合成氨轉(zhuǎn)化爐爐管焊接技術(shù)的創(chuàng)新

于世行，郝丁華，劉 鵬，凌開學(xué)，王小輝

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750021）

合成氨一段轉(zhuǎn)化爐（101-B）是二化肥合成氨裝置重要設(shè)備，爐管與集氣管連接焊縫在運(yùn)行過程中發(fā)生開裂泄漏，立即停車檢修。通過對(duì)爐管進(jìn)行全面檢測，發(fā)現(xiàn)原焊縫裂紋比上一次又新增了12 道，裂紋焊縫有增多趨勢（裂紋的焊縫是爐管與集氣管凸臺(tái)連接焊縫），如果更換所有爐管需投入8 千多萬元，本著既要恢復(fù)生產(chǎn)，又要節(jié)約資金支出的原則，公司決定更換集氣管、集氣管凸臺(tái)及向上500 mm 長的爐管段（可節(jié)約資金5 000 多萬元），在同行業(yè)中屬于創(chuàng)新檢修。

合成氨101-B 一段轉(zhuǎn)化爐集氣管的更換檢修任務(wù)交給中石油某建設(shè)公司承擔(dān)，檢修中爐管焊縫位置為“垂直固定”，新制作的集氣管段與原爐管段進(jìn)行對(duì)接安裝，焊接安裝過程中，8 根Φ141×18 的上升爐管全部發(fā)生裂紋，爐管的焊接開裂直接影響轉(zhuǎn)化爐的檢修進(jìn)度（見圖1）。

圖1 上端爐管與下端新制作的集氣管組對(duì)焊接示意圖

爐管裂紋發(fā)生后，針對(duì)爐管裂紋情況進(jìn)行了解、試焊，試焊過程中發(fā)現(xiàn)原爐管端金屬晶粒粗大，裂紋發(fā)生在焊縫底層、填充層、蓋面層等位置。通過分析，引起裂紋的主要原因是：原管端金屬組織粗大；焊材含碳量過高；焊接順序不正確；層間溫度檢測不準(zhǔn)確；坡口角度偏小等原因。不正確的焊接操作會(huì)使焊接應(yīng)力與爐管內(nèi)應(yīng)力快速集中，熔池結(jié)晶過程中，受應(yīng)力的影響，部分晶界已處于裂紋發(fā)生狀態(tài)或接近屈服極限，當(dāng)應(yīng)力大于爐管的屈服極限時(shí)，立即發(fā)生慣穿性裂紋，直接造成爐管焊縫的破壞。

1 現(xiàn)場情況調(diào)查

轉(zhuǎn)化爐爐管材質(zhì)為ZG45Ni35Cr25NbM，屬鎳基耐蝕合金（也稱高溫合金），有耐高溫氧化和耐氯離子介質(zhì)的應(yīng)力腐蝕性能，焊接性良好，電阻率較高，約為碳鋼的4～5 倍，線膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱率低，所以焊接接頭中會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，在焊接時(shí)容易產(chǎn)生熱裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷。

1.1 爐管開裂情況

合成氨裝置一段轉(zhuǎn)化爐共有8 根集氣管，348 根爐管。其中每根集氣管上部有1 根Φ141×18 上升爐管，其余為Φ108×10.5 爐管。設(shè)計(jì)溫度996 ℃，設(shè)計(jì)壓力3.3 MPa，管內(nèi)介質(zhì)為工藝氣（氫氣+甲烷+一氧化碳）。更換的500 mm 管段與上端舊爐管組對(duì)焊接由外委單位實(shí)施，施焊后8 根上升爐管焊縫全部發(fā)生貫穿裂紋，出現(xiàn)了嚴(yán)重的焊接質(zhì)量問題。

1.2 爐管材質(zhì)及坡口情況

101 -B 爐 管 材 質(zhì) 為 ZG45Ni35Cr25NbM 即（25.35.4CNb），采用手工鎢極氬弧焊打底、填充、蓋面，焊絲材質(zhì)為ZG45Ni35Cr25NbM 即（25.35.4CNb），上升爐管開V 型坡口，坡口角度60°，焊縫位置為垂直固定，焊接順序?yàn)橛上孪蛏吓帕泻附樱ㄒ妶D2 左）。

2 裂紋原因分析

轉(zhuǎn)化爐爐管材質(zhì)是ZG45Ni35Cr25NbM （即25.35.4CNb），屬鎳基合金（也稱高溫合金），高溫合金基本都有焊接熱裂紋傾向，爐管為鑄造成型，鑄造合金比鍛造合金有更大的裂紋傾向，產(chǎn)生的熱裂紋主要有焊縫結(jié)晶裂紋和近縫液化裂紋兩種。

首先是焊縫中產(chǎn)生結(jié)晶裂紋既有冶金因素，又有應(yīng)力因素，冶金因素就是高溫合金中成分復(fù)雜、合金含量多，易在晶界形成低熔點(diǎn)共晶物，如644 ℃時(shí)形成的Ni-S，880 ℃時(shí)形成的Ni-P 等，沿晶界形成液化膜，削減晶粒間的結(jié)合力，當(dāng)焊接時(shí)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力、拉應(yīng)力超過晶粒之間的承受力時(shí)就會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。所以控制結(jié)晶裂紋，就必須減少熱輸入，減小熱應(yīng)力、拉應(yīng)力，實(shí)施中采用了提高焊接速度，改變焊接順序等控制方法。

另一個(gè)是近縫區(qū)產(chǎn)生的液化裂紋也是由晶間產(chǎn)生液態(tài)薄膜和熱應(yīng)力較大引起的。近縫區(qū)產(chǎn)生液化裂紋主要是由合金晶界上的碳化物引起的。這是因?yàn)楫?dāng)焊接加熱溫度達(dá)到一定值時(shí)，碳化物等擴(kuò)散不充分在晶界形成低熔點(diǎn)共晶物，所以含碳量越高，液化裂紋傾向越嚴(yán)重，為了控制液化裂紋，實(shí)施中原焊絲更換成含碳量低的焊絲，采用小焊接參數(shù)、短段焊、多道焊、控制焊接區(qū)域溫度等方法。

2.1 新爐管與舊爐管之間的差異

通過試焊新爐管側(cè)未發(fā)現(xiàn)異常變化，焊接舊爐管側(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)熔合區(qū)內(nèi)金屬晶粒粗大、熔融不暢的現(xiàn)象，由此看出舊爐管金屬內(nèi)部已有滲碳和晶粒粗大的變化。這是爐管在960 ℃高溫長期運(yùn)行后，管材組織發(fā)生變化的結(jié)果。

2.2 焊接材料的差異

兩種焊接材料對(duì)比，爐管首次施焊的焊絲含碳量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于攻關(guān)采用的焊絲含碳量。焊縫打底焊后發(fā)現(xiàn)原焊絲25.35.4CNb 的收縮間隙是0.2～0.5 mm，后用焊絲ERNiCr82 的收縮間隙是0.5～1 mm。說明原焊絲的含碳量高、塑性差，裂紋傾向大。

表1 爐管首次施焊焊絲25.35.4CNb 的化學(xué)成分

表2 創(chuàng)新采用的ERNiCr-3 焊絲化學(xué)成分

表3 爐管首次施焊的25.35.4CNb 焊絲力學(xué)性能

表4 創(chuàng)新采用的ERNiCr-3 焊絲力學(xué)性能

2.3 焊接順序的應(yīng)用

攻關(guān)前焊接順序是由下向上排列焊，使焊接應(yīng)力在焊縫上側(cè)不斷聚集，加劇了產(chǎn)生裂紋的傾向。攻關(guān)時(shí)焊接順序是由上向下排列焊接，使焊接應(yīng)力在焊縫上側(cè)逐步消減，避免了裂紋的發(fā)生（見圖2）。

圖2 101B 爐管焊縫焊接順序圖

2.4 改變坡口角度

原坡口制備角度為60°，不符合鎳基合金材料焊接坡口角度的要求，熔合比減小，裂紋傾向增大，所以改變坡口角度為65～70°（見圖3）。

圖3 101B 爐管焊縫坡口圖

2.5 層間溫度的控制

攻關(guān)前焊接層間溫度只控制焊縫區(qū)，熱影響區(qū)溫度沒有檢測，無法了解這些區(qū)域的溫度，形成空白。控制層間溫度改為控制焊接區(qū)域溫度（焊縫區(qū)+熱影響區(qū)溫度）（見圖4）。

圖4 控制焊縫區(qū)+熱影響區(qū)溫度

3 創(chuàng)新措施

（1）更換焊接材料，采用ERNiCr82 焊絲，焊絲直徑Φ2.0；（2）改變101B 爐管焊縫坡口角度為65～70°；（3）改變焊接順序：使焊接順序由上向下排列焊接，把焊縫上側(cè)的焊接應(yīng)力逐步減少，避免應(yīng)力集中；（4）控制層間溫度改為控制焊接區(qū)域溫度（焊縫區(qū)+熱影響區(qū)溫度）；（5）采用合理的焊接工藝參數(shù)。

4 焊接實(shí)踐

（1）焊接工藝順序：開坡口-打磨-坡口PT 檢測-丙酮清理-手工鎢極氬弧焊組對(duì)點(diǎn)固-手工鎢極氬弧焊打底、填充、蓋面。

（2）選用逆變焊機(jī)Zx7-400STG 氬弧焊機(jī)，使用坡口機(jī)制備V 型坡口，坡口角度65～70°，并用磨光機(jī)將焊縫內(nèi)外兩側(cè)20 mm 范圍內(nèi)打磨出金屬光澤，嚴(yán)格清理坡口兩側(cè)20 mm 范圍處的氧化膜、油、銹、污物等雜質(zhì)，再用丙酮清理坡口及兩側(cè)，并對(duì)坡口進(jìn)行100 %PT 檢測。

（3）管口內(nèi)部充氬氣保護(hù)，組對(duì)焊縫點(diǎn)焊采用全焊透焊法，定位焊長度10～15 mm，焊點(diǎn)寬4～6 mm，共3點(diǎn)。隨后用磨光機(jī)磨薄焊點(diǎn)兩端，便于接頭。

（4）焊接工藝參數(shù)（見表5）。

（5）手工鎢極氬弧焊打底焊接，內(nèi)部充氬并有氣體吹出感時(shí)，在坡口內(nèi)采用高頻引弧，從管口第4 點(diǎn)位置開始引弧焊接，焊矩傾斜角度為70°左右，操作焊槍稍做擺動(dòng)，使坡口兩邊形成熔孔，熔孔前面不斷熔化，后面不斷熔合成形并前行，形成底部焊縫。

表5 焊接工藝參數(shù)

新的測溫方法，控制層間溫度改為控制焊接區(qū)域溫度，焊接區(qū)域溫度（焊縫中心溫度為50～60 ℃，焊縫上熔合線溫度是70℃，焊縫向上50mm 處溫度是90℃），焊縫向上150 mm 處溫度是105 ℃），焊接區(qū)域溫度得到有效的控制，避免了高溫?zé)崃烤奂瑴p少了應(yīng)力集中。

圖5 坡口焊接順序圖

新制定的焊接順序（見圖2 右），采用倒排焊接法，先從坡口上側(cè)排列焊接，逐步向下坡口焊接轉(zhuǎn)移，最后在下坡口上完成焊接、收弧。均勻分布焊接起弧、收弧點(diǎn)（見圖5），從管口第4 點(diǎn)位置開始引弧焊接，第2 道從點(diǎn)焊3 位置開始焊接，第3 道從點(diǎn)焊2 位置開始焊接，第4 道從點(diǎn)焊1 位置開始焊接，以此類推，起施焊點(diǎn)與收弧焊點(diǎn)在焊道上均勻分布，焊接溫度均勻分布，避免了應(yīng)力集中。手工鎢極氬弧焊的填充、蓋面，引燃電弧，熔化母材、焊絲，焊絲均勻不斷遞進(jìn)，焊接熔池在焊槍的作用下，不斷熔合、前移，形成焊縫。采用多層多道焊接，每一道的寬度為4～6 mm，使用鋼絲刷清理道間污物，使道與道之間相連，層與層之間相接，焊接過程中，提高焊接速度，焊縫焊后顏色為白色、黃白色，最后獲得了較好的焊縫。

5 結(jié)語

通過現(xiàn)場情況調(diào)查，分析焊縫裂紋原因，制定了正確的焊接工藝措施，使焊接實(shí)踐順利進(jìn)行，獲得了良好的焊縫，所施焊的焊口經(jīng)PT、RT 射線檢驗(yàn)100 %一次合格，解決了轉(zhuǎn)化爐爐管裂紋問題，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)化爐按期投用的目標(biāo)，創(chuàng)造出新的高溫合金爐管焊接工藝。

［1］ 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編.焊接手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.