和工艺要求严格进行。 （5）焊接是压力容器制造过程中的 1 个重大 控制点，首先要进行焊接性分析，作焊接性试验， 并进行焊接工艺评定，在此基础上再编制产品的焊 接工艺规程 ，由焊接工艺监督员跟踪产品的焊接 情况。 （6）热处理工艺必须在检验合格后才能用在 产品上。 （7）检验必须严格按照图纸和工艺的要求进 行，严格按照标准执行。W 参考文献 1 中国机械工程学会焊接学会。焊接手册。机械工业出版社，2003 2 中国机械工程学会热处理学会。热处理手册。机械工业出版社，2002 3 ASME 锅炉及压力容器规范国际性规范（A、B 篇） 。中国石化出 版社，2001 4 ASME 锅炉及压力容器规范国际性规范 （） 。 中国石化出版社， 2001 5 国家质量技术监督局。压力容器安全技术监察规程。1999 6 国家质量技术监督局。钢制压力容器。中国标准出版社，1998 7 国家质量技术监督局。管壳式换热器。中国标准出版社，2000 8 国家机械工业局，国家石油和化学工业局。钢制压力容器焊接工艺评 定，钢制压力容器焊接规程，钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检 验。2000