Cr5Mo耐熱鋼爐管的焊接

徐文福，馬凱強，顧致家

（蘭州寰球工程公司，甘肅　蘭州　730060）

Cr5Mo耐熱鋼爐管的焊接

徐文福，馬凱強，顧致家

（蘭州寰球工程公司，甘肅蘭州730060）

Cr5Mo合金耐熱鋼由于鋼中碳和合金元素的共同作用，在焊接時極易形成淬硬組織，產(chǎn)生冷裂紋、再熱裂紋和回火脆性，焊后易形成硬度很高的馬氏體和少量的貝氏體，焊接質(zhì)量差，冬季焊接難度大。為防止焊接時產(chǎn)生裂紋和焊縫的硬度測試值過高，根據(jù)實際生產(chǎn)條件制定了合理的焊接工藝規(guī)程用于指導(dǎo)現(xiàn)場爐管的焊接，取得了滿意的焊接效果。

Cr5Mo；焊接；熱處理

0　引言

中國石油長慶石化公司130×104t/a年催化原料預(yù)處理裝置位于陜西省咸陽市金旭路北側(cè)，距朝陽四路約300 m處，該裝置北側(cè)的脫瀝青相加熱爐F2202爐管老化，導(dǎo)致油氣泄露，發(fā)生爆燃，需要更換輻射爐管，需更換的爐管焊口數(shù)160道。輻射室爐管為鉻鉬耐熱鋼，爐管材質(zhì)為Cr5Mo，具有高溫耐熱性和高溫耐氧化性，焊接性差，冬季焊接難度大，需要采取合理的爐管焊接工藝和焊接防護措施。由于工期緊張，耐熱鋼爐管的焊接工作只能在冬季搶修期間完成，這給爐管焊接施工帶來了很大的困難，根據(jù)焊接工藝評定結(jié)合現(xiàn)場實際情況，制訂了合理的焊接工藝措施，防止了冷裂紋和再熱裂紋的產(chǎn)生，確保了耐熱鋼爐管焊接任務(wù)的順利完成。

1　Cr5　Mo焊接性分析

1.1爐管材質(zhì)化學(xué)成分見表1

表1　爐管化學(xué)成分表

1.2Cr5Mo屬于合金耐熱鋼

由于鋼中碳和合金元素的共同作用，在焊接時極易形成淬硬組織，可焊接性差，主要可能出現(xiàn)的問題是焊接時易產(chǎn)生冷裂紋、再熱裂紋和回火脆性。該類鋼具有空淬傾向，焊接質(zhì)量差，焊后易形成硬度很高的馬氏體和少量的貝氏體，為防止焊接時產(chǎn)生裂紋和焊縫的硬度測試值過高，要求必須進行焊前預(yù)熱及焊后熱處理，并制訂合理的焊接工藝及熱處理工藝措施。

2　焊接工藝

2.1焊接作業(yè)人員

焊接作業(yè)人員必須按TSG Z6002-2010《特種設(shè)備焊接操作人員考核細則》規(guī)定進行考試且成績合格，持有特種設(shè)備焊接作業(yè)人員證書，證書所涉及焊接項目應(yīng)能夠覆蓋FeⅢ類金屬的管道焊接項目，并須在有效期限內(nèi)，證書內(nèi)容完整、清晰；焊接作業(yè)人員均應(yīng)在合格項目范圍內(nèi)施焊，嚴禁超出合格項目所覆蓋的范圍進行施焊作業(yè)。焊工合格項目如下：GTAW-FeⅢ-6G-3/68 -FefS-02/10/12和SMAW-FeⅢ-6G（K）-9/68-Fef3J；GTAW-FeⅢ-6G-4/73-FefS-02/10/12和SMAW-FeⅢ-6G（K）-8/73-Fef3J。

2.2焊接方法

采用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面的焊接方法。在使用鎢極氬弧焊時，焊絲前端應(yīng)置于保護氣體氬氣中，在焊接底層焊道時，爐管內(nèi)應(yīng)充入氬氣進行保護，氬氣純度不低于99.99%。

2.3焊接材料的選擇與管理

2.3.1焊材選擇

為保證焊接接頭具有與母材相當(dāng)?shù)母邷厝渥儚姸群涂寡趸裕x擇與母材合金成分基本相同的合金鋼焊材。焊材選用國產(chǎn)大西洋牌號見表2所示。

表2　爐管焊接焊材選用表

2.3.2焊材管理

焊材使用前應(yīng)按規(guī)范要求進行化學(xué)成分分析。

焊材的儲存環(huán)境應(yīng)保持干燥，溫度不得低于5℃，相對濕度不大于60%。焊條在使用前應(yīng)按照說明書的要求進行烘干，烘干后放在保溫筒內(nèi)的焊條不得超過4 h，否則應(yīng)按原規(guī)定重新烘干，且重復(fù)烘干次數(shù)不得超過兩次。

2.4焊接環(huán)境要求

焊接環(huán)境出現(xiàn)下列情況之一時，必須采取有效防護措施，否則禁止施焊。

（1）環(huán)境溫度低于0℃；

（2）手工電弧焊時風(fēng)速大于8 m/s，氬弧焊時風(fēng)速大于2 m/s；

（3）相對濕度大于90%。

當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時，需搭設(shè)暖棚確保施焊環(huán)境溫度在5℃方可正常進行爐管的焊接。

2.5坡口加工及組對

（1）爐管坡口采用機械或火焰加工，火焰加工的坡口在切割完以后需把坡口表面的氧化層清除掉，然后對坡口切割面進行100%PT檢查，坡口表面不得有裂紋、夾層、氣孔等缺陷。組對前，用鋼絲刷或砂輪機清理坡口及其20 mm范圍內(nèi)的母材表面，使其不得有油漆、毛刺、氧化皮和鐵銹及其他對焊接有害的雜質(zhì)。爐管坡口型式示意圖及坡口進行PT檢測圖見圖1。

（2）爐管組對時，爐管與爐管、爐管與管件的對焊接頭內(nèi)壁應(yīng)做到平齊，內(nèi)壁錯邊量當(dāng)外徑小于或等于102 mm時，錯口不應(yīng)大于0.5 mm；當(dāng)外徑大于102 mm時，錯口不應(yīng)大于1 mm。焊在180°急轉(zhuǎn)彎頭上的兩根爐管的兩端應(yīng)齊平，長短相差不應(yīng)大于2 mm。

圖1　爐管焊接坡口組對示意圖及坡口進行PT檢測圖

（3）組對、定位焊時采用與母材材質(zhì)一致的卡具點焊在距坡口周邊一段距離處，待打底焊適當(dāng)時用磨光機將其拆除，在焊后對點焊處母材進行滲透檢測確保無裂紋；如有缺陷對其打磨及補焊，與焊縫一同進行焊后熱處理。在點焊前需采用火焰或電加熱將點焊部位加熱到200℃左右。上述方法解決了實際生產(chǎn)中，爐管打底焊時在定位焊接頭部位容易出現(xiàn)內(nèi)凹的現(xiàn)象。嚴禁強力組對定位焊接；定位焊的焊接工藝與正式焊的焊接工藝相同，定位焊的焊縫高度宜在2～4 mm之間，焊縫長度宜在10～20 mm之間，間距宜在100～300 mm之間。

為確保底層焊道成形好，減少集中應(yīng)力，定位焊縫的兩端應(yīng)為緩坡狀，否則應(yīng)進行打磨修整。

2.6焊前預(yù)熱

焊前預(yù)熱可有效防止接頭的冷裂紋和高硬度區(qū)的形成。預(yù)熱方法采用電加熱法，預(yù)熱升溫應(yīng)緩慢而均勻，防止局部過熱，預(yù)熱溫度200℃～250℃；預(yù)熱范圍為對口中心線兩側(cè)各100 mm，加熱區(qū)以外的100 mm范圍內(nèi)要進行保溫，保溫材料采用50 mm厚的陶瓷纖維棉，測溫用熱電偶，每道口設(shè)置1個熱電偶進行溫度控制，并用紅外線測溫儀隨時進行溫度的抽查。當(dāng)達到預(yù)熱溫度后，應(yīng)立即進行底層焊道的焊接，且應(yīng)一次性連續(xù)焊完。爐管焊前預(yù)熱溫度見表3所示。

表3　爐管焊前預(yù)熱溫度表

2.7焊接過程及焊接工藝參數(shù)

（1）Cr5Mo打底焊時由于合金含量較高，熔池流動性差導(dǎo)致根部不宜焊透，且打底層容易在高溫下被氧化產(chǎn)生“發(fā)渣”。因此，采用鎢極氬弧焊時必須背面充氬保護，保證焊縫質(zhì)量。充氬開始時流量適當(dāng)加大，待管內(nèi)空氣排干凈后方可施焊，施焊時，流量控制在10～12 L/min。收口時為防止內(nèi)壓力過大造成收口焊道內(nèi)凹，應(yīng)將流量調(diào)低至3～5 L/min。爐管焊接充氬示意圖見圖2所示。

圖2　爐管預(yù)制及安裝根部GTAW打底焊接充氬保護示意圖

（2）為防止產(chǎn)生焊接裂紋，焊接時應(yīng)采用小的熱輸入，采用多層多道焊和窄焊道、不擺動或小幅度擺動、小電流和短電弧連續(xù)焊。

（3）焊縫焊完后應(yīng)立即進行30 min、300℃～350℃的后熱處理，保溫緩冷。如焊接中途停止應(yīng)立即進行后熱處理，焊前需重新預(yù)熱。底層焊道完成后，應(yīng)立即進行下一層的焊接，且應(yīng)一次焊完。

（4）Cr5Mo的焊接工藝參數(shù)見表4所示。

表4　爐管焊接工藝參數(shù)

2.8焊后熱處理

（1）射線檢測合格后進行熱處理，熱處理后對焊縫、熱影響區(qū)進行硬度檢查。

（2）通過焊后熱處理可以細化晶粒、均勻組織、消除焊接殘余應(yīng)力，降低硬度、提高接頭的綜合力學(xué)性能。Cr5Mo焊后接頭焊縫、熱影響區(qū)的組織均為馬氏體組織，其硬度取決于焊接和焊后熱處理的參數(shù)。冬季施工中，可適當(dāng)降低冷卻速度，以確保硬度值符合要求，制訂的焊后熱處理工藝見表5所示。

表5　焊后熱處理參數(shù)

（3）熱處理采用電加熱法，用溫控柜自動控制。溫控儀及熱電偶、記錄儀都在鑒定有效期內(nèi)，以保證溫度控制記錄的準確性。恒溫時加熱范圍內(nèi)任意兩點的溫差要不得高于50℃。測溫采用熱電偶，用自動記錄儀記錄熱處理曲線。熱處理的加熱范圍，為以焊縫中心為基準、兩側(cè)不小于100 mm的區(qū)域，加熱區(qū)以內(nèi)的100 mm范圍予以保溫。熱處理前將管道兩端封死，防止管內(nèi)空氣流動和減少氧化物的形成。爐管熱處理工藝曲線見圖3所示。

圖3　爐管熱處理工藝曲線

2.9焊接檢查

2.9.1外觀檢查

（1）焊縫外形尺寸應(yīng)符合設(shè)計文件的要求，焊縫外觀成型良好，焊縫與母材應(yīng)圓滑過渡。

（2）焊縫和熱影響區(qū)表面不應(yīng)有裂紋、氣孔、弧坑和肉眼可見的夾渣和熔合性飛濺等缺陷。

（3）焊縫表面的咬邊深度不得大于0.5 mm，連續(xù)咬邊長度不得大于100 mm，焊縫兩側(cè)咬邊總長度不得超過該焊縫總長度的10%。

（4）焊縫余高應(yīng)控制在0～2 mm。

2.9.2無損檢測

（1）為發(fā)現(xiàn)焊接延遲冷裂紋，每道爐管焊縫焊接完成24 h后進行100%射線檢測，Ⅱ級合格；對先進行射線檢測后進行熱處理的焊縫，焊后熱處理完成后，為檢測熱處理可能產(chǎn)生的再熱裂紋，對熱處理焊口做10%超聲檢測及滲透或磁粉檢測，以無裂紋為合格，見圖4所示。

圖4　焊縫熱處理后進行10%UT和PT抽檢

（2）熱處理后對焊縫進行100%硬度檢測，檢查焊縫、熱影響區(qū)HB≤241為合格。

（3）焊縫用光譜分析進行合金含量的抽檢，確保熔敷金屬的化學(xué)成分與母材匹配。

（4）經(jīng)無損檢測發(fā)現(xiàn)不合格的焊縫必須進行返修。同一部位的返修次數(shù)不能超過2次，返修超過2次必須制定返修工藝措施，并由項目總工程師批示后方可進行返修。同時將返修次數(shù)、部位和無損檢測等結(jié)果記入焊縫返修記錄中，返修后仍按照原規(guī)定方法進行無損檢測。

（5）要求進行焊后熱處理的爐管，應(yīng)在熱處理前返修，如在熱處理后還需返修，返修后應(yīng)重新進行熱處理并做硬度測試。

（6）爐管焊接過程應(yīng)做好焊接記錄，并繪制焊縫布置圖，注明管線號、焊縫編號和焊工代號、焊接日期；焊縫熱處理曲線標注管線號、焊縫編號和熱處理日期等信息。

3　結(jié)束語

針對現(xiàn)場實際情況，制訂了相應(yīng)的爐管焊接工藝措施，指導(dǎo)現(xiàn)場爐管焊接取得了滿意的效果。本次鉻鉬鋼爐管焊接射線檢測總計拍片數(shù)960張，一次合格片數(shù)960張，一次合格率100.0%。熱處理后做100%硬度檢查，焊縫硬度HB集中在140～210范圍，低于標準的HB≤241，熱處理取得了良好的效果。試壓前對爐管焊縫進行超聲波及滲透抽檢，未發(fā)現(xiàn)再熱裂紋存在。實踐證明，所選用的焊接方法、焊接材料、焊接工藝措施正確合理。

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TG457

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.07.009

2016-4-12

徐文福（1960-），男，漢族，山東淄博人，大學(xué)專科，助理工程師，主要從事煉油化工建設(shè)工程監(jiān)理工作。