制氫轉化爐爐管焊接質量控制策略

柴東，秦富亮(中石化第四建設有限公司，天津 300270)

0 引言

現階段，制氫轉化爐爐管使用較多的材料主要是HP40Nb，具有高溫蠕變斷裂強度和高溫韌性。爐管冶煉工藝，離心澆筑工藝，機械加工精度，焊接質量，檢測工藝是保證轉化爐質量的重要措施。

1 概述

本次滄州煉化檢修改造制氫轉化爐爐管更新及部分材質升級，原設計56根，擴能改造增加46根，共計102根，除主要材質為HP40Nb外，上部與上法蘭相連接的一段爐管材質為P11，與上尾管相接的加強接頭材質為F11，現將該段爐管材質提升為HP40Nb，相應的將加強接頭材質改為與上尾管材質(TP321H)相一致，即F321H。下集合管更換5根，4根支管與主管的連接方式統一改為法蘭連接，下集合總管與轉化氣余熱鍋爐的連接方式保持不變(焊接)，材質(16MnR)不變。

2 轉化爐管系結構

2.1 轉化爐管系結構

眾所周知，轉化爐結構的核心要素是管系，管系的構成也極為復雜，具有多樣性的特點，主要有上集氣管、上尾管、 轉化管、(下尾管)、下集氣支管、下集氣總管六種。下集氣總管要根據所需的需求量進行規模的確定，按制氫的需求量多少對規模做出有效的調整，通常情況下，轉化爐管系結構通常使用熱漿集合管和冷壁集合管兩種方式。與此同時，制氫的規規模不同，也要采取不同的措施，因此要根據具體情況進行具體的分析。當規模較小時，對于下尾管的設計要求較低，難度較小，且內出口集合管膨脹量也會大大降低，針對上述情況則需要采用熱壁集合管的方式進行。當規模大的情況下，集合管的膨脹量則會出現明顯的提高，也會對下尾管的設計要求加以提高，且在此過程中也會由于熱應力的因素導致位移問題的發生，尾管問題的斷裂現象屢見不鮮，必須予以充分的重視[1-2]。

2.2 焊接工藝

2.2.1 加強管接頭與上尾管焊接

102根爐管頂部加強管接頭與上尾管焊接，材質均為TP321H，規格Φ33.4×3.4 mm，焊口102道，焊接時要注意以下六點：(1)在組對及焊接前，要對坡口及其母材內外表面20 mm范圍內進行打磨處理，盡可能的減少或者避免氧化物、油污、毛刺、熔渣等有害雜質的產生，清潔后要使得金屬表面具有光澤感，同時還要保證不可出現裂紋或者夾層等現象。(2)下列環境須采取有效防護措施:①鎢極氬弧焊風速大于2 m/s；②相對濕度≥90%；③雨、雪天氣；(3)焊絲使用前，將焊絲表面的油污、有害雜質清理干凈；(4)在焊接完一層焊道后要保證層間的整潔性，可以采用砂輪機進行熔渣等物質的清潔，每一層焊道都要以相同的方式和標準進行作業；(5)特別需要注意的是在坡口或者母材表面不可進行引弧和試驗電流，最大限度的避免電弧對母材的傷害；(6)對于母材的厚度情況也要根據具體情況具體分析，科學合理的選擇填充金屬層數。

2.2.2 爐管與下集合管焊接

底部爐管TP321H與下集合管16MnR焊接，規格Φ159×8 mm，焊口102道，焊接時要注意以下七點：(1)組對及焊接前，清除坡口及其母材內外表面20mm范圍內要開展有效的清潔工作，清潔的標準為出現金屬光澤；(2)下列環境須采取有效防護措施：①鎢極氬弧焊風速大于2 m/s，焊條電弧焊風速大于8 m/s；②相對濕度≥90%；③雨、雪天氣；(3)焊接時宜采用多層多道焊，焊條擺動幅度：不大于焊條直徑的3倍，每層焊道的厚度宜控制在3 mm范圍內；(4)焊絲使用前，將焊絲表面的油污、有害雜質清理干凈，在使用焊條時，必須嚴格按照相關的規則和步驟進行使用，保證操作的嫻熟性和質量性，與此同時，100～150 ℃的烘干恒溫箱也是重中之重。除此之外，焊工應使用保溫筒領用焊條，放置時間不超過4 h；(5)每一層的焊道都要采用砂輪機進行干凈徹底的清潔，從而為下一道工序奠定良好的基礎保障；(6)不得在坡口之外的母材表面引弧和試驗電流，并防止電弧擦傷母材；(7)根據實際母材厚度情況進行科學合理的分析，準確把握金屬層數的填充。

2.2.3 下集合總管與余熱鍋爐焊接

下集合總管(16 MnR)與余熱鍋爐(15C rMoR)焊接，規格Φ960×30 mm，焊口1道，焊接時要注意以下七點：(1)組對及焊接前，清除坡口及其母材內外表面20 mm范圍內的氧化物、油污、毛刺、熔渣等有害雜質，直至露出金屬光澤，不得有裂紋、夾層等缺陷；(2)下列環境須采取有效防護措施：①鎢極氬弧焊風速大于2 m/s，焊條電弧焊風速大于8 m/s；②相對濕度≥90%；③雨、雪天氣；(3)焊接時宜采用多層多道焊，焊條擺動幅度:不大于焊條直徑的3倍，每層焊道的厚度宜控制在3 mm范圍內；(4)焊絲使用前，將焊絲表面的油污、有害雜質清理干凈，焊條使用的過程中，工作人員必須確保使用流程的準確性，并按照相關標準進行烘干，恒溫箱的溫度應控制在100～150 ℃之間。焊工應使用保溫筒領用焊條，放置時間不超過4 h；(5)每焊接完一層焊道都必須用砂輪機將層間的熔渣清理干凈，為下一步的工作的順利進行提供保障；(6)不得在坡口之外的母材表面引弧和試驗電流，并防止電弧擦傷母材；(7)根據實際母材厚度情況選擇填充金屬層數。

3 焊接質量控制

3.1 焊接參數選擇

焊接質量的控制與焊接參數的選擇有著密切的聯系，因此在焊接工作之前就要做好焊接參數選擇的準備工作，嚴格按照相關的要求，同時結合實際的情況和當前的需求對氬弧焊進行科學合理的把控[3]。(1)加強管接頭與上尾管焊接焊材選用H0Cr20Ni10Ti規格2.5 mm，焊接方法GTAW，正面及背面保護氣體種類及流量(L/min)99.99%Ar/10～12，層/道間溫度(℃)≤100 ℃。焊接電流90～120 A，電弧電壓 15～20(V)，焊接速度5～8(cm/min)；(2)爐管與下集合管焊接焊材選用ERNiCr-3/ENiCrFe-3規格2.5/3.2 mm，焊接方法GTAW/SMAW，正面及背面保護氣體種類及流量(L/min)99.99% Ar/10～12，層/道間溫度(℃)≤100 ℃。焊接電流90～110/90～120 A，電弧電壓 12～18/18～25 V，焊接速度(cm/min)6～10/10～24；(3)下集合總管與余熱鍋爐焊接焊材選用ER55-B2/E8018-B2(R308)規格2.5/3.2mm，焊接方法GTAW/SMAW，正面及背面保護氣體種類及流量(L/min)99.99%Ar/10～12，預熱溫度≥200 ℃層/道間溫度(℃)≥200 ℃。焊接電流80～120/90～150 A，電弧電壓 12～14/20～30 V，焊接速度6～10/6～12 cm/min，熱處理溫度650～700 ℃，恒溫時間≥1.5 h，自由升溫至300 ℃后，加熱速度按照5125/T(℃/h)計算，且不大于220 ℃/h，冷卻速度按照6 500/T(℃/h)計算，且不大于260 ℃/h，冷卻至300 ℃后自然冷卻。

3.2 施工應具備的條件及施工準備

首先，施工前要對方案進行進一步確認，做好一系列的施工準備工作，圖紙匯審和設計交底工作必須落實到位。施工人員需要進一步加強對工作的執行力度，加強對圖紙的領悟能力，嚴格按照圖紙和施工規范進行作業，科學合理的把控施工的進度和質量，促進施工技術的進步。其次，管理者要加強自身的責任意識，提高各個工序的安全性，且要進一步加強和落實焊接工藝評定的實施，加強對作業人員的管理。與此同時，對于焊工的準入標準也需要進一步提高和明確，這將關系到整個作業環節的質量和效率。例如重視特殊工種人員是否持有相關操作證書，亦或者利用考核制度進行擇優選擇，只有這樣才能夠更好地確保質量問題得到解決。最后，要重視材料問題，使用焊材一方面要符合施工方案及規范要求的相關標準；另一方面，要滿足爐管焊接工藝評定的需要，也需要對所使用的焊材進行復驗和檢查，并做好相關的資料報驗。

3.3 焊接措施

焊接的過程中所采取的措施也對焊接質量的控制有著極大的影響，因此要做好總結。做好各個環節的工作以及加強突發對應的措施方案，坡口清洗以及PT檢測是大部分焊接工作中所忽略的一個重點問題。與此同時也要加強焊接口的檢查，避免管內發生嚴重的氧化現象，并采取相應的防氧化措施。組隊的間隙要嚴格按照圖樣要求進行操作，最大程度地避免錯口的問題。

焊接的過程需要一定的專業性，要求工作人員在專業技能和感官認知上加以提高。若在焊接過程中發現質量問題，必須第一時間內處理，若質量問題嚴重的情況下，必須進行返修。返修的過程中，檢查和記錄工作是必不可少的，并將焊接的表面進行深度的清理，保證焊接表面的平整性和整潔性。與此同時，X射線檢測返銹次數在原則上小于等于兩次。在一系列檢查工作完成后，則需進行打底焊的工作流程，在此過程中，電流的大小也對焊接的質量有著極為重要的影響因素，將電流控制在90～105 A范圍內取得的焊接效果最為理想。若電流過大，焊接在治療以及就會發生嚴重的問題，從而導致凹形較深，弱電流過小，不僅在速度上有著較大的弊端，也不利于焊接質量的優質性，容易導致未焊透的現象發生。

3.3.1 組對及定位焊

通過采用v形坡口并合理控制坡口的角度，與此同時要加強坡口表面的PT檢驗，檢驗通過后才能進行組對。在組對過程中，首先要將坡口的表面進行充分的打磨，在此過程中要注意方式和方法的把控，可以選擇采用砂輪的方式，其范圍要控制在20 mm內，出現金屬光澤即可。其次，可以選擇采用搭橋式的方式，通過兩點定位實施定位焊，在焊接結束后要注意去除焊點，這點是至關重要的，除此之外，需要特別注意的是在焊前需要將焊口封好，并進行沖氬。