12Gr9Mo- I 管式加熱爐管焊接施工技術

王國強

中國化學工程第九建設有限公司 遼寧盤錦 124000

12Cr9Mo- I 材質自身的熱淬硬性傾向強、具有很大的熱約束力。因此，焊材的選用、焊接前加熱、焊接環境的改變、焊接工藝、焊后穩定化熱處理的滿足等工藝條件，都會是形成焊縫熱裂紋、焊后延遲裂紋的主要因素。通過針對12Cr9Mo- I 的化學成分、熱力學性能的分析方法及有關標準規定，對加熱爐爐管12Cr9Mo- I 進行焊接、檢測。

1 工程案例概況

由中國化學工程第九建設有限公司承建的遼寧寶來生物能源有限責任公司100 萬t/ a 環烷基餾分油加氫精制裝置，其減粘加熱爐輻射室爐管的對流排管材質為12Cr9Mo- I，規格為φ141.3×8，吋徑約為3200 達因。針對12Cr9Mo- I 管道焊縫的工藝進行技術攻關，通過選擇科學合理的焊接方法、工藝，并通過工藝方法鎢極氬弧焊打底、鎢極氬弧焊填充，以及鎢極氬弧焊蓋面的焊接形式，有效減少了焊接熱裂紋、焊縫的氧化性及各種焊縫問題的發生，大大地提高了焊接的一次合格率。

12Cr9Mo- I 中C、Cr 含量較大，使得鋼材具有較大的淬硬性。當以較快的速率冷卻時，由于其主要組成為馬氏體，焊后很容易形成較高柔韌性的馬氏體和貝氏體組織，從而提高接頭脆性，且殘余應力也很大，易于形成冷裂紋。因此，需要在焊前、焊后均對焊縫進行先預熱、再后熱、最后進行焊后熱處理。由于冷裂紋傾向量很大，對鋼材焊接性能有不利影響，所以在焊縫的焊接施工過程中的質量控制尤為重要。

2 施工工藝流程及操作要點

圖1 為施工工藝流程示意圖。

圖1 施工工藝流程示意圖

2.1 施工準備

（1）爐管和管件均須具備質量證明的相關資料及出廠合格證。要求其外觀尺寸、熱力學性能、化學成分的含量和供貨狀況均符合國家標準要求。

（2）焊絲或焊條須具備質量證明文件及出廠合格證。

（3）爐管和管件施焊作業進行前，要召開展焊接技術討論會，并根據焊接工藝評定的選擇編制焊接作業指導書。焊接作業指導書應經焊接責任工程師審核，由技術部領導簽字通過。

（4）焊接操作人員須按照TSGZ6002《特種設備焊接操作人員考核細則》的規定，通過操作考試和筆試，獲得相關資質證件。

（5）焊接環境中出現下列情形之一時，須采取有效措施，否則不可以進行焊接：氬弧焊時風速大于2m/ s；相對濕度不大于90%；雨、雪環境；焊件溫度低于0℃。

2.2 坡口加工

在焊接前，需要用坡口機將管子加工成型為單邊30～35°V 型坡口（表1），之后用角磨機將坡口兩側各20mm 周圍內的涂料全部打磨掉；坡口處打磨后，應進行外表面檢查，坡口處外表面不允許有夾渣、分層、裂紋、等瑕疵，邊緣不允許有毛刺、油污、氧化物等對焊接不利的缺陷；坡口外觀檢查合格后，應對坡口表面做100%的滲透檢測，檢測范圍為坡口端部以內50mm。

表1 V型坡口加工要求

2.3 焊前預熱

焊前預熱的主要作用是降低焊接接頭的冷卻速率，從而減少接頭的淬硬傾向，同時降低在焊接金屬中擴散氫含量，這也是避免冷裂紋最有效措施之一。為減小焊接應力，并避免產生裂紋，焊接前可用電加熱繩將焊縫兩側母材平均加熱到300℃，但每側加溫寬度不＜100mm。加熱區及外圍附近區域均使用保溫施工棉進行控溫。由于鉻鉬耐熱鋼焊接時必須嚴格遵守焊前預熱時間溫度規定，為保證焊縫品質，無論在定位焊接還是正常施焊過程中，焊件均要按本規定加熱。

2.4 焊接

（1）采用鎢極氣體保護焊的焊接方法，在鎢極氣體保護焊打底時，必須打底兩層，方可終止背面的惰性氣體保護層。焊接時，焊絲前端也應放入保護氣體中，氬弧焊氣體流量控制在12～15L／min 為宜。為了避免管內焊縫氧化或過燒，對管內必須實行充氬保護，焊接時所使用的為耐熱合金鋼焊絲。焊接工藝參數如表2 所示。

表2 焊接工藝參數

（2）焊接過程中保持起弧和收弧之間的質量，收弧時要把弧坑回滿。

（3）當焊接件按要求達到預加熱溫度后，應及時進行焊接，且焊接過程的道間溫度不小于250～350℃。焊接附近區域繼續使用保溫隔熱棉進行全面保溫。若由于特殊原因而停止焊接時，則須進行320℃后熱處理，再慢慢冷卻；在繼續焊接前，要檢驗確定無缺陷和裂紋后，再進行焊接。

2.5 焊后熱處理及硬度檢測

焊后熱處理可減少消除焊接殘余應力，從而提高焊縫組織的熱力學性能，并可大幅度降低接頭的氫含量，這也是避免延遲裂紋的關鍵措施之一；焊完應及時進行300～350℃、保溫15～30 min 的后熱處理工序，然后緩冷，再進行正式熱處理；熱處理自動記錄曲線異常時，要分析并找出異常因素；要求焊后熱處理溫度750～780℃、硬度（HB）值≤241。

在熱處理過程溫度下的恒溫持續時間、熱處理的加熱速率和冷速率，應當遵循以下規定：

（1）熱處理的加熱區域以焊縫為中心，在兩側各不低于焊縫寬度的3 倍且不＜50mm 的溫度范圍，除加熱區域以外的150mm 區域均應保溫。詳見圖2。

圖2 熱處理示意圖

（2）升溫到300℃時屬于自由升溫狀態；但從0℃升至300℃以下可不控制。

（3）升溫：在從300℃升溫到750～780℃時，升溫速度應控制在不大于220℃/ h。

（4）恒溫：在750～780℃時，恒溫時間不少于1h。

（5）降溫：在從760℃降溫到300℃時，冷卻速度控制在不大于275℃/ h。

（6）降溫到300℃后停機器，自然緩冷。

（7）經熱處理后進行返修及硬度測試按規定未達到規范條件的，應對焊縫再次進行熱處理。

（8）在冷卻速度、溫度超過規定條件時，應當再次進行熱處理。

熱處理的升溫速度、恒溫時間和冷卻速率如圖3 所示。

圖3 熱處理曲線圖

經熱處理后，應按規定要求將焊縫和熱影響區以其附近的母材分別進行布氏硬度抽查檢測，抽查總量應不少于經熱處理工藝焊接接頭總數的20%，并不少于一個焊接接頭。所測硬度值HB≤241。如果硬度檢驗不合格，必須重新進行熱處理作業，再次進行硬度測試，直到合格為止。

2.6 無損檢測

經焊縫表面檢查合格，以及熱處理、硬度檢測合格后，滿24h 后，要進行100%相控陣超聲波檢驗，相控陣超聲波檢驗等級不低于B 級，合格級別為1 級。

表3 為焊接質量控制目標一覽。

表3 焊接質量控制目標一覽表

3 結語

綜上所述，加熱爐爐管12Cr9Mo- I 的焊接施工方法及對焊接技術工藝的管理、熱處理工藝是成功的，管道焊接一次合格率達到98%以上，焊后熱處理硬度檢驗及焊縫外觀質量檢驗都符合規范要求。