高压空冷器管箱的制造
顾晶‘，裴红２（１．兰石集团兰州长征机械厂，甘肃兰州７３００５０；
２．兰石集团兰石进出口公司，甘肃兰州７３００５０）
摘要：为了制造国产的高压空冷器，某厂对其从结构的设计、选材到各项焊接方法、热处理试验等进行了一系列的设计、工艺攻关，其中高压空冷器管箱通过见证件的试制，证明已掌握了高压空冷器的各项焊接、热处理工艺，并为厂家设计制造了多台高压空冷器，均满足了各项技术的要求。
关键词：高压空冷器；管箱结构；应力腐蚀；焊后热处理
中图分类号二ＴＱ０５１文献标识码：Ｂ文章编号：１００１一４８３７（２００５）０１ － ００２５一。
Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｃｈａｎｎｅｌ ｏｆ Ｈｉｇｈ一ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ａｉｒ Ｃｏｏｌｅｒ
ＧＵ Ａｎ， ＰＥＩ Ｈｏｎｇ＇
（１．Ｃｈａｎｇｚｈｅｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｐｌａｎｔ ｏｆ ＬＳ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０， Ｃｈｉｎａ； ２． ＩＳ Ｉｍｐｏｒｔ＆Ｅｘｐｏｒｔ Ｃｏ．，
ｏｆ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ＆Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｗｏｒｋｓ， Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｈｏｍｅｍａｄｅ ｈｉｇｈ一ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｉｒ ｃｏｏｌｅｒ， ｏｕｒ ｆａｃｔｏｒｙ ｈａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ａ ｌｏｔ ｏｆ
ｗｏｒｋｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ， ｍａｔｅｒｉａｌ， ｗｅｌｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｃｈｏｉｃｅ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ， ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｒａｉｌ一ｐｒｏｄｕｃｔ ｏｆ ｃｈａｎｎｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ一ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｉｒ ｃｏｏｌｅｒ， ｉｔ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｏｕｒ ｗｏｒｋｓ ｈａｖｅ ｍａｓｔｅｒ
ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ， ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈ一ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｉｒ ｃｏｏｌｅｒ， ａｎｄ ｗｅ ａｌｓｏ ｈａｖｅ ｓｕｃｃｅｓｓ－ｆｕｌｌｙ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｍａｎｙ ｓｅｔｓ ｏｆ ｈｉｇｈ一ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｉｒ ｃｏｏｌｅｒ ｆｏｒ ｓｏｍｅ ｃｕｓｔｏｍｅｒｓ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｌｌ ｔｈｅ ｈｉｇｈ
一ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｉｒ ｃｏｏｌｅｒｓ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｈｉｇｈ一ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｉｒ ｃｏｏｌｅｒ； ｃｈａｎｎｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ； ｗｅｌｄｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
１前言
在石化行业、炼油厂及煤液化等行业中，空冷器是一种被广泛采用的换热设备，过去，我国生产的空冷器设计压力多小于１０ ＭＰａ，而高压空冷器主要依赖于进口，为了制造出国产的高压空冷器，某厂进行
了一系列的设计、工艺攻关，达到了产品的技术要求。本文论述了其中的制造难点—管箱本体承压
焊缝的制作。
２材料的选用
考虑到高压空冷器在不同使用环境下工作的要求，对管箱用钢板选取了两种材质：一种是适用于临氢介质用１５ＣｒＭｏＲ（Ｈ）钢，另一种是抗硫化氢应力腐蚀用１６ＭｎＲ（ＨＩＣ）钢，两种钢在压力容器制造行业中
已被广泛采用并有成熟的使用经验。空冷器管束用钢管经论证选用了具有高的抗Ｈ２Ｓ应力腐蚀开裂能力，高的高温力学性能和低脆性转变温度的０８Ｃｒ２ＡＩＭ。钢管，其化学成分见表１、力学性能见表
２０
３焊接材料的选择
由于高压空冷器管箱管束部分使用１６ＭｎＲ（ＨＩＣ）和１５ＣｒＭｏＲ（Ｈ）两种钢板制作，因此按设计要
２５
万方数据高压空冷器管箱的制造Ｖｏ１２２． Ｎｏｔ ２００５
求匹配所需焊材。
表Ｉ高压空冷器选用材料的化学成分（％）材料牌号ＣＭｎｓｉＰｓＣｒＭｏＮｉＣｕ
１６ＭｎＲ（ＨＩＣ）
１５ＣｒＭｏＲ（Ｈ）
０８Ｃｒ２ＡＩＭｏ０．１８
０．１４
０．０８１．２９
０．６４
０．３３０．４
０．２５
０．２６０．１１
０．０１２
０．０１０．００４
０．００５
０．仪９１．０３
，１９０．５３
０．３１０．０９
０．３９６０．１４
０．１６的焊接方法，管箱隔板、管板、丝堵板，侧板可以一次
装配成型，而且采用全焊透式结构见图＞（ｂ），其管
箱结构焊缝系数高，焊接变形小，管箱制做尺寸精度
高，通过焊后热处理，使其各项指标均能达到高压空
冷器的设计要求。
表２高压空冷器选用材料的力学性能
材料牌号 ａ占（ＭＰａ） ６０．２（ＭＰａ） ６，（％）Ａ，ｖ（Ｊ）冷弯１８００无裂纹
１６ＭｎＲ（ＨＩＣ）
１５ＣｒＭｏＲ（Ｈ）
０８Ｃｒ２ＡＩＭｏ５７０
５５０
４８５３９５
４００
３２０３１
２６
３３ 一３０＇Ｃ１１３，１０６，９０
一１０９０１２０，１６５，１６３Ｄ＝３ａ
Ｄ＝３ａ事一一习－口Ｌｅｓ
ｒ刁厂，
（ａ）管箱带垫板式结构
３．１ １６ＭｎＲ（ＨＩＣ）钢焊接用焊材 为保证焊缝具有与母材同样的抗氢诱导开裂（ＨＩＣ）的能力，对焊缝金属也提出以下要求，除按ＪＢ４７０８－２０００要求外，还需保证含Ｓ，０．０１０，含Ｐ｝，－
０．０２０，焊缝金属一３０℃夏比冲击试验平均值Ａ ＫＶ
２７ Ｊ，单个值）２０），硬度值不大于２００ ＨＢ以及抗ＨＩＣ试验，根据这些要求，制定了１６ＭｎＲ （ＨＩＣ ）焊材
订货技术条件，经筛选确定为手工焊条：Ｊ５０７ＲＨ，埋弧自动焊：Ｈ０８Ｍｎ２Ｅ（焊丝）十ＳＪ１０１（焊剂），Ｃ０２气保
焊药芯焊丝：ＳＱＪ５０１ Ｎｉ， Ｃ０２气保焊实芯焊丝：
Ｈ０９ＭｎＳＨｏ
３．２ １５ＣｒＭｏ（Ｈ）钢焊接用焊材 为保证焊缝在临氢介质条件下使用，除按
ＪＢ４７０８－２００（〕要求以外，还要求焊缝金属满足如下要求：含Ｓ＿＜０．０１２， Ｐ，０．０１５，焊缝金属＋１０℃夏比冲击试验平均值ＡＫＶ｝＿＞ ５４），单个值）４７），焊缝金属
一１０℃夏比冲击试验平均值ＡＫｖ｝＿＞ ４１），单个值）３４
Ｊ，熔敷金属硬度ＨＢ － ２２５，经筛选确定为手工焊条：
Ｒ３０７Ｃ，埋弧自动焊：Ｈ０８ＣｒＭｏＣ（焊丝）＋ ＳＪ１１０（焊
剂），Ｃ０２气保焊药芯焊丝：ＦＬＵＸＯＬＦＩＬ３６， Ｃ仇气保
焊实芯焊丝：Ｈ０８ＣｒＭｏＣｏ （ｂ）管箱全焊透式结构图１空冷器管箱结构图
５焊接方法的确定
空冷器的管箱结构由于管箱内腔空间小，有的只有１００ ｍｍ ｘ １００ ｍｍ ｘ ３０００ ｍｍ，一般的自动焊设
备无法使用，工厂与焊接设备公司根据空冷器管箱的特点共同研制了一台可进行小空间、长距离，可进
行埋弧自动焊和气体保护焊焊接两用的焊接设备，经反复试验确定了下列焊接方法。管箱隔板与管
板、丝堵板间焊缝的焊接（焊缝的结构型式见图２）０
为了保证即要焊透又不烧穿，并解决清渣困难，采用
药芯焊丝气体保护焊方法进行自动焊接，根据板厚焊接１一２遍。４高压空冷器管箱的结构改进
空冷器的管箱结构见图１，过去由于空冷器管
箱没有专用的焊接设备，管箱的主要焊接接头型式全部采用带垫板式结构，只能采用手工焊接，装配时先装隔板，焊接完后再装上下两盖板，如图１（ａ）这
种结构的焊缝系数低，达不到高压空冷器的要求并
且焊后变形大，整个管箱的尺寸不易控制，使用现在
・２６・ 图２管箱隔板与管板、丝堵板间的焊缝型式管箱承压主焊缝的内侧焊缝为填角焊缝，相当
万方数据第２２卷第１期压力容器总第１４６期
于外侧焊缝的金属垫板，可采用埋弧自动焊和Ｃ０２
气体保护焊，埋弧自动焊要求其焊剂的输送必须一直连续不间断地均匀、适量的送至电弧区内，而且送
焊剂的气体必须经过去湿处理，否则会将水份带人焊剂，使焊缝产生气孔。另外，该气体压力要适当，
压力太小，不能拖动焊剂前进，且输送不均匀。压力
太大时会将焊剂吹散，而且影响电弧稳定燃烧使焊缝产生严重气孔。Ｃ０２气体保护焊采用药芯焊丝，
虽然施焊成本增加了一些，但焊接质量更易保证，只
要调整好合适的焊接规范，更易得到良好的焊接质
量。 外侧焊缝对清根要求较高，既要保证焊缝根部未熔合区清理干净，又要保证不刨偏，以免发生刨穿
现象（因不易实现焊补）。因此在清根后用焊条电弧
焊打两遍底，然后采用埋弧自动焊焊完。 管箱端板与管箱主体之间的焊接只能采用单面
焊，为保证焊接质量，采用钨极氢弧焊打底，焊条电
弧焊焊完。装配时要保证焊缝间隙。 接管法兰与管箱盖板间的焊接采用单面手工焊，根部留有至少２ ｎｉｍ间隙，焊后将其根部加工
（见图３），以保证得到高质量全焊透的焊缝。表３焊后热处理的实验结果
试板编号热处理状态拉伸试验结果
ａｓ（ＭＰａ） ａｂ（ＭＰａ）８５（％） ｓｂ、又％）１＃
２＃
３＃原始态（正火态）原始态（正火态）十６２０｀Ｃ ｘ ８ｈＰＷＨＴ＊
原始态（正火态）十６２００Ｃ ｘ ８ｈＰＷＨＴ＊６７５＇Ｃ ｘ ２ｈＰＷＨ叮朴３６０
３１５
３１０５７０
５１０
５１０３０
３３
３４６９
６８
７２
１６ＭｎＲ（ＨＩＣ）钢标准值８＝３８）３０５４７０￣ ６００Ｘ２１
注：ＰＷＨ＇ｒ为焊后热处理。
叉玉
图３接管法兰与管箱盖板间的焊缝型式
６焊后热处理
由于与管箱管板相焊的换热管采用的材料为０８Ｃｒ２ＡＩＭｏ，焊后消除应力热处理温度定为６７５℃，而１６ＭｎＲ（ＨＩＣ）材料的管箱焊后消除应力热处理温
度为６２０℃，为此，按实际热处理过程对母材进行了模拟热处理试验，即切取三块１００ ｍｍ ｘ １５０ ｍｍ ｘ ３９
ｍ的１６ＭｎＲ（ＨＩＣ ）钢板，分别的编号为１＃，２＃，３＃，其中１“为钢板原始态（正火态），２＃ ，３＃进行６２０℃
ｘ ８ｈＰＷＨ＇Ｉ，处理，处理完毕后，再将３“板进行６７５℃ｘ ２ｈＰＷＨＴ处理，其试验结果见表３． 从实验结果看，１６ＭｎＲ （ＨＩＣ）钢材经６２０＇Ｃ ｘ８ｈＰＷＨＴ＋６７５＇Ｃ ｘ ２ｈＰＷＨＴ两次热处理后，其强度虽
有下降，但仍高于标准抗拉强度的下限，说明采用的热处理工艺在保证管子与管板焊缝要求的同时，也
能满足管箱的性能要求。７见证件的试制
为了掌握高压空冷器的关键制造技术，设计了一台高压空冷器的模拟产品，其设计压力尸设＝
１８．６ ＭＰａ结构与实际产品完全一样，仅是尺寸缩小，一端管箱的材质为１５ＣｒＭｏＲ （Ｈ），另一端为
１６ＭｎＲ（ＨＩＣ ），管束钢管材质为０８Ｃｒ２ＡＩＭｏ，根据
ＪＢ４７０８－２０００规定和设计技术条件要求，就管箱部分做了７项焊接工艺评定，见表４。工艺评定的结
果见表５． 根据试制结果，证明所设计制造的高压空冷器完全达到了技术条件的要求，其焊接、热处理工艺是
适合的，能够确保产品质量。
８ １６ＭｎＲ（ＨＩＣ）接头的抗氢诱导裂纹（ＨＩＣ）试验
从焊接工艺评定ＳＡＷ， ＳＭＡＷ试板上各取一组（三件拉棒）试样进行抗氢诱导裂纹试验，方法按
ＧＢ８６５０－８８，取样部位为Ｔ ｘ Ｔ／２，按横向制取试样，试样尺寸为２０ ｎｕｎ ｘ ２０ ｍｍ ｘ １００ ｎｕｎ。具体要求
如下： ｐＨ ＝３．０一４．０， ＨＺＳ饱和０．５％醋酸＋５％ ＮａＣｌ混合溶液，试验温度２０一２７℃，试验压力０．０８４５
ＭＰａ． 其试验结果为：
（１）试样表面未发现氢鼓包；（２） ＣＬＲ＝２．５２％，ＣＴＲ二０．７１ ％， ＣＳＲ ＝０．０５１％，按要求满足：ＣＬＲ ＝
５％，ＣＴＲ＝１．５ ％， ＣＳＲ＝０．５％（平均值） 即试样抗湿硫化氢诱导开裂（ＨＩＣ ）试验合格。
９结论
（１）通过见证件的试制，证明已掌握了高压空冷器的制造技术，所制定的各项焊接、热处理工艺正
２７
万方数据
