摘要：管壳式换热器复合管板的制造工艺有多种方法可以选择，例如爆炸复合与堆焊等，不同工艺在特定设计条件下有不同的优势与劣势。本文结合我司出口美国项目的实际情况，选取了一例有大厚度双相钢耐蚀层的管壳式换热器复合管板制造过程，及其各项试验结果，来探讨相关工艺方法的特点与适用性。
关键词：管壳式换热器：复合管板：双相钢耐蚀层：爆炸复合：带极堆焊：SAW：ESW
1、前言
当管壳式换热器单侧介质对材料有较高耐蚀要求时，带有耐蚀层的复合管板结构往往能在满足耐蚀技术要求的同时兼顾整台换热器的经济性。耐蚀复合层往往有有效厚度和化学成分等方面的要求，而采用双相钢材料作为耐蚀材料时，可能还会有金相组织方面的要求。
目前我司在项目实践过程中，结合多数合作制造厂的实际，常采用以下制造工艺：
a）爆炸复合
b）带极堆焊（埋弧焊SAW或电渣焊ESW）
客户对耐蚀层的要求
c）耐蚀层材料应为UNS S32205（2205双相不锈钢）或等效的堆焊材料如AWS A5.9 EQ2209，完成加工状态覆层厚度需达到13mm。
d）化学成分应符合UNS S32205（2205双相不锈钢）的要求，检测数量为每块管板3个点（取在完成加工的表面），每个焊评试样（如采用堆焊方法，取在堆焊表面以下3mm）3个点，检测方法为光谱检测法。
e）铁素体含量应通过磁性法检测（根据AWS A4.2），检测数量为每块管板5个点（取在完成加工的表面），每个焊评试样（如采用堆焊方法，取在堆焊表面以下3mm）5个点，合格标准为30%~65%。
f）如采用堆焊方法，需要在焊评试样的堆焊截面、堆焊表面、堆焊表面以下3mm处检测硬度，检测数量为每个区域至少3个点，检测方法为维氏硬度法（根据ASTM E92），合格标准为HV（10）≤320。
g）如采用堆焊方法，焊评试样需要通过腐蚀试验，取样位置为堆焊表面以下3mm，检测数量1个，检测方法为ASTM A923 C法，合格标准为≤10mdd。
2、爆炸复合法的尝试与失败原因分析
合作制造厂并无现成的符合此耐蚀堆焊要求的焊评，加上考虑到客户对堆焊过程中元素扩散、金相改变导致耐蚀层失效的风险极为谨慎，且耐蚀堆焊需做更多试验，故先选取了爆炸复合法。
爆炸复合完成后进行表面机加工，然后进行超声检测，发现覆层以下5mm处有近似裂纹的缺陷指示，磨开后确认其为微裂纹，合作制造厂向我司通报了这一情况。
经过讨论，与进一步的检测分析，我们认为，爆炸复合的失败，可能主要有以下几个方面的原因：
a）加工完成后13mm，即投料厚度需为16mm甚至于更厚，这种厚度下的爆炸复合难度明显大于通常3~6mm的爆炸复合难度。
b）双相不锈钢强度大，加工性能较之奥氏体不锈钢较差，加工产生的应力易于造成缺陷。
c）爆炸复合厂商有较厚覆层的复合经验，也有双相钢覆层的经验，但两者结合在一起的经验仍然缺乏，需要稳定保证产品质量可能还需对工艺进行持续的探索和改进。
3、堆焊工艺的选择
爆炸复合法如经过工艺的持续改进，应该也可能成功，然而第二次复合就成功的把握并不是太大，面对项目工期和有限的预算也不可能进行这样的冒险，讨论后我们决定转向堆焊的工艺。
带极堆焊技术是目前较为常用的堆焊方法，其带状电极能有效提高堆焊效率（由于采用了薄板式宽电极和高的焊接电流，所以它的熔敷速度是各种单丝堆焊熔敷速度 的十几倍至几十倍），当前主流的方法主要分为带极埋弧堆焊（SAW）和带极电渣堆焊（ESW）。
其中，带极埋弧堆焊（SAW）与普通埋弧焊（SAW）相似，工艺成熟，即便是较少接触堆焊的制造厂家也容易掌握。
而带极电渣堆焊（ESW）相对而言是属于较新的工艺，多数厂家刚接触时不太容易有现成的焊接工艺进行对照参考。然而参考一些带极电渣堆焊（ESW）的介绍资料，其与带极埋弧堆焊（SAW）相比，往往有熔敷率高、元素稀释少、焊剂烧损低、利于气孔逸出等优点。
在决定工艺之前我们先进行了一系列的试验，焊机调试完毕后，初次试验采用带极埋弧堆焊（SAW），而后各项检测有大量指标未达标。而后我们采取了SAW和ESW并行调试相互对比的方法，通过调试焊机，调整焊带牌号和焊剂成分来争取达到最佳效果。
下面截取了试验中调试比较稳定后的两组代表性数据（测试2中使用了焊材厂家根据试验调整配方后的焊剂，故还没有编制牌号）：
根据表中数据可以看到，SAW在熔敷第一层的时候元素稀释明显，无论是化学成分还是铁素体含量都明显偏离了原材料；第二层时情况有大幅改善，但与要求还有明显差距；直到第三层时才基本和要求接近。而ESW第一层时也没有太明显的元素稀释，且后面每一层的表现基本都优于同层数的SAW，第二层开始就已基本满足化学成分和铁素体含量方面的要求。
按项目要求的覆层厚度，堆焊应该需要进行到至少5层，从上面的试验结果推断，两种方法应该都能够满足要求。考虑经过反复试验，两种方法的操作都趋于熟练，最后我们在产品上应用了性能表现更佳的带极电渣堆焊（ESW）。
4、结论及思考
最后我们采用ESW进行了焊评，通过了开头所述的各项试验，后续所有相关产品的焊接也都一次通过，客户对该工艺的表现十分满意。
通过这次项目的实践，考虑所尝试的各种工艺的表现，我们得出初步结论：
a）爆炸复合在较薄耐蚀覆层厚度时可能是非常稳妥的工艺，但在缺乏必要经验积累的情况下直接用于大厚度的双相钢覆层制造上并不稳妥。
b）带极埋弧堆焊（SAW）在元素稀释方面的表现确实欠佳，但在有足够厚度裕量作为过渡层的情况下也可使用。
c）带极电渣堆焊（ESW）在进行双相钢耐蚀覆层的制造上应该有较大应用空间，也确实是最适合本次项目技术要求的工艺。
虽然这几种工艺方法应该都有更大的改进空间，但由于本次项目情况及条件所限，无法对各相关的理论一一进行试验论证，并深挖几种工艺的潜力。本篇仅作抛砖引玉之作，欢迎各位行业同仁进一步探讨。
参考文献：
[1] ASME Boiler and Pressure Vessel Code II
[2] ASME Boiler and Pressure Vessel Code IX
[3] AWS A5.9/A5.9M
作者简介：
1.黄盛晔，1987年，男，籍贯：浙江省湖州市，中级工程师，现主要从事各类工业气体装置及下游产业装置中静设备的设计、采购与监造工作，负责设备涵盖压力容器、换热器、塔器等类型，参与了多个国内外（包括欧、美、中东、俄罗斯等）重大项目。
2.庞学锋，1986年，男，籍贯：浙江省台州市，中级工程师，现主要从事空气分离装置、制氢装置和液化天然气装置中静设备的设计，负责设备涵盖塔器、管壳式换热器、压力容器、过滤器、空浴式/水浴式汽化器、电加热器等类型，并对于大型项目作为专业负责人主导本专业执行工作。
3.刘家虎，1974年，男，籍贯：陕西省商洛市，中级工程师，现主要从事低温常压、真空绝热贮槽设计；空气分离装置中静态设备的设计；低温液态氧、氮、氩汽化系统的工艺设计等工作。
论文作者:黄盛晔,庞学锋,刘家虎
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/5
标签：覆层论文; 工艺论文; 耐蚀论文; 厚度论文; 换热器论文; 方法论文; 管壳论文; 《基层建设》2019年第4期论文;