裂解爐改造中新舊爐管的焊接

劉建國 唐元生 王紹智

福建聯(lián)合石化有限公司的核心乙烯裂解裝置共有8臺裂解爐，位號為F01101~F08108，其中F01101為乙烷爐，將進(jìn)行改造和檢修施工。裂解爐檢修改造爐管所用材料為20Cr—32Ni+Nb與G—X10NiCrNb3220。在新舊爐管更換焊接時，出現(xiàn)了不同程度的裂紋等缺陷。

我們根據(jù)新舊爐管的焊接性進(jìn)行分析，制定了合理的焊接工藝和技術(shù)措施，防止了焊接缺陷的產(chǎn)生。

1. 材料焊接性分析

20Cr—32Ni+Nb為高鉻鎳奧氏體耐熱鋼，新舊爐管化學(xué)成分如表1所示。

由于舊爐管長期運(yùn)行或溫度操作不當(dāng)，焊縫內(nèi)壁形成滲碳層，且合金元素因燒損而改變金屬內(nèi)部組織，所以和新爐管的材質(zhì)產(chǎn)生了差異。經(jīng)打磨坡口、著色檢驗，發(fā)現(xiàn)母材整體存在細(xì)小的裂紋，且表面嚴(yán)重碳化，內(nèi)表面附有一層堅硬的碳層，造成焊接性變差。因此在焊接前要嚴(yán)格檢查，清除舊母材的缺陷，為后續(xù)焊接提供好的條件。

新舊爐管組對焊接極易出現(xiàn)難熔合，尤其是當(dāng)焊接電流過大、溫度過高、焊接停留時間過長時，極易在舊母材側(cè)產(chǎn)生熱裂紋。

2. 新舊爐管更換解決措施

由于舊爐管在長期高溫腐蝕環(huán)境下工作，存在微細(xì)裂紋，嚴(yán)重碳化，改變了母材組織性能，所以為了避免焊接產(chǎn)生裂紋，未熔合等缺陷，增強(qiáng)母材塑性，減少焊接應(yīng)力，在對舊爐管母材堆焊前，先進(jìn)行著色滲透檢測，然后再對焊口堆焊。采用此方法，能夠有效避免并減緩舊爐管焊接時薄弱處產(chǎn)生的應(yīng)力集中，平均分散應(yīng)力，防止產(chǎn)生熱裂紋。焊接時通過調(diào)整焊接參數(shù)和熔合比，形成與新爐管材料相近的過渡層，增加母材的塑性，再打磨出新坡口，然后和新爐管組對焊接。

表1 新舊爐管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3. 新舊爐管更換焊接工藝

（1）接頭形式 開V形坡口，坡口角度65°~75°（見圖1），不留鈍邊，坡口間隙為2.0~3.0mm。

圖1 坡口角度及焊縫組對

（2）焊前準(zhǔn)備 新舊爐管組對前，應(yīng)清除坡口內(nèi)外表面及其母材兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的氧化皮、滲碳層、雜質(zhì)及油污等，直至打磨出金屬光澤。采用丙酮擦清洗坡口，防止油污、雜質(zhì)等帶進(jìn)熔池，增加焊縫金屬產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向，會降低金屬的沖擊韌性和抗腐蝕性，易引起熱裂紋。

組對的工夾具不宜焊接在母材上，若需焊在母材上時，應(yīng)符合下列規(guī)定：爐管坡口無應(yīng)力組對，采用“夾具”定位，工夾具與母材焊接部位的化學(xué)成分應(yīng)與母材的化學(xué)成分相似；工夾具的拆除不得采用敲打、掰扭等方式；工夾具拆除后應(yīng)修磨焊痕再進(jìn)行滲透檢測，I級合格。

4. 焊接材料的選擇

因舊爐管極易出現(xiàn)熱裂紋，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和經(jīng)驗，焊接時選擇ERNiCr—3氬弧焊絲，φ2.4mm，其韌性、塑性及高溫性能優(yōu)于舊母材焊絲，同時還能補(bǔ)充母材合金元素的燒損，調(diào)整合金成分，提高并改善舊母材的組織性能，確保焊接質(zhì)量，防止焊接裂紋的產(chǎn)生?；瘜W(xué)成分如表2所示。

表2 焊絲ERNiCr—3化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

5. 新舊爐管的焊接過程

（1）打底層焊接 焊縫背面氬氣置換時，開始?xì)鍤饬髁可源螅_保管內(nèi)空氣排凈。焊接時適當(dāng)降低氬氣流量，防止焊縫背面因氬氣吹力而形成凹陷，尤其最后收尾接頭。焊接設(shè)備采用帶高頻氬弧焊，可以適當(dāng)延長衰減時間。收弧時把弧坑填滿，防止產(chǎn)生弧坑裂紋。管膛雙重氬氣置換保護(hù)如圖2所示。

打底焊接在保證根部焊透和熔合良好的前提下，盡量使用小的焊接熱輸入，減少焊縫熔池過熱。

焊絲始終處在氬氣保護(hù)區(qū)，防止焊絲在高溫熔化后脫離氬氣保護(hù)區(qū)被氧化，氧化部分帶到熔池里易產(chǎn)生夾雜。焊絲向熔池逐漸送進(jìn)，采用抹、滴方式，焊槍輕微的擺動，上坡口慢、下坡口快，防止鐵液下墜，使焊縫背面咬邊，同時增加打底層的厚度，提高焊縫強(qiáng)度，防止因焊接應(yīng)力影響而產(chǎn)生裂紋。

（2）層間焊接 小電流快速焊，多層多道焊，焊層不超過焊絲直徑，焊縫寬度不超過焊絲直徑的3倍，層間溫度控制在70~80℃以下(用手能觸摸)。層間溫度過高容易使焊縫過熱，造成晶粒粗大，組織性能變差，導(dǎo)致焊接接頭高溫韌性、塑性下降，產(chǎn)生焊接缺陷。焊縫成形如圖3所示。

（3）熱裂紋的預(yù)防 措施主要包括：焊接時控制熱輸入，快速焊，采用小的截面焊道，多層多道焊，層間溫度控制在100℃以下，采用合理的焊接順序，以及選擇剛性小的焊接接頭形式等均能改善接頭的焊接應(yīng)力。新舊爐管焊接參數(shù)如表3所示

圖2 管膛雙重氬氣置換保護(hù)

圖3 焊縫成形

6. 焊縫檢測

爐管及管件的坡口應(yīng)按JB/T 4730.5—2005進(jìn)行100%的滲透檢測，質(zhì)量等級評定I級為合格，檢測范圍為距離坡口端部25mm內(nèi)。

所有爐管及管件焊接接頭的底層焊道、焊接接頭表面，以及爐管上臨時或永久性附件的焊接接頭表面、臨時性夾具切除后的表面，應(yīng)按JB/T4730.5—2005進(jìn)行100%的滲透檢測，質(zhì)量等級評定I級為合格。

表3 新舊爐管焊接參數(shù)

爐管及管件的對接焊接接頭應(yīng)按JB/T 4730.2—2005的規(guī)定進(jìn)行100%射線檢測，射線檢測技術(shù)等級不得低于AB級，質(zhì)量合格級別為II級。

7. 焊縫返修

對 RT射線探傷檢測不合格的焊縫應(yīng)進(jìn)行返修。缺陷清除后，在焊縫上開出坡口槽，重新按焊接工藝進(jìn)行施焊，焊接長度一般≥50 mm。焊縫返修時，同一位置焊縫返修不得多于兩次。焊縫返修后應(yīng)重新進(jìn)行RT無損檢測并合格。

8. 結(jié)語

通過采用上述的焊接工藝及措施，更換的裂解爐爐管焊縫經(jīng)RT射線檢測，一次合格率100%，裂解爐開車一次成功，受到福建聯(lián)合石化有限公司領(lǐng)導(dǎo)的一致好評。