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摘要：着重介绍了换热器专用钢管08Cr2AIMo的耐腐蚀性能、力学性能以及08Cr2AIMo与20锻管板异种钢的焊接工艺及换热器制造中的应用。
关键词：08Cr2AIMo;换热管;腐蚀;焊接
酸性水—氨水换热器原管板、换热管的材质采用的是20Ⅱ和10号钢。在使用过程中，由于换热器介质为H2O+H2S ，设备运行两个月后换热管严重腐蚀，导致多处泄漏。若保证换热管长周期良性运转，就必须更新管束材料 。[1]在20世纪70年代初，由上海材料研究所、上钢三厂等单位研制出了抗H2S、HCI、H2O系列应力腐蚀开裂用钢12Cr2AIMoV板材。该钢具有良好的抗H2S应力腐蚀能力，适用于制造较厚的塔体和容器，若用该钢生产钢管制造换热器管束却存在不少问题。为满足石化行业设备的需要，上海材料研究所与江苏兴澄集团及上海炼油厂合作改进了12Cr2AIMo，研究出换热器专用钢管—08Cr2AIMo钢管。
一、08Cr2AIMo钢管的性能
（一）08Cr2AIMo钢的化学成分
08Cr2AIMo钢保留了12Cr2AIMoV钢的耐腐蚀元素Cr、AI、Mo，降低了碳的含量，这是因为，当钢中CrHC<0.14%时形成的（FeCr）5C对耐H2S腐蚀不利，故把碳的含量降低为0.10%以下，AI的加入可以提高单质硫耐腐蚀能力，而且提高了碳的活度，但是AI可使钢中铁素体的脆性增加，从而导致钢的韧性降低，特别是焊接时在熔合线处易产生铁素体，由此通常把AI控制在中下限;Mo和V都是碳化物强烈形成元素，可以提高铁素体和珠光体在温室和高温的强度，而且Mo的加入可以提高钢在水介质中的耐腐蚀性，但是考虑到换热器管壁薄，低硬度和低强度的要求与换热管板相匹配，因此不再加入V元素。
（二） 08Cr2AIMo钢的显微组织和力学性能
08Cr2AIMo钢主要作为换热管，其显微组织为铁素体+珠光体，晶粒度为8级，从室温到500℃高温的拉伸力学性能变化不大、冲击随温度变化无明显的突变特点;08Cr2AIMo钢在标准的H2S实验溶液中腐蚀速率为0.2mgH（cm2.h）; 具有较高的耐H2S腐蚀性能[6]。
08Cr2AIMo钢和10号钢在80℃、5%HCI水溶液进行24h试验，08Cr2AIMo钢的腐蚀速率大约是10号钢的22.6%。具有良好的耐湿HCI性能。
故酸性水-氨水换热器的换热管选用08Cr2AIMo专用钢管，管板选用20Ⅱ;20Ⅱ与16MnⅡ比较见（表3），20Ⅱ的硬度与强度更接近08Cr2AIMo;20Ⅱ的硬度明显低于16MnⅡ，20Ⅱ抗H2S腐蚀开裂性较16MnⅡ好。
二、20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管焊接
20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管焊接质量的优劣直接影响换热器的使用寿命，本文作者通过对20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管的焊接性能分析，并进行焊接工艺试验，证明所确定的焊接工艺是可行的，解决了20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管异种钢焊接问题。
（一）焊接性能分析
20Ⅱ管板與08Cr2AIMo换热管化学成分及力学性能分别见表4、表3、表2、表1;从以上各表可见，通过上述分析08Cr2AIMo换热管具有抗H2S-H2O、HCI- H2O等体系的应力腐蚀能力和抗氢致开裂能力，同时08Cr2AIMo钢管硬度与20Ⅱ管板的硬度相匹配，可以满足换热器制造工艺。
（二）焊接中易出现问题及预防措施
08Cr2AIMo钢虽然具有良好的耐H2S腐蚀性能，但08Cr2AIMo异种钢焊材熔焊的焊接接头在焊后高温冷却至800～850℃时发生强烈的碳扩散，因碳迁移而形成脱碳层，即铁素体带状组织，从而降低焊接接头的综合性能;为保证焊接金属成分和性能与母材相匹配，具有良好的耐腐蚀性，宜采用08Cr2AIMo钢管专用焊丝[2]。
另外，08Cr2AIMo钢中的AI元素提高了相变温度，08Cr2AIMo的A3点在950～1000℃之间，为了减少焊接线能量，适当增加相变温区冷却速度，以防止铁素体带状组织产生[2]。
碳素钢及低合金钢在H2O+H2S环境中易产生氢致开裂，并且焊接接头的氢诱发敏感性随着接头显微组织的硬度提高而增大，当硬度低于HB200时，焊接接头具有良好的抗氢致开裂性能;当硬度大于HB200时，焊接接头表现出氢致开裂倾向。焊接输入线能量增大时，焊接组织长大晶粒粗化，S、P夹杂物尺寸边随之长大，导致焊缝抗氢致开裂能力下降[3]。所以需要严格控制焊接线能量，并且进行焊后消氢处理及焊后热处理，以降低焊接接头硬度，从而避免氢致开裂。
（三）焊接工艺试验
（1）确定焊接方法及焊材
20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管焊接属于异种金属焊接，异种金属焊接能否获得满意的焊接接头，关键取决于选择焊接方法及合适的焊接填充材料。因此选择操作方便、易于控制熔边形状及焊缝成形好、能量集中、热影响区小、焊接变形小的变频自动管板钨机氩弧焊方法;焊接填充材料08Cr2AIMo换热管专用焊丝[4]。
（2）焊接试样的制备
焊接工艺试验时，20Ⅱ管板厚度50mm，选用08Cr2AIMo换热管、规格为Ф25×2.5mm，管子与管板试板坡口形式及尺寸，如图1所示
（3）焊接工艺参数的确定
借鉴08Cr2AIMo材料的焊接，针对性制定合适的焊接工艺;焊丝直径0.8mm，钨极直径为2.5mm，氩气流量为8～10L/min，焊接工艺参数见表5[5]
（4）焊接技术要求：
①焊接前用丙酮清洗管板坡口两侧及列管管端50mm范围内除去油污、铁锈。为防止冷裂纹，对组装好的管板与列管进行预热，预热温度为120～150℃。 ②焊接过程中，严格控制焊接线能量，尽量采用小的焊接线能量。为防止焊接应力和变形，焊接时采用对称焊接，保持温度上限在规定的范围内。焊接第一层不加焊丝，直接熔合母材，主要是熔合08Cr2AIMo材料;焊接第二层、三层时添加08Cr2AIMo专用焊丝进行焊接。
③焊后立即对试板进行250℃时长1h的后热处理。
④后热处理后冷却，再对试板进行670℃ 保温2h的焊后消除应力热处理。
三、焊后对试板检验
（一）着色检验[7]
试板焊接完毕后，先对焊缝进行外观检查，合格后进行热处理 ，24h后再对每个焊接接头按照NB/T47017规定进行100%渗透检测，未发现有裂纹、气孔等焊接缺陷。
（二）金相检验[3]
按照图1虚线所示，热区呈对角线位置的两管头切开，两切口互相垂直。切口一侧面应通过换热管中心线，该侧面即为金相检测面，如图1中A、B、C、D、E、F、G、H 8个截面，通过对各截面的宏观检查，未发现有裂纹、气孔、未熔合等缺陷，接头熔合良好。
（三）硬度测定
对管子-管板焊接接头的硬度测定，测定结果为：焊缝硬度 HB183/185/190， 平均为HB186，管子测热影响区硬度为HB193/195/197， 平均為HB195，管板则热影响区硬度为HB176/182/185， 平均为HB181。
经过焊接工艺评定试验，采用上述焊接工艺规范（包括热处理规范）焊接08Cr2AIMo换热管与20锻管板，避免了焊接时易出现的问题，焊接接头性能可以满足设备工作需求。
四、工程应用
鑫大公司生产的4台上下重叠浮头式酸性水—氨水换热器，设计图号HJD662、HJD663、HJD664、HJD665、HJD666，设计类别Ⅰ类，其设计条件见表6。
按照上述焊接工艺规范进行20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管焊接，具有良好的焊接性能，24h后再对每个焊接接头按照NB/T47017规定进行100%渗透检测，未发现有裂纹、气孔等焊接缺陷。经1.81 MPa压力试验，管子与管板焊接接头处无泄漏现象，满足制造要求[7]。
该换热器投入使用已两年，工作中未发生腐蚀泄露。实践证明，选择该篇文章论述的焊接工艺规范，对20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管进行焊接，焊缝不仅具有合格的机械强度，还具有较高的耐腐蚀性，保证了产品制造过程的质量。
五、结论
通过对20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管焊接性能分析，进行了焊接工艺试验，确定了合适的焊接工艺规范，解决了20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管异种钢的焊接问题。
实践证明，采用本文论述的工艺规范焊接的换热器，保证了制造过程的焊接质量;所制造的换热器经过两年多的运行，工作中未出现泄漏现象，焊接接头完全能满足企业工程要求。
参考文献：
[1]郑文龙、朱中亚、林荣珑 抗硫化氢应力腐蚀的08Cr2AIMo换热器专用管。压力容器 2011.18.（1）18～21
[2]周旭辉、胡传顺、将方用08Cr2AIMo钢一种焊接接头中铁素体带形成温度 压力容器 2003. 20.（6）42～45
[3]NB/T470014-2011《承压设备焊接工艺评定》
[4]焊接工程师手册
[5]NB/T47014《承压设备焊接工艺评定》
[6]GB/T152—2014《换热器》
[7]《承压设备产品焊接试件的力学性能试验》
关键词：08Cr2AIMo;换热管;腐蚀;焊接
酸性水—氨水换热器原管板、换热管的材质采用的是20Ⅱ和10号钢。在使用过程中，由于换热器介质为H2O+H2S ，设备运行两个月后换热管严重腐蚀，导致多处泄漏。若保证换热管长周期良性运转，就必须更新管束材料 。[1]在20世纪70年代初，由上海材料研究所、上钢三厂等单位研制出了抗H2S、HCI、H2O系列应力腐蚀开裂用钢12Cr2AIMoV板材。该钢具有良好的抗H2S应力腐蚀能力，适用于制造较厚的塔体和容器，若用该钢生产钢管制造换热器管束却存在不少问题。为满足石化行业设备的需要，上海材料研究所与江苏兴澄集团及上海炼油厂合作改进了12Cr2AIMo，研究出换热器专用钢管—08Cr2AIMo钢管。
一、08Cr2AIMo钢管的性能
（一）08Cr2AIMo钢的化学成分
08Cr2AIMo钢保留了12Cr2AIMoV钢的耐腐蚀元素Cr、AI、Mo，降低了碳的含量，这是因为，当钢中CrHC<0.14%时形成的（FeCr）5C对耐H2S腐蚀不利，故把碳的含量降低为0.10%以下，AI的加入可以提高单质硫耐腐蚀能力，而且提高了碳的活度，但是AI可使钢中铁素体的脆性增加，从而导致钢的韧性降低，特别是焊接时在熔合线处易产生铁素体，由此通常把AI控制在中下限;Mo和V都是碳化物强烈形成元素，可以提高铁素体和珠光体在温室和高温的强度，而且Mo的加入可以提高钢在水介质中的耐腐蚀性，但是考虑到换热器管壁薄，低硬度和低强度的要求与换热管板相匹配，因此不再加入V元素。
（二） 08Cr2AIMo钢的显微组织和力学性能
08Cr2AIMo钢主要作为换热管，其显微组织为铁素体+珠光体，晶粒度为8级，从室温到500℃高温的拉伸力学性能变化不大、冲击随温度变化无明显的突变特点;08Cr2AIMo钢在标准的H2S实验溶液中腐蚀速率为0.2mgH（cm2.h）; 具有较高的耐H2S腐蚀性能[6]。
08Cr2AIMo钢和10号钢在80℃、5%HCI水溶液进行24h试验，08Cr2AIMo钢的腐蚀速率大约是10号钢的22.6%。具有良好的耐湿HCI性能。
故酸性水-氨水换热器的换热管选用08Cr2AIMo专用钢管，管板选用20Ⅱ;20Ⅱ与16MnⅡ比较见（表3），20Ⅱ的硬度与强度更接近08Cr2AIMo;20Ⅱ的硬度明显低于16MnⅡ，20Ⅱ抗H2S腐蚀开裂性较16MnⅡ好。
二、20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管焊接
20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管焊接质量的优劣直接影响换热器的使用寿命，本文作者通过对20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管的焊接性能分析，并进行焊接工艺试验，证明所确定的焊接工艺是可行的，解决了20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管异种钢焊接问题。
（一）焊接性能分析
20Ⅱ管板與08Cr2AIMo换热管化学成分及力学性能分别见表4、表3、表2、表1;从以上各表可见，通过上述分析08Cr2AIMo换热管具有抗H2S-H2O、HCI- H2O等体系的应力腐蚀能力和抗氢致开裂能力，同时08Cr2AIMo钢管硬度与20Ⅱ管板的硬度相匹配，可以满足换热器制造工艺。
（二）焊接中易出现问题及预防措施
08Cr2AIMo钢虽然具有良好的耐H2S腐蚀性能，但08Cr2AIMo异种钢焊材熔焊的焊接接头在焊后高温冷却至800～850℃时发生强烈的碳扩散，因碳迁移而形成脱碳层，即铁素体带状组织，从而降低焊接接头的综合性能;为保证焊接金属成分和性能与母材相匹配，具有良好的耐腐蚀性，宜采用08Cr2AIMo钢管专用焊丝[2]。
另外，08Cr2AIMo钢中的AI元素提高了相变温度，08Cr2AIMo的A3点在950～1000℃之间，为了减少焊接线能量，适当增加相变温区冷却速度，以防止铁素体带状组织产生[2]。
碳素钢及低合金钢在H2O+H2S环境中易产生氢致开裂，并且焊接接头的氢诱发敏感性随着接头显微组织的硬度提高而增大，当硬度低于HB200时，焊接接头具有良好的抗氢致开裂性能;当硬度大于HB200时，焊接接头表现出氢致开裂倾向。焊接输入线能量增大时，焊接组织长大晶粒粗化，S、P夹杂物尺寸边随之长大，导致焊缝抗氢致开裂能力下降[3]。所以需要严格控制焊接线能量，并且进行焊后消氢处理及焊后热处理，以降低焊接接头硬度，从而避免氢致开裂。
（三）焊接工艺试验
（1）确定焊接方法及焊材
20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管焊接属于异种金属焊接，异种金属焊接能否获得满意的焊接接头，关键取决于选择焊接方法及合适的焊接填充材料。因此选择操作方便、易于控制熔边形状及焊缝成形好、能量集中、热影响区小、焊接变形小的变频自动管板钨机氩弧焊方法;焊接填充材料08Cr2AIMo换热管专用焊丝[4]。
（2）焊接试样的制备
焊接工艺试验时，20Ⅱ管板厚度50mm，选用08Cr2AIMo换热管、规格为Ф25×2.5mm，管子与管板试板坡口形式及尺寸，如图1所示
（3）焊接工艺参数的确定
借鉴08Cr2AIMo材料的焊接，针对性制定合适的焊接工艺;焊丝直径0.8mm，钨极直径为2.5mm，氩气流量为8～10L/min，焊接工艺参数见表5[5]
（4）焊接技术要求：
①焊接前用丙酮清洗管板坡口两侧及列管管端50mm范围内除去油污、铁锈。为防止冷裂纹，对组装好的管板与列管进行预热，预热温度为120～150℃。 ②焊接过程中，严格控制焊接线能量，尽量采用小的焊接线能量。为防止焊接应力和变形，焊接时采用对称焊接，保持温度上限在规定的范围内。焊接第一层不加焊丝，直接熔合母材，主要是熔合08Cr2AIMo材料;焊接第二层、三层时添加08Cr2AIMo专用焊丝进行焊接。
③焊后立即对试板进行250℃时长1h的后热处理。
④后热处理后冷却，再对试板进行670℃ 保温2h的焊后消除应力热处理。
三、焊后对试板检验
（一）着色检验[7]
试板焊接完毕后，先对焊缝进行外观检查，合格后进行热处理 ，24h后再对每个焊接接头按照NB/T47017规定进行100%渗透检测，未发现有裂纹、气孔等焊接缺陷。
（二）金相检验[3]
按照图1虚线所示，热区呈对角线位置的两管头切开，两切口互相垂直。切口一侧面应通过换热管中心线，该侧面即为金相检测面，如图1中A、B、C、D、E、F、G、H 8个截面，通过对各截面的宏观检查，未发现有裂纹、气孔、未熔合等缺陷，接头熔合良好。
（三）硬度测定
对管子-管板焊接接头的硬度测定，测定结果为：焊缝硬度 HB183/185/190， 平均为HB186，管子测热影响区硬度为HB193/195/197， 平均為HB195，管板则热影响区硬度为HB176/182/185， 平均为HB181。
经过焊接工艺评定试验，采用上述焊接工艺规范（包括热处理规范）焊接08Cr2AIMo换热管与20锻管板，避免了焊接时易出现的问题，焊接接头性能可以满足设备工作需求。
四、工程应用
鑫大公司生产的4台上下重叠浮头式酸性水—氨水换热器，设计图号HJD662、HJD663、HJD664、HJD665、HJD666，设计类别Ⅰ类，其设计条件见表6。
按照上述焊接工艺规范进行20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管焊接，具有良好的焊接性能，24h后再对每个焊接接头按照NB/T47017规定进行100%渗透检测，未发现有裂纹、气孔等焊接缺陷。经1.81 MPa压力试验，管子与管板焊接接头处无泄漏现象，满足制造要求[7]。
该换热器投入使用已两年，工作中未发生腐蚀泄露。实践证明，选择该篇文章论述的焊接工艺规范，对20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管进行焊接，焊缝不仅具有合格的机械强度，还具有较高的耐腐蚀性，保证了产品制造过程的质量。
五、结论
通过对20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管焊接性能分析，进行了焊接工艺试验，确定了合适的焊接工艺规范，解决了20Ⅱ管板与08Cr2AIMo换热管异种钢的焊接问题。
实践证明，采用本文论述的工艺规范焊接的换热器，保证了制造过程的焊接质量;所制造的换热器经过两年多的运行，工作中未出现泄漏现象，焊接接头完全能满足企业工程要求。
参考文献：
[1]郑文龙、朱中亚、林荣珑 抗硫化氢应力腐蚀的08Cr2AIMo换热器专用管。压力容器 2011.18.（1）18～21
[2]周旭辉、胡传顺、将方用08Cr2AIMo钢一种焊接接头中铁素体带形成温度 压力容器 2003. 20.（6）42～45
[3]NB/T470014-2011《承压设备焊接工艺评定》
[4]焊接工程师手册
[5]NB/T47014《承压设备焊接工艺评定》
[6]GB/T152—2014《换热器》
[7]《承压设备产品焊接试件的力学性能试验》