廢熱鍋爐中Cr20Ni32管道焊接技術

何志軍 尹學明 王洪志

（1.遼陽石化分公司設備檢修部 遼寧遼陽 2.遼陽石油化纖工程有限公司 遼寧遼陽）（3.中國石油管道公司沈陽龍昌管道檢測中心 沈陽）

一、基本情況

公司煉油廠加氫裂化裝置所用廢熱鍋爐維修，需要將廢熱鍋爐與轉化爐之間的連接管再焊接。焊接部位管外徑426 mm，管壁厚度36 mm，材料為Cr20Ni32鋼的進口管，該管材用鋼的成分 C≤0.12，Si≤1.5，Mn≤2，P≤0.035，S≤0.03，Cr19%～22%，Ni31%～33%。焊接部位見圖1。

主要焊接難點：（1）舊管和新廢熱鍋爐焊接易產生熱裂紋和晶間腐蝕。（2）廢熱鍋爐的大小頭和舊管的厚度、直徑不一致，易產生錯邊、未熔合、未焊透等缺陷。（3）管壁厚，焊條藥皮不易浮出焊接熔池，易產生夾渣缺陷。（4）氬弧焊打底焊接，內部充氬困難，焊縫質量難以保障。

圖1 焊接位置簡圖

二、Cr20Ni32鋼焊接特點分析

Cr20Ni32鋼的焊接接頭可能發生熱裂紋和氣孔，易受到殘余應力及溫度的影響。在熱影響區焊接接頭發生了鉻的碳化物沉淀，從而降低耐蝕性或耐熱性，并且在接頭內有較大的殘余應力。在鐵素體含量較高時，在350～500℃溫度區長時間停留，易出現475℃脆性。σ相析出脆化，降低金屬的塑性和韌性，產生晶間腐蝕。

1.焊接接頭的耐蝕性

（1）焊縫的晶間腐蝕。Cr20Ni32鋼在多層焊縫的前層，焊縫熱影響區達到敏化溫度的區域在晶界上容易析出鉻的碳化物，形成貧鉻的晶粒邊界，焊縫和熱影響區將產生晶間腐蝕。防止產生焊縫晶間腐蝕，可選用含Ti和Ni的穩定奧氏體焊接材料。在焊接工藝上選用較低線能量焊接、快速冷卻的焊接工藝。

（2）焊接接頭的應力腐蝕破裂。影響Cr20Ni32鋼焊接接頭應力腐蝕的因素有焊接區的殘余拉應力、焊縫鑄造組織以及接頭碳化物的析出等。應力腐蝕破裂均發生在接觸介質的工作面，然后擴展直至斷裂。防止應力腐蝕的措施有適當減少坡口角度，短段焊道施焊，采用較低的焊接線能量，合理布置焊縫的位置和焊接次序以及適當的焊后錘擊焊縫等，來降低殘余應力水平。

2.防止應力腐蝕的措施

（1）適當減少坡口角度，短段焊道施焊，采用較低的焊接線能量，合理布置焊縫的位置和焊接次序，以及適當的焊后錘擊焊縫等，來降低殘余應力水平。

（2）采取預熱及直流反接焊接工藝，有利氣體逸出，防止產生氣孔，降低應力集中。

三、焊接工藝確定

1.焊接方法

由于奧氏體不銹鋼具有優良的焊接性，所有熔焊方法都可以焊接。但從經濟、實用和技術性方面考慮，最好采用手工鎢極氬弧焊打底、焊條電弧焊蓋面的方法，工藝規程見表1。

表1 Cr20Ni32鋼氬弧焊打底電焊蓋面工藝規程

（1）手工鎢極氬弧焊是焊接奧氏體不銹鋼較為理想的焊接方法，采用熱熔紙密封外部沖充氬，因為氬氣保護效果好，合金元素過渡系統系數高，焊縫成分易于控制；由于熱源較集中，又有氬氣的冷卻作用，其焊接熱影響區較窄，晶粒長大傾向小；焊后不需清渣，可以全位置焊接。

（2）焊條電弧焊熱量比較集中，熱影響區小，焊接變形小；能適應各種焊接位置與不同板厚工藝要求。

2.焊接材料

通常是根據不銹鋼材料、工作條件（工作溫度、接觸介質）和焊接方法來選用焊接材料。原則是選用使焊縫金屬的成分與母材相同或相近的焊接材料。焊絲焊條化學成分見表2。

（1）手工鎢極氬弧焊的焊接材料是保護氣體、填充焊絲、和電極。由于用惰性氣體保護，焊接過程合金元素很少被燒損，填充焊絲的成分與母材相同或相近即可，所以，選取焊絲CN82。

（2）焊條電弧焊的選用焊條應選用在保證焊縫金屬具有與母材化學成分大致相同，對于廢熱鍋爐工作溫度在300℃以上，應選用含有Ti或Ni穩定元素的或超低碳的焊條。所以，選取CN182焊條。

表2 焊材化學成分 %

3.焊接工藝要點

（1）焊接所需的熱輸入比碳鋼低20%～30%。采用小電流、低電壓（短弧焊）和窄焊道快速焊可使熱輸入減小，采用必要的急冷措施可以防止接頭過熱的不利影響。

（2）焊前必須對焊接區表面（坡口及其附近）作徹底的清理，清除全部污染物，用砂輪機將坡口磨成前圖形狀，將焊縫兩側20～30 mm范圍內用丙酮擦凈。

（3）弧長一般控制在2～3 mm，直線焊不作橫向擺動，為的是減少熔池熱量，防止鉻等有利元素燒損。多層焊時層間溫度不宜過高，可等到60℃以下再清理渣和飛濺物，然后再焊。

四、焊前準備

坡口經著色檢驗無裂紋等缺陷。將焊絲用丙酮擦干凈,除去表面的水、銹、油污。焊條放在烘干箱內烘干溫度達到300℃保溫2 h，然后放在100℃的恒溫箱內保溫存放，施工現場用焊條筒裝焊條，并接通電焊把線進行保溫，隨用隨取，以免從大氣中再度吸收水分，使焊縫產生氣孔。

為防止產生錯口，對口時將焊口均勻組對點固，沿周向點4～6點，每點長20～30 mm，工藝同打底焊一樣。考慮到焊接收縮變形，組對時焊接間隙焊口底部為2.5 mm，焊口上部為3.2 mm。

五、焊接過程

1.第一層采用氬弧焊打底

首先將焊縫內部充氬氣進行保護，采用手工鎢極氬弧焊，直流正接。由于氬氣保護作用好，氬弧的溫度高、熱量集中而且有氬氣流的冷卻作用，焊縫的熱影響區和焊件變形量小，焊接時無溶渣，焊后無夾渣的缺陷，因此能獲得質量良好的焊縫。氬弧焊規范見表3。

2.焊接方法

以管子的垂直中心線為準，將環形焊口分成對稱的兩個半圓形焊口，按照仰、立、平的焊接順序，各進行仰焊、立焊、平焊，在仰焊及平焊處形成兩個接頭。由于明弧焊接易于觀察熔池，熔深也容易控制。

表3 氬弧焊規范

3.操作過程

（1）在超過仰焊中心線約210°處（圖2）的坡口邊緣上引弧，然后移至焊縫間隙內起焊處迅速壓短電弧進行施焊，在仰焊及斜仰焊位置焊接時，必須保證半打穿焊接，觀察熔池保證焊透，至斜立焊及平焊位置要防止塌陷，在保證焊透的基礎上，采取快速少加焊絲的方法；在平焊位置的終焊點必須超過管子的中心線約340°處。在焊接另一半時，底部接頭處用砂輪機將接頭磨成斜坡保證根部焊透。為了減少焊接應力和防止產生熱裂紋，采取的有效措施是對稱施焊，（如有可能，兩人同時對稱焊接效果更佳）。焊完第一層后采取著色檢驗，檢查是否有裂紋，如沒有裂紋，等層間溫度降到60℃以下時再焊第二層。

（2）二層及填充層采用手工電弧焊，直流反接。坡口側壁和焊道層間的清渣對于防止夾渣的形成是非常重要的。為了便于清渣，焊接時要求焊道表面光滑，向坡口側壁圓滑過渡。為防止焊接接頭在危險敏感溫度范圍內（550～650℃）停留時間過長而產生晶間腐蝕，并防止接頭過熱而產生熱裂紋，采取快速焊和多層焊的方法。焊條最好不作橫向擺動，一次焊成的焊縫的寬度不宜超過焊條直徑的1.5倍。多層焊每層焊縫的厚度不應＞3 mm，收弧時填滿弧坑，防止產生凝固裂紋。

（3）多層焊時，每焊完一層須徹底清除熔渣，采用薄片砂輪和不銹鋼鋼絲刷清理焊縫表面及夾角，并對焊縫進行仔細檢查，確認無缺陷，并且等到層間溫度＜60℃時，再進行下一層的焊接，以減少熱裂紋。

（4）為防止過熱而產生晶間腐蝕，條件允許時，焊后可采取強制冷卻措施。不得在焊縫外的母材上隨便引弧，以免損傷焊件表面，影響耐腐蝕性能。

（5）蓋面層的焊接，采用Φ4 mm的焊條，電弧壓低，兩邊停留時間稍長一點，中間停留時間稍快一點，以獲得優質的焊接接頭。

圖2 坡口邊緣

六、結束語

焊縫經過X射線探傷檢驗，合格率100%無一返修，經過一個周期的生產運行，質量完全符合要求，沒有出現任何焊接質量問題。