輻射集合管拔口處異種鉻鉬鋼的焊接和熱處理技術(shù)

黃峰

(中化泉州石化有限公司 福建 泉州 362103）

1 概述

圖1 爐管與集合管連接示意圖

某連續(xù)重整裝置反應(yīng)進(jìn)料加熱爐為箱式爐，每臺(tái)箱式爐設(shè)有獨(dú)立的輻射室爐膛，每個(gè)爐膛內(nèi)布置“倒U”型管排，在輻射爐底通過(guò)進(jìn)口、出口集合管與反應(yīng)器的轉(zhuǎn)油線相連。輻射爐管材質(zhì)為ASTMA335 P9，規(guī)格為Φ141.3×6.55mm；集合管材質(zhì)為ASTM A691 1.25Cr-0.5Mo，主管規(guī)格為Φ1270×28mm；與爐管連接位置為熱拔口形式的管嘴，凸出高度40mm，相鄰兩個(gè)管嘴接口中心間距254mm。

圖2 集合管拔口的管嘴示意圖

2 施工特點(diǎn)分析

P9和1.25Cr-0.5Mo分別是中、低合金鉻鉬鋼，材料的淬硬性高，且化學(xué)成分不一致，易產(chǎn)生冷裂紋和再熱裂紋，但對(duì)裂紋的敏感性不一致；焊接和熱處理工序復(fù)雜，對(duì)預(yù)熱、層間溫度、后熱、熱處理和無(wú)損檢測(cè)都有較高要求；拔口位置壁厚變化大，且存在制造偏差，爐管與拔口處對(duì)接難度大；現(xiàn)場(chǎng)焊接位置在集合管的拔口處，且爐管之間的焊接空間狹小，需要對(duì)焊工進(jìn)行側(cè)方障礙焊考核；熱處理難度大，對(duì)接焊口位置距離主管近，電加熱帶在焊口處不便纏繞緊密；集合管的內(nèi)部空間大，易產(chǎn)生穿堂風(fēng)，需要加大熱處理的保溫范圍和加固措施。

針對(duì)以上的特點(diǎn)，首先是按照設(shè)計(jì)文件和規(guī)范要求指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)，其次要根據(jù)作業(yè)特點(diǎn)，在滿足質(zhì)量要求的情況下，制定更加合理的措施，確保施工的本質(zhì)質(zhì)量。

3 焊接性能分析

3.1 材料特點(diǎn)分析

加熱爐輻射爐管的集合管操作溫度高，采用合金耐熱鋼在高溫下有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和足夠的強(qiáng)度。P9和1.25Cr-0.5Mo材質(zhì)都屬于珠光體耐熱鋼，主要是Cr、Mo合金元素，以及其他微量元素。由于材料中的碳元素和Cr、Mo等合金元素共同作用，在焊接時(shí)容易形成淬硬組織，焊接時(shí)還易產(chǎn)生冷裂紋和再熱裂紋，可焊接性差。對(duì)焊材和焊接工藝的確定，焊接和熱處理過(guò)程要加強(qiáng)管控，嚴(yán)格預(yù)熱、層間溫度控制，焊接完成后及時(shí)進(jìn)行后熱或熱處理等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在熱處理完成后24小時(shí)進(jìn)行100%的RT和PT檢測(cè)，硬度檢測(cè)。

3.2 焊材選擇和焊接工藝

對(duì)于P9和1.25Cr0.5Mo這兩種材料的成分差別大、裂紋敏感性不同，按照就低不就高的原則，確定焊材和焊接工藝。焊接采用氬弧焊打底，電焊蓋面；焊接材料選擇：焊絲CHG-55B2R，焊條E8016-B2。

表1 材料的主要合金化學(xué)成分表（%）

焊接前，做好焊接環(huán)境的確認(rèn)和工機(jī)具準(zhǔn)備；檢查坡口，清理表面油污、鐵銹等，并進(jìn)行100%的PT檢測(cè)。焊接過(guò)程，應(yīng)采取小電流、多層多道焊，不擺動(dòng)或小幅度擺動(dòng)焊條。在打底焊接時(shí)，尤其要做好充氬保護(hù)，防止由于熔池流動(dòng)性差導(dǎo)致未焊透，或者在高溫下氧化而影響焊接質(zhì)量。

表2 焊接工藝參數(shù)表

3.3 焊工考核要求

由于拔口位置空間狹窄，且爐管之間距離小，對(duì)于從事本次焊接的焊工除按照規(guī)范要求取得相應(yīng)的GTAW+SMAW-6G/F3J的焊接項(xiàng)資質(zhì)，還應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行側(cè)方障礙焊接的考核，經(jīng)考核合格方可上崗。

3.4 焊口壁厚處理和組對(duì)

由于集合管與輻射管對(duì)接的管嘴采用熱拔工藝制造，管嘴從內(nèi)到外的壁厚逐漸減薄。在焊口組對(duì)前，應(yīng)對(duì)管嘴的外徑尺寸、壁厚進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于偏差大于1mm的管嘴應(yīng)進(jìn)行壁厚、坡口修磨，并采取過(guò)渡措施，以保證兩邊焊口壁厚盡量相同。修磨后的坡口進(jìn)行100%PT檢測(cè)。

為減少組對(duì)應(yīng)力，組對(duì)前，應(yīng)先確定進(jìn)出口集合管的軸線位置、平行度和間距符合圖紙要求。輻射爐管的U型彎與直管已焊接完成，現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)時(shí)應(yīng)將兩個(gè)直管與集合管的管嘴同時(shí)進(jìn)行組對(duì)；對(duì)于爐管的管口和集合管管嘴，應(yīng)進(jìn)行尺寸的比對(duì)，確保兩者的圓度、壁厚偏差基本一致。

圖3 爐管與集合管管嘴對(duì)口示意圖

3.5 焊接的防護(hù)措施

針對(duì)集合管管徑大，不能整體充氬保護(hù)，可以采取局部充氬方式進(jìn)行打底焊接的保護(hù)，保護(hù)措施可以與預(yù)熱和熱處理的防護(hù)措施同時(shí)考慮。具體實(shí)施方法如下：在焊口組對(duì)前，在爐管側(cè)內(nèi)部填充入稍大于管內(nèi)徑的圓筒型硅酸鋁保溫材料，并保證于管壁的緊密貼合；在集合管側(cè)，制作與集合管內(nèi)徑相當(dāng)?shù)墓杷徜X保溫圓筒，長(zhǎng)度以800mm為宜，可以將與需要焊接的焊口及相鄰兩個(gè)管嘴內(nèi)部的集合管全部填滿。爐管與集合管內(nèi)的保溫棉，可以作為充氬保護(hù)的密封層，還可以作為預(yù)熱和熱處理時(shí)的保溫層，確保熱量不流失，也防止穿堂風(fēng)。

圖4 爐管和集合管管嘴使用可溶紙密封充氬示意圖

集合管內(nèi)部的穿堂風(fēng)是影響焊接的主要因素，一是對(duì)集合管焊接的外部大環(huán)境采用苫布進(jìn)行全覆蓋，形成局部封閉的小環(huán)境；其次，在集合管焊口貼好可溶紙后，再增加背部保溫棉防護(hù)，減少熱量損失和透風(fēng)；第三，檢查集合管上其他未焊接的管嘴用塑料蓋封堵，與轉(zhuǎn)油線的接口在焊接時(shí)封堵嚴(yán)密。

3.6 焊接順序

考慮到爐管間的焊接空間小，相鄰爐管之間焊接位置受限，因此在組對(duì)時(shí)應(yīng)從一側(cè)依次向另一側(cè)進(jìn)行，確保焊口一側(cè)的自由焊接空間，也便于焊接質(zhì)量的檢查。在焊接時(shí)，宜從中間位置開(kāi)始起弧，向受限側(cè)方向焊接，收弧位置離開(kāi)受限面。焊絲和焊條可以彎曲后伸入到受限面進(jìn)行焊接，彎曲時(shí)注意保護(hù)藥皮不能脫落。

4 熱處理工藝分析

熱處理包括預(yù)熱、后熱、焊后熱處理的三個(gè)程序。

4.1 焊口的預(yù)熱

預(yù)熱的目的是為了提高焊口區(qū)域母材的表面溫度，以減小焊材與焊縫、熱影響區(qū)的溫差，降低焊接接頭的冷卻速度，減少溫差造成的焊接應(yīng)力和組織淬硬，是預(yù)防產(chǎn)生冷裂紋的有效措施。規(guī)范要求宜采用電加熱對(duì)焊口表面進(jìn)行預(yù)熱，但由于該位置在集合管拔口處一側(cè)不便于電加熱繩的纏繞，采用常規(guī)的電加熱進(jìn)行預(yù)熱反而不能達(dá)到很好的效果。在工程中，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，采用火焰加熱能達(dá)到更好的預(yù)熱效果。

采用火焰加熱的范圍以焊口為中心、向兩側(cè)不小于100mm為加熱區(qū)，坡口兩側(cè)均勻進(jìn)行，防止局部過(guò)熱；加熱區(qū)外做好保溫，集合管做好防護(hù)；加熱時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)，在距對(duì)口中心50～100mm范圍內(nèi)用紅外線測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)量。預(yù)熱溫度按照合金成分較高的P9爐管側(cè)材質(zhì)確定，同時(shí)也考慮集合管側(cè)面積大，容易散熱，預(yù)熱溫度為330～350℃。

4.2 焊口的后熱

焊接應(yīng)一次連續(xù)完成，焊接期間的層間溫度不低于預(yù)熱溫度。焊接過(guò)程因故中斷或焊接完成后，不能立即進(jìn)行焊后熱處理的，應(yīng)立即進(jìn)行后熱處理。后熱溫度為330～350℃、時(shí)間為30分鐘，然后采用保溫緩冷至室溫。對(duì)于中斷焊接的焊口再次開(kāi)始焊接時(shí)，應(yīng)先對(duì)焊縫進(jìn)行PT檢測(cè)，確認(rèn)無(wú)缺陷后按照原焊接工藝開(kāi)始焊接。

4.3 焊口的焊后熱處理

4.3.1 焊后熱處理溫度的確定

規(guī)范要求P 9材質(zhì)的焊后熱處理溫度是750～780℃，1.25Cr-0.5Mo材質(zhì)的焊后熱處理溫度是700～750℃。在進(jìn)行第一次的焊接工藝評(píng)定時(shí)，對(duì)于這兩種材料焊接接頭的熱處理溫度為750℃，時(shí)間1個(gè)小時(shí)，檢測(cè)結(jié)果符合要求。

根據(jù)該參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊口進(jìn)行熱處理，但熱處理后對(duì)焊口進(jìn)行硬度檢測(cè)，滿足不了規(guī)范要求，經(jīng)過(guò)原因分析，認(rèn)為750℃是兼顧P9材質(zhì)的要求下限和1.25Cr0.5Mo材質(zhì)的要求上限，這個(gè)溫度在試驗(yàn)室環(huán)境對(duì)焊口進(jìn)行熱處理，可以滿足規(guī)范的需求。但現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，且爐管與集合管管嘴接口位置特殊，易散熱，保溫難度大，存在壁厚不均勻的問(wèn)題，應(yīng)適當(dāng)?shù)奶岣邿崽幚頊囟取?/p>

在現(xiàn)場(chǎng)適當(dāng)提高焊后熱處理溫度和時(shí)間（恒溫溫度為765℃±10℃，1.5個(gè)小時(shí)），熱處理后24小進(jìn)行RT檢測(cè)和硬度檢測(cè)，結(jié)果符合規(guī)范要求。對(duì)照這個(gè)熱處理參數(shù)，再次進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，其他參數(shù)不變，經(jīng)過(guò)評(píng)定檢驗(yàn)，焊接接頭的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合要求。

表3 熱處理工藝參數(shù)表

4.3.2 熱處理操作要求

熱處理加熱方法采用使用10Kw或5Kw的繩式加熱器進(jìn)行加熱，加熱范圍應(yīng)為以焊縫中心為基準(zhǔn)、兩側(cè)各不小于100mm的區(qū)域，加熱區(qū)以外的300mm范圍應(yīng)予以保溫，特別是集合管內(nèi)部做好嚴(yán)格封閉，防止穿堂風(fēng)。測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在加熱區(qū)內(nèi)布置三點(diǎn)（P9爐管側(cè)放1個(gè)，集合管面對(duì)稱位置各布置1個(gè)），熱電偶焊接固定在熱影響區(qū)，熱處理完成后打磨干凈，并進(jìn)行PT檢測(cè)。在加熱過(guò)程中，應(yīng)保證均勻加熱，恒溫時(shí)加熱區(qū)內(nèi)任意兩點(diǎn)溫度差低于10℃，且不超過(guò)熱處理的溫度范圍。熱處理完成后，在原始曲線上標(biāo)明熱處理的時(shí)間、管線號(hào)、焊口號(hào)、規(guī)格、材質(zhì)及工號(hào)，做好操作記錄。檢查熱處理自動(dòng)記錄曲線，熱處理曲線應(yīng)連續(xù)，無(wú)異常斷點(diǎn)。

熱處理后進(jìn)行硬度檢測(cè)：在同一截面上的焊縫、熱影響區(qū)及母材上各取一點(diǎn)測(cè)定硬度值，每道口應(yīng)至少取3處截面位置，以平均值為準(zhǔn)；焊縫及熱影響區(qū)所測(cè)硬度值應(yīng)符合，對(duì)于P9材料HB≤241為合格，對(duì)于1.25Cr-0.5Mo材料HB≤225為合格。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于輻射集合管拔口處狹小空間下，集合管與輻射管異種鉻鉬鋼的焊接和熱處理雖然有其他文章研究過(guò)相似的內(nèi)容，但是，通過(guò)本次工程，我們對(duì)于該位置處的具體焊接工藝確定和焊材選用，焊工考核，焊接充氬保護(hù)，焊口預(yù)熱方案，焊后熱處理溫度和時(shí)間等關(guān)鍵內(nèi)容都做出了新的實(shí)踐，并經(jīng)過(guò)了工程檢測(cè)和裝置運(yùn)行的實(shí)際檢驗(yàn)，取得了良好的效果，也為同類裝置施工提供了很好的借鑒。