蒸汽過(guò)熱爐微合金爐管焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與工藝分析

王 泓

（甘肅一安建設(shè)科技集團(tuán)有限公司煉化工程公司，甘肅 蘭州 730060）

蒸汽過(guò)熱爐是工業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)備，可以為反應(yīng)器提供過(guò)熱蒸汽，滿足裝置運(yùn)轉(zhuǎn)需要。蒸汽入口和出口溫度分別是133 ℃、833 ℃，入口壓力0.19 MPa，出入口溫差較大，所以爐管焊接難度較大。蒸汽過(guò)熱爐通常是自然通風(fēng)的立式方箱爐，雙輻射爐膛共用一個(gè)對(duì)流段，基于煙筒擋板來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整爐膛負(fù)壓，以此來(lái)保證蒸汽過(guò)熱爐充分燃燒。蒸汽過(guò)熱爐的微合金爐管具有較強(qiáng)的抗氧化性能、抗?jié)B碳性能以及抗高溫蠕變斷裂強(qiáng)度等性能，在蒸汽過(guò)熱爐中應(yīng)用可以有效抵御高溫和腐蝕影響，在石油化工行業(yè)廣泛應(yīng)用。但同時(shí)，此種材料電阻率大、導(dǎo)熱性差，很容易出現(xiàn)焊接裂紋，影響到蒸汽過(guò)熱爐正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，需要結(jié)合蒸汽過(guò)熱爐微合金管特性，現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)、焊接以及無(wú)損探傷一系列處理活動(dòng)，但工作空間限制，對(duì)于爐管焊接工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提出了新的要求。綜合分析研究蒸汽過(guò)熱爐微合金管焊接工藝相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，有助于高效完成焊接任務(wù)，避免裂紋出現(xiàn)，為后續(xù)相關(guān)工作開展提供參考經(jīng)驗(yàn)。

1 蒸汽過(guò)熱爐微合金爐管概述

蒸汽過(guò)熱爐的出入口溫度變化大，爐管材質(zhì)多樣，加強(qiáng)爐管施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)控制十分必要。爐管組對(duì)、焊接、無(wú)損探傷以及熱處理各環(huán)節(jié)需要緊密聯(lián)系，充分契合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)高質(zhì)量處理。但在這個(gè)過(guò)程中，工作空間存在很大的局限性，加之多種材料焊接，如果焊接工藝選擇不合理，后期蒸汽過(guò)熱爐運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)爐管開裂，影響到蒸汽過(guò)熱爐正常運(yùn)行使用。蒸汽過(guò)熱爐的爐管多數(shù)已經(jīng)在廠家預(yù)制生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)焊接則需要結(jié)合爐管實(shí)際情況按標(biāo)準(zhǔn)焊接。

2 可焊接標(biāo)準(zhǔn)

由于微合金爐管特性，熱裂紋敏感，線膨脹系數(shù)大，在局部冷卻和加熱條件下，焊接接頭位置在高溫區(qū)域停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，焊縫金屬和近縫區(qū)高溫承受的拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變力較高，不可避免地產(chǎn)生熱裂紋。爐管熱裂紋出現(xiàn)，有諸多的低熔點(diǎn)金屬共晶物與非金屬共晶物，尤其是磷、硫共晶物熔點(diǎn)較低，焊接時(shí)可能出現(xiàn)低熔點(diǎn)共晶物液態(tài)膜在晶界區(qū)殘留，焊接時(shí)出現(xiàn)較大的應(yīng)力。同時(shí)，在收縮應(yīng)力作用下可能發(fā)生開裂問(wèn)題，影響到蒸汽過(guò)熱爐正常使用。所以，應(yīng)該加深熱裂紋性質(zhì)認(rèn)知和理解，對(duì)于輻射段焊口主要選擇小電流多層多道焊，不擺動(dòng)操作，控制層間溫度不超過(guò)100 ℃，并充分清理干凈層間雜質(zhì)，接頭相互錯(cuò)開。

3 蒸汽過(guò)熱爐微合金爐管焊接標(biāo)準(zhǔn)與工藝要點(diǎn)

3.1 焊接方法

結(jié)合蒸汽過(guò)熱爐爐管焊接施工需要，可以采用鎢極氬弧焊打底、填充與蓋面，跨越管同樣選擇鎢極氬弧焊打底以及手工電弧焊焊接處理。在焊接的同時(shí)，爐管內(nèi)部充滿氬氣提供保護(hù)作用。如果需要更換爐管，應(yīng)該保證爐管接頭焊接達(dá)到保準(zhǔn)，及時(shí)修復(fù)焊接缺陷。對(duì)于微合金爐管材質(zhì)而言，熱膨脹系數(shù)較高，導(dǎo)熱率不高，所以焊接中很容易出現(xiàn)焊接裂紋，影響到整體焊接質(zhì)量。

3.2 焊接準(zhǔn)備

在蒸汽過(guò)熱爐微合金爐管焊接前期準(zhǔn)備階段，需要確保焊接人員專業(yè)知識(shí)和技能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)踐操作水平較高，同時(shí)必須具備焊接合格證。焊接前編制焊接工藝卡，充分技術(shù)交底，并且在管道具體焊接前加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)與考核，提升焊接人員專業(yè)能力。

為了保證焊接質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)焊縫高溫持久性能，應(yīng)該選擇和母材相近的焊材，這樣才能確保焊縫與母材的耐高溫性能相一致。所選擇的焊接材料需要有合格證明，評(píng)定焊接工藝合格后方可投入使用。對(duì)焊材化學(xué)成分、使用條件和力學(xué)性能等要素綜合考量，同時(shí)保證選用的焊接材料強(qiáng)度、耐腐蝕性與耐高溫性符合要求；線膨脹系數(shù)差異，高溫環(huán)境下是否會(huì)出現(xiàn)體積永久性改變；焊接裂紋。

焊接材料需要配備專人負(fù)責(zé)管理，依據(jù)焊接工藝要求進(jìn)行烘干、保管、取用，堆放焊接材料的庫(kù)房要保持干燥，相對(duì)濕度在60%以下，同時(shí)在焊接材料取用前充分清理干凈油污和銹跡，盡可能避免環(huán)境因素對(duì)焊接材料性能產(chǎn)生不良影響，否則會(huì)造成不必要的材料損耗。

3.3 焊接環(huán)境

焊接過(guò)程中，容易受到環(huán)境因素影響，損害焊接材料性能，出現(xiàn)焊接缺陷。焊接過(guò)程中，如果出現(xiàn)異常情況，應(yīng)制定合理有效的保護(hù)措施予以處理，否則應(yīng)停止焊接。具體包括風(fēng)速、鎢極氬弧焊超過(guò)2 m/s、手工電弧焊則在8 m/s以上；空氣相對(duì)濕度在90%以上。

3.4 焊接工藝參數(shù)

蒸汽過(guò)熱爐的爐管焊接過(guò)程中，應(yīng)明確工藝參數(shù)，如表1。

表1 焊接工藝參數(shù)

3.5 坡口加工和檢查

（1）對(duì)于HP40和800HT焊縫金屬，液態(tài)浸潤(rùn)性與流動(dòng)性較差，熔深小，破口角度和對(duì)口間隙應(yīng)該適當(dāng)?shù)脑黾樱瑴p少鈍邊。采用70～80°V型坡口，間隙1.6±0.6 mm，鈍邊1.5±0.5 mm。

（2）機(jī)械切割管道和加工坡口，充分打磨凹凸不平區(qū)域，保證管道焊接區(qū)域平整。在加工后仔細(xì)檢查坡口外觀，避免出現(xiàn)分層、裂紋和夾渣等質(zhì)量缺陷。

（3）焊接前，制定合理措施，在坡口兩側(cè)100 mm區(qū)域安全防護(hù)，規(guī)避焊接飛濺物污染，如，防飛濺涂料；800HT焊件坡口處理中，去除油脂，坡口表面則選擇丙酮全面清洗，基于此種方式來(lái)規(guī)避焊接時(shí)發(fā)生滲碳問(wèn)題。

（4）組對(duì)和定位焊接。在此階段，焊接人員應(yīng)該在組對(duì)前清理干凈焊接內(nèi)外表面雜質(zhì)，坡口邊緣25 mm內(nèi)禁止有毛刺、油污和氧化物等雜質(zhì)，規(guī)避對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。組對(duì)前后，仔細(xì)檢查爐管直線度，在180°急彎彎管兩端保持平齊狀態(tài)，爐管長(zhǎng)度差距不超過(guò)2.0 mm。組對(duì)過(guò)程中，控制爐管內(nèi)壁錯(cuò)變量，在0.25 mm以內(nèi)，其他區(qū)域則是在0.5 mm以內(nèi)。定位焊焊接工藝在實(shí)際應(yīng)用中，主要是采用氬弧焊定位焊，并充滿氬氣保護(hù)爐管；禁止定位焊縫強(qiáng)力組對(duì)，主要是為了規(guī)避附加力的出現(xiàn)；沿著爐管周圍促使定位焊縫分布均勻，至少在3點(diǎn)以上，并且在焊接前將定位起焊點(diǎn)設(shè)置在兩定位焊縫之間，焊縫溶透且沒(méi)有焊瘤質(zhì)量缺陷，如果在焊接時(shí)發(fā)現(xiàn)有裂紋應(yīng)該第一時(shí)間清理，并重新焊接。如果采用組對(duì)卡具，優(yōu)先選擇不銹鋼的卡具，卡具材料應(yīng)盡可能同母材花絮成分相近，與正式焊接等同。

（5）氬氣保護(hù)措施。焊接同時(shí)應(yīng)該做好充氬保護(hù)，控制氬氣純度在99.99%以上?；顒?dòng)口焊接實(shí)行整體充氬方式，充氬時(shí)候封堵爐管兩端，并使用醫(yī)用膠布充分密封處理，焊接同時(shí)揭開；固定口焊接使用局部充氬的方式，如圖1。

圖1 局部充氬

流量適當(dāng)?shù)脑黾?，充分排空爐管內(nèi)部空氣后方可焊接；焊接開始后，流量逐步減小，規(guī)避氬氣流量過(guò)大導(dǎo)致未焊透情況出現(xiàn)。

（6）焊接要求。焊接過(guò)程中，確保焊透，焊縫質(zhì)量符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，盡可能規(guī)避熱裂紋出現(xiàn)幾率?？梢赃x材短電弧以及小線能量方式進(jìn)行操作；控制城建溫度，小電流多層多道焊，使用紅外線測(cè)量?jī)x，控制各層溫度不超過(guò)100 ℃；多層多道焊接中，各層焊接頭錯(cuò)開布設(shè)，每層清理干凈后注意檢查，檢查合格后方可進(jìn)行下一層焊接。焊接后及時(shí)清理干凈飛濺的熔渣，保證平面整潔；焊接過(guò)程中只能在坡口內(nèi)引弧，禁止坡口外引弧，否則可能出現(xiàn)電弧擦傷，影響到焊接表面質(zhì)量；焊接電源線在管端固定，不允許接地線在爐管表面布置；爐管焊接需要借助砂輪機(jī)支持，降低轉(zhuǎn)速，避免打磨過(guò)程中熱量過(guò)高出現(xiàn)熱裂紋。

（7）焊后熱處理。在此環(huán)境，焊后熱處理焊口是800HT+HP40Nb，控制熱處理的溫度在950±25 ℃左右；加熱溫度控制，不超過(guò)300 ℃自由升溫，在達(dá)到300 ℃后，按照5125/δ℃/h進(jìn)行計(jì)算，不超過(guò)220℃/h；控制恒溫時(shí)間，對(duì)于焊口穩(wěn)定化處理，大概為120 min左右；在恒溫狀態(tài)下，按照6500/δ℃/h計(jì)算冷卻速度，不超過(guò)260 ℃/h，在達(dá)到300 ℃后自然冷卻即可，400 ℃以上則控制冷卻速度在260℃/h以下。

（8）焊后檢查。在對(duì)爐管焊接后，應(yīng)進(jìn)行全方位的檢查，確保焊接質(zhì)量符合要求。在外觀檢查中，焊縫表面處理符合要求后，采用無(wú)損檢測(cè)方法，控制焊接表面質(zhì)量；表面禁止出現(xiàn)夾渣、氣孔以及裂紋等質(zhì)量缺陷，焊縫和母材之間是圓滑過(guò)渡；爐管表面不允許出現(xiàn)凹陷和咬邊等缺陷；爐管焊縫表面余高控制在1.6 mm。采用無(wú)損檢測(cè)方式，需要在坡口外觀檢查符合要求后方可進(jìn)行滲透檢測(cè)，一個(gè)工序檢測(cè)合格后方可進(jìn)行下一道工序。通過(guò)對(duì)HP40靜態(tài)鑄造彎頭坡口PT檢測(cè)，坡口外側(cè)母材如果有圓形缺陷和條形缺陷，缺陷要及時(shí)打磨處理，促使打磨區(qū)域和未打磨區(qū)域之間平滑過(guò)渡，同時(shí)控制打磨深度在公稱尺寸下偏差范圍，如果超出這一范圍則需要第一時(shí)間補(bǔ)焊。100%滲透檢測(cè)焊縫表面和焊縫底層焊道質(zhì)量；爐管對(duì)接焊口進(jìn)行射線檢測(cè)，并且保證射線檢測(cè)技術(shù)等級(jí)在AB級(jí)以上。

如果檢查發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，應(yīng)及時(shí)返修，同一位置返修次數(shù)不超過(guò)2次，否則會(huì)影響到焊接質(zhì)量，浪費(fèi)資源。依據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制爐管表面缺陷打磨深度在爐管允許最小壁厚20%，或是單個(gè)缺陷面積在62.5 cm2情況下是不允許補(bǔ)焊的，控制彎頭打磨深度在壁厚20%，或是挖槽面積在65 cm2以上時(shí)不允許補(bǔ)焊；補(bǔ)焊后應(yīng)及時(shí)滲透檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)后方可投入使用。對(duì)于管線焊接缺陷，可以使用不銹鋼砂輪片充分打磨干凈，保證焊接表面質(zhì)量。

此外，積極引進(jìn)現(xiàn)代化技術(shù)手段建立焊接缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，發(fā)揮先進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決焊接缺陷。焊接缺陷檢測(cè)是基于X射線探傷機(jī)檢查，獲取底片，通過(guò)肉眼即可觀察到焊接缺陷，以此標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)來(lái)評(píng)估環(huán)節(jié)質(zhì)量。對(duì)于一些壓力檢測(cè)率較高的鍋爐重要焊接結(jié)構(gòu)，質(zhì)量檢測(cè)工作量大，周期長(zhǎng)、成本高，檢測(cè)水平高低受檢測(cè)者主觀意識(shí)影響較大。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于焊縫缺陷自動(dòng)檢測(cè)研究重視程度逐步提升，并取得了可觀成果，在實(shí)際應(yīng)用中可以有效提升焊接質(zhì)量檢驗(yàn)成效。如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的微型機(jī)焊接缺陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)X射線底片自動(dòng)化識(shí)別分析，但實(shí)際應(yīng)用范圍存在很大的局限性。同時(shí)，相關(guān)單位對(duì)焊接缺陷算法研究中，涌現(xiàn)出很多新式算法，自動(dòng)化識(shí)別質(zhì)量大大提升。甘肅工業(yè)大學(xué)建立的焊縫X射線探傷實(shí)時(shí)成像自動(dòng)評(píng)片系統(tǒng)，主要是在以往的X射線實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步整合模式識(shí)別、缺陷分割、圖像處理以及圖像數(shù)據(jù)庫(kù)等先進(jìn)技術(shù)，形成了較為可靠的自動(dòng)平片系統(tǒng)。該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)鮮明，可以實(shí)現(xiàn)X射線實(shí)時(shí)成像，獲取探傷圖像，缺陷檢測(cè)和識(shí)別以及自動(dòng)評(píng)片等，并依據(jù)收集的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，自動(dòng)化生成探傷報(bào)告?；诖朔N方式，可以實(shí)現(xiàn)焊接缺陷檢測(cè)全過(guò)程自動(dòng)化。

4 結(jié)論

綜上所述，蒸汽過(guò)熱爐是石油化工生產(chǎn)的重要裝置，運(yùn)行穩(wěn)定直接關(guān)乎到工業(yè)生產(chǎn)效率和效益。在蒸汽過(guò)熱爐微合金爐管焊接中，需要收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息選擇最佳的焊接工藝，依據(jù)爐管材質(zhì)和裝置運(yùn)行環(huán)境選擇最佳的焊接材料，并對(duì)焊接全過(guò)程嚴(yán)格把控，以便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決焊接缺陷，促進(jìn)焊接工藝水平發(fā)展，為后續(xù)關(guān)聯(lián)工作開展提供支持。