制氫裝置轉(zhuǎn)化爐冷壁集合管與變徑接頭的焊接

吳國良 （南京汽輪電機集團泰興寧興機械有限公司 江蘇 泰興 225442）

一、前言

本公司于2009年8月份與山東某石化集團有限公司簽訂兩臺2萬標立/小時制氫轉(zhuǎn)化爐冷壁分（總）集合管的制作合同。設(shè)備的設(shè)計壓力為2.8MPa，設(shè)計溫度為850/150（襯里/殼體），介質(zhì)為轉(zhuǎn)化氣。轉(zhuǎn)化爐是制氫裝置轉(zhuǎn)化反應(yīng)的反應(yīng)器，屬于裝置的心臟設(shè)備。

二、原材料要求

該產(chǎn)品選材比較特殊，設(shè)備的分集合管殼體為Ф880X22材質(zhì)為15CrMoR，與殼體相連接是靜態(tài)鑄造不銹鋼變徑接頭，其規(guī)格為Ф200X25材質(zhì)為ZG12Ni32Cr20Nb。設(shè)備的分集合管殼體鋼板標準GB713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》按正火+回火狀態(tài)交貨，鋼板應(yīng)做超聲波檢測，按JB/T4730.3-2005 I級合格。變徑接頭為靜態(tài)鑄造，鑄造合金應(yīng)采用電弧爐或感應(yīng)電爐冶煉。鑄件成型后的形狀和尺寸應(yīng)符合圖樣的規(guī)定，鑄件的尺寸公差如無特殊要求時，應(yīng)符合GB/T6414規(guī)定。鑄件內(nèi)外表面應(yīng)清理干凈。鑄件的內(nèi)外表面不應(yīng)有粘沙、夾渣、裂紋及機械傷痕等缺陷。若上述缺陷存在時，允許修磨，修磨處與未修磨部位應(yīng)平滑過渡。鑄件的機械加余量除圖樣另有規(guī)定外，應(yīng)符合GB/T6414中的I級精度規(guī)定。除圖樣另有規(guī)定外，焊接坡口及附近30mm區(qū)域內(nèi)應(yīng)進行機械加工，加工表面粗糙度Ra≤6.3μm。機械加工未注明的尺寸公差應(yīng)符合GB/T1804-2000中的f級規(guī)定。坡口形狀和尺寸應(yīng)符合圖樣的規(guī)定。其化學成份應(yīng)符合表1的規(guī)定：

表1 ZG12Ni32Cr20Nb化學化成分

三、坡口制備

根據(jù)圖樣要求在分集合管殼體（15CrMoR/δ22）上劃出各管口的位置線，采用火焰或等離子進行開孔，直徑為圖樣尺寸增加8mm。即開孔直徑增加8mm，主要考慮在其坡口表面要堆焊厚度為4mm的過渡層。采用不對稱K坡口，是基于減輕工人勞動強度及減少填充熔敷金屬而考慮。打磨坡口，使用坡口及其20mm范圍內(nèi)顯露出金屬光澤。對坡口表面進行100%MT檢測，按JB/T4730.4-2005標準I級為合格。坡口加工見圖1

四、過渡層堆焊

分集合管殼體與變徑接頭之間的焊接頭為異種鋼的焊接結(jié)構(gòu)，是Cr-Mo鋼與奧氏體不銹鋼之間的焊接，在Cr-Mo鋼側(cè)有形成裂紋的傾向。為了防止裂紋的產(chǎn)生，焊后必須進行熱處理。在熱處理過程中，由于異種材質(zhì)的差異會引起不同的熱膨脹，有產(chǎn)生裂紋的傾向，對焊縫和變徑接頭均為不利。另外，對于高溫合金鑄鋼ZG12Ni32Cr20Nb材料，其組織相對疏松、晶粒粗大，在制造過程最怕的是焊接返修。一旦返修不當容易產(chǎn)生裂紋，且裂紋很容易擴展，返修哪兒哪兒就會出現(xiàn)放射性裂紋，最終會導致缺陷無法修復(fù)，只能將該鑄鋼報廢處理。為此在分集合管殼體開孔坡口上，用Ф2.4 ERNiCr-3焊絲，用鎢極氬弧焊堆焊4mm厚作為過渡層。焊前需對坡口100mm范圍進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為80～100℃。焊接時應(yīng)小線能量的規(guī)范參數(shù)，焊道與焊道間應(yīng)有一定的搭接量，一般為焊道寬度的1/3。每焊一層應(yīng)其表面進行PT檢測，按JB/T4730.5-2005標準I級為合格。發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷時，應(yīng)及時打磨，清除干凈后，方能進行下道焊縫的施焊。用角向砂輪打磨時不能用力過大，同一部位打磨時間不能過長，否則會破壞堆焊層的組織及性能。推薦采用合金磨頭進行打磨，用其進行打磨時不會使打磨處溫度過高，也不會破壞堆焊層的組織及性能。ERNiCr-3焊絲的化學成份見表2

焊絲AWS/SFA5.14 ERNiCr-3化學成分如下：

注：鎳基焊材在焊接時有奧氏體不銹鋼焊接相類似的的問題。例如有高的焊接熱裂紋敏感性，在弧坑易產(chǎn)生火口裂紋。在焊接時應(yīng)采取合適的措施來避免上述缺陷的發(fā)生，一般情況下采用合理的裝配與焊接次序、選用較小的線能量、及時填弧坑等工藝措施對防止熱裂紋均是有益的。

五、熱處理

坡口堆焊層經(jīng)檢測合格后，按照圖樣要求對分集合管殼體整體進行焊后熱處理。焊件進行爐時爐內(nèi)溫度不得高于400℃。焊件升溫至400℃后，加熱區(qū)升溫速度不得超過6500/δPWHT℃/h，且不得超過260℃/h，一般情況下不低于50℃/h。升溫時，加熱區(qū)內(nèi)任意4600mm長度內(nèi)的溫度差不得大于140℃。熱處理溫度為670±20℃，保溫時間應(yīng)不小于1小時，保溫時，加熱區(qū)內(nèi)最高與最低溫度之差不宜超過80℃。升溫及保溫時應(yīng)控制加熱區(qū)氣氛，防止焊件表面過度氧化。爐溫高于400℃時，加熱區(qū)降溫速度不得超過7000/δPWHT℃/h，且不得超過280℃/h。焊件出爐時，爐溫不得高于400℃，出爐后應(yīng)在靜止的空氣中自然冷卻。

六、無損檢測

熱處理出爐24h后，對坡口堆焊層按JB/T4730.5-2005標準進行100%PT檢測，合格級別為I級。如堆焊表面出現(xiàn)不允許缺陷時，應(yīng)制定相應(yīng)的返修方案，并及時處理存在缺陷。

七、分集合管殼體與變徑段組裝及焊接

將加工好的變徑段與分集合管殼體進行組裝點焊，按圖2要求進行組裝，應(yīng)確保坡口的根部間隙不小于2.5mm。焊前需對坡口及兩側(cè)100mm范圍進行50～80℃的預(yù)熱。進行點焊，點焊的參數(shù)應(yīng)比正常焊接的參數(shù)大10%左右。點焊的焊接方法采用手工氬弧焊的焊接方法，點焊長度不小于50mm。焊接時應(yīng)采取背面氬保護，最好采用保護拖罩，這樣背面才能得到有效保護。焊接材料采用Ф2.4 ERNiCr-3焊絲。點焊結(jié)束后，應(yīng)對結(jié)構(gòu)尺寸進行檢驗，檢驗合格后應(yīng)及時進行其它各層次的焊接工作。焊接過程采用多層多道小焊接線能量的焊接方法進行，這樣能避免焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬組織，同時也消除了裂紋傾向。焊后應(yīng)采用防火巖棉覆蓋，使其緩慢冷卻。

特別注意的是各焊道接頭應(yīng)錯開50mm，每一收弧接頭應(yīng)有10mm搭接量。每層焊接完成后，應(yīng)及時將收弧接去除，去除方法一般采用合金磨頭進行打磨。具體焊接順序按圖3進行。

焊接過程應(yīng)做到每焊一層進行一次PT無損檢測，按JB/T4730-2005標準進行100%檢測，合格級別為I級。發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷時，應(yīng)及時清理干凈后，方能進行下道焊縫的施焊。一般推薦采用合金磨頭進行打磨，此方法便于操作、效率高、打磨時不會使打磨處溫度過高，也不會破壞焊縫組織及性能。

八、結(jié)束語

該批產(chǎn)品從投運至今仍正常運行，未發(fā)現(xiàn)任何異常，分集合管殼體與變徑段間的焊接接頭每年年檢均未發(fā)現(xiàn)裂紋之類的缺陷。

[1]GB150-1998《鋼制壓力容器》[S].全國壓力容器標準化技術(shù)委員會；

[2]JB/T4709-2000《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》[S].全國壓力容器標準化技術(shù)委員會；

[3]陳裕川.《現(xiàn)代焊接生產(chǎn)實用手冊》[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005；

[4]斯重遙.《焊接手冊》第2卷 材料的焊接[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002；

[5]張其樞，堵耀庭.《不銹鋼焊接》[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000