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過熱爐經過八年多的運行，部分爐管磨損嚴重，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%的爐管進行了更換，本文通過對H-1301過熱爐爐管更換焊接工藝進行探討和分析，為今后類似的相關設備的檢修提供借鑒和參考。

關鍵詞：焊接；焊縫；耐熱鋼；焊接工藝

0 引言

25萬噸/年產甲醇裝置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，汽化廢鍋產生的飽和蒸汽又經蒸汽過熱爐加熱產出10.0MPa/510℃的過熱 蒸汽送至高壓蒸汽管網，供208A汽輪機做功。此過熱爐經過八多年運行部分爐管（規格：Φ88.9×7.62mm，材質：12Cr2Mo（Ⅳ-2））磨損嚴重，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、焊接過程工藝參數的控制進行分析并結合以往的積累的經驗，選用了合適的焊接材料及合理的工藝參數，成功地完成了過熱爐爐管更換任務。

1 12Cr2Mo的焊接性分析

12Cr2Mo是具有抗氫腐蝕性、較好高溫力學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容易形成淬硬的馬氏體組織。

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

（3）冷裂紋：一般發生在熱影響區的粗晶區內，當焊縫強度和氫含量較高時也會發生在焊縫內。

（4）回火脆性：在370℃～565℃溫度區間長期運行過程中發生漸進的脆變現象。

（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（多數在粗晶區，少數在焊縫金屬中）易產生的裂紋。

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、介質過熱蒸汽，最終介質供208A汽輪機做功。結合化工生產要求，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：

（1）一般按鋼種和構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成分和力學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不低于相應母材標準規定下限值。

（3）從提高焊接接頭的抗裂紋能力及滿足力學性能考慮，應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）應滿足接頭的化學成分、力學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S、P等要少。

（4）焊絲應清潔、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、合成化工設備、石油裂化設備等。

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根據易于保證焊縫質量、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，磨光機清除干凈熔渣、氧化皮、影響焊接質量的淬硬層及坡口、邊緣內外表面不小于20mm范圍內的油、漆、垢、銹等。

2.4 焊接工藝參數

（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）焊前預熱和保持層間溫度100℃～150℃，焊后進行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，管內充氬氣保護，氬氣流量為2L/min～4L/min。

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

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

焊接參數見表2。

2.5 焊接檢驗

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。

焊接接頭經外觀檢查合格后進行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行，已完成熱處理的焊接接頭發生焊縫返修時，返修后重新進行熱處理。缺陷消除采用磨光機打磨，磨槽修整成適合補焊的形狀，并經著色檢測確認缺陷已被清除后補焊，同一部位的返修次數不能超過兩次。

2.6 焊接熱處理

珠光體耐熱鋼焊接過程中，要嚴格控制熱規范。在焊接方法上，當用鎢極氬弧焊對管子進行打底焊時，預熱溫度可適當降低，因為鎢極氬弧焊的熱量集中，熱影響區小，產生的焊接變形和焊接應力小，且含氫量低。因此，鎢極氬弧焊打底焊時，在環境溫度0℃以上條件下，預熱溫度為100℃～150℃，鎢極氬弧焊打底焊完畢，升溫至250℃～300℃后進行焊條電弧焊焊接，施焊過程中保持層間溫度。焊條電弧焊焊接完畢，立即進行700℃～760℃的焊后熱處理。當加熱溫度升至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行焊后熱處理，應做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，兩側各不小于焊縫寬度的3倍，且不小于25mm，加熱區以外的100mm范圍予以保溫。

結論

（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）在實際檢修過程中必須結合母材的焊接特性和工藝運行條件，對每項焊接工藝參數進行慎重考慮，選取最優的焊接工藝及焊材。

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

參考文獻

［1］ SH/T3520-2004，石油化工鉻鉬耐熱鋼焊接規程［S］.

［2］ JB/T4709-2000，鋼制壓力容器焊接規程［S］.

［3］中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［4］ GB50235-2010，工業金屬管道工程施工規范［S］.

中圖分類號：TG75

文獻標識碼：A