甲醇廠H-1301過熱爐爐管焊接工藝淺析

李亞濤 李 靜（神華寧煤煤化工安裝檢修公司，寧夏 靈武 750411）

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甲醇廠H-1301過熱爐爐管焊接工藝淺析

李亞濤 李 靜
（神華寧煤煤化工安裝檢修公司，寧夏 靈武 750411）

摘 要：甲醇廠H-1301過熱爐經(jīng)過八年多的運(yùn)行，部分爐管磨損嚴(yán)重，2015年大修對壁厚減薄15%及以上或脹粗程度超過原管直徑的3.5%的爐管進(jìn)行了更換，本文通過對H-1301過熱爐爐管更換焊接工藝進(jìn)行探討和分析，為今后類似的相關(guān)設(shè)備的檢修提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：焊接；焊縫；耐熱鋼；焊接工藝

0 引言

25萬噸/年產(chǎn)甲醇裝置H-1301過熱爐屬于火焰加熱器，是通過輻射和對流達(dá)到熱交換的目地，將由高壓給水泵P-801A/B送出的132℃的除氧水經(jīng)過過熱爐省煤器后加熱為200℃，送至氣化爐廢熱鍋爐D-130A/B/C汽包，汽化廢鍋產(chǎn)生的飽和蒸汽又經(jīng)蒸汽過熱爐加熱產(chǎn)出10.0MPa/510℃的過熱 蒸汽送至高壓蒸汽管網(wǎng)，供208A汽輪機(jī)做功。此過熱爐經(jīng)過八多年運(yùn)行部分爐管（規(guī)格：Φ88.9×7.62mm，材質(zhì)：12Cr2Mo（Ⅳ-2））磨損嚴(yán)重，在2015年大修中對壁厚減薄15%及以上或脹粗程度超過原管直徑的3.5%的爐管進(jìn)行了更換。本次從母材的焊接性、焊接材料選用、焊接過程工藝參數(shù)的控制進(jìn)行分析并結(jié)合以往的積累的經(jīng)驗(yàn)，選用了合適的焊接材料及合理的工藝參數(shù)，成功地完成了過熱爐爐管更換任務(wù)。

1 12Cr2Mo的焊接性分析

12Cr2Mo是具有抗氫腐蝕性、較好高溫力學(xué)性能和耐溫蠕變性能的珠光體耐熱鋼。焊接時主要存在以下問題：

（1）熱影響區(qū)的脆化（淬硬性）：在冷卻速度較大的情況下，接近熔合線的粗晶區(qū)容易形成淬硬的馬氏體組織。

（2）焊縫和熱影響區(qū)的軟化：冷卻速度過慢，使接頭在AC1附近的停留時間增長，而出現(xiàn)“軟化區(qū)”，沖擊韌性下降，引起斷裂。

（3）冷裂紋：一般發(fā)生在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)內(nèi)，當(dāng)焊縫強(qiáng)度和氫含量較高時也會發(fā)生在焊縫內(nèi)。

（4）回火脆性：在370℃～565℃溫度區(qū)間長期運(yùn)行過程中發(fā)生漸進(jìn)的脆變現(xiàn)象。

（5）再熱裂紋：在焊接之后再次處于高溫（如焊后熱處理），焊接接頭上（多數(shù)在粗晶區(qū)，少數(shù)在焊縫金屬中）易產(chǎn)生的裂紋。

2 焊接工藝分析

2.1 焊接方法的選擇

由于過熱爐爐管工作溫度510℃、壓力10.0MPa、介質(zhì)過熱蒸汽，最終介質(zhì)供208A汽輪機(jī)做功。結(jié)合化工生產(chǎn)要求，采用鎢極氬弧焊打底（GTAW），焊條電弧焊蓋面（SMAW）。

表1

表2

2.2 焊接材料的選擇

鉻鉬珠光體耐熱鋼的焊條選用要點(diǎn)：

（1）一般按鋼種和構(gòu)件的工作溫度來選用，以保證接頭的高溫性能，通常選用熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能與母材相同或接近的焊條。

（2）對于有沖擊韌性要求的焊件，一般情況選用的焊條其焊縫金屬常溫沖擊值應(yīng)不低于相應(yīng)母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限值。

（3）從提高焊接接頭的抗裂紋能力及滿足力學(xué)性能考慮，應(yīng)采用堿性低氫型焊條。

（4）從防止熱裂紋考慮，通常將焊材中的碳含量控制在低于母材的碳含量，焊縫金屬的最佳碳 含量為0.10%左右。

氬弧焊絲選用的基本原則：

（1）應(yīng)滿足接頭的化學(xué)成分、力學(xué)性能和其他特殊性能要求。

（2）焊接工藝性能要好，具有抗裂、防止氣孔的能力。

（3）焊絲含有害雜質(zhì)S、P等要少。

（4）焊絲應(yīng)清潔、光滑、干燥、無油漬、污物和銹蝕。

R407焊條和TIG-R40焊絲是含Cr2.5%-Mo1%的珠光體耐熱鋼焊材，可全位置焊接。一般用于焊接工作溫度在580℃以下鍋爐受熱面管子和550℃以下高溫高壓蒸汽管道和容器，如高溫高壓管道、合成化工設(shè)備、石油裂化設(shè)備等。

綜上所述，H-1301過熱爐爐管12Cr2Mo母材焊接采用的焊接材料為：氬弧焊絲TIG-R40，直徑2.5mm；焊條R407 （E6015-B3），直徑3.2mm。

12Cr2Mo焊接，母材、焊絲、焊條的化學(xué)成分（SH/T3520-2004）見表1。

2.3 坡口制備

坡口形式及尺寸的選用應(yīng)根據(jù)易于保證焊縫質(zhì)量、填充金屬量少、熔合比小、便于操作等原則。綜合考慮，最終選用對接Y型坡口，角度α=65°～75°，鈍邊s=0～2mm，間隙p=0～2mm；采用氧乙炔火焰切割坡口，磨光機(jī)清除干凈熔渣、氧化皮、影響焊接質(zhì)量的淬硬層及坡口、邊緣內(nèi)外表面不小于20mm范圍內(nèi)的油、漆、垢、銹等。

2.4 焊接工藝參數(shù)

（1）將焊條烘焙至350℃，恒溫1小時后裝入溫度為100℃～150℃的專用保溫桶內(nèi)隨用隨取，焊絲使用前徹底清除其表面的鐵銹和油污。

（2）焊前預(yù)熱和保持層間溫度100℃～150℃，焊后進(jìn)行740℃～760℃高溫回火處理。為了防止管子根部氧化和過燒，氬弧焊打底時，管內(nèi)充氬氣保護(hù)，氬氣流量為2L/min～4L/min。

（3）焊件達(dá)到預(yù)熱溫度后應(yīng)及時進(jìn)行焊接，在保持預(yù)熱溫度的條件下，每條焊縫一次連續(xù)焊完。多層焊時，每層的接頭處錯開。

（4）焊條電弧焊時風(fēng)速大于8m/s，氣體保護(hù)焊時風(fēng)速大于2m/s必須采取有效保護(hù)措施，否則不得施焊。

焊接參數(shù)見表2。

2.5 焊接檢驗(yàn)

外觀檢查焊縫成形良好，焊縫與母材圓滑過渡，表面無飛濺、氣孔、夾渣、咬邊、未焊滿、未熔合、焊瘤、裂紋等缺陷。

焊接接頭經(jīng)外觀檢查合格后進(jìn)行X射線檢測（RT）Ⅱ級合格，若有不合格時，焊縫返修在熱處理前進(jìn)行，已完成熱處理的焊接接頭發(fā)生焊縫返修時，返修后重新進(jìn)行熱處理。缺陷消除采用磨光機(jī)打磨，磨槽修整成適合補(bǔ)焊的形狀，并經(jīng)著色檢測確認(rèn)缺陷已被清除后補(bǔ)焊，同一部位的返修次數(shù)不能超過兩次。

2.6 焊接熱處理

珠光體耐熱鋼焊接過程中，要嚴(yán)格控制熱規(guī)范。在焊接方法上，當(dāng)用鎢極氬弧焊對管子進(jìn)行打底焊時，預(yù)熱溫度可適當(dāng)降低，因?yàn)殒u極氬弧焊的熱量集中，熱影響區(qū)小，產(chǎn)生的焊接變形和焊接應(yīng)力小，且含氫量低。因此，鎢極氬弧焊打底焊時，在環(huán)境溫度0℃以上條件下，預(yù)熱溫度為100℃～150℃，鎢極氬弧焊打底焊完畢，升溫至250℃～300℃后進(jìn)行焊條電弧焊焊接，施焊過程中保持層間溫度。焊條電弧焊焊接完畢，立即進(jìn)行700℃～760℃的焊后熱處理。當(dāng)加熱溫度升至400℃時，加熱速率不得大于205℃/h；恒溫后的冷卻速率不得大于260℃/h，400℃以下可自然冷卻。熱處理的加熱速率和冷卻速度若不能立即進(jìn)行焊后熱處理，應(yīng)做350℃恒溫1小時的后熱處理。

焊后熱處理采用電加熱法，加熱范圍以焊縫中心為基準(zhǔn)，兩側(cè)各不小于焊縫寬度的3倍，且不小于25mm，加熱區(qū)以外的100mm范圍予以保溫。

結(jié)論

（1）12Cr2Mo焊接采用焊絲TIG-40和焊條R407，其焊接熱輸入、層間溫度、坡口角度的選擇是正確的。

（2）在實(shí)際檢修過程中必須結(jié)合母材的焊接特性和工藝運(yùn)行條件，對每項(xiàng)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行慎重考慮，選取最優(yōu)的焊接工藝及焊材。

（3）采用上述工藝焊接的焊縫，通過探傷和硬度測試等檢驗(yàn)均獲得理想結(jié)果，甲醇一套H-1301過熱爐實(shí)際運(yùn)行至今工作狀況良好，說明該工藝切實(shí)可行，為今后類似異種鋼接頭的焊接提供了借鑒。

參考文獻(xiàn)

［1］ SH/T3520-2004，石油化工鉻鉬耐熱鋼焊接規(guī)程［S］.

［2］ JB/T4709-2000，鋼制壓力容器焊接規(guī)程［S］.

［3］中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］ GB50235-2010，工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范［S］.

中圖分類號：TG75

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A