甲醇厂H-1301过热炉炉管焊接工艺浅析

李亚涛 李 静（神华宁煤煤化工安装检修公司，宁夏 灵武 750411）



甲醇厂H-1301过热炉炉管焊接工艺浅析

李亚涛 李 静
（神华宁煤煤化工安装检修公司，宁夏 灵武 750411）

摘 要：甲醇厂H-1301过热炉经过八年多的运行，部分炉管磨损严重，2015年大修对壁厚减薄15%及以上或胀粗程度超过原管直径的3.5%的炉管进行了更换，本文通过对H-1301过热炉炉管更换焊接工艺进行探讨和分析，为今后类似的相关设备的检修提供借鉴和参考。

关键词：焊接；焊缝；耐热钢；焊接工艺

0 引言

25万吨/年产甲醇装置H-1301过热炉属于火焰加热器，是通过辐射和对流达到热交换的目地，将由高压给水泵P-801A/B送出的132℃的除氧水经过过热炉省煤器后加热为200℃，送至气化炉废热锅炉D-130A/B/C汽包，汽化废锅产生的饱和蒸汽又经蒸汽过热炉加热产出10.0MPa/510℃的过热 蒸汽送至高压蒸汽管网，供208A汽轮机做功。此过热炉经过八多年运行部分炉管（规格：Φ88.9×7.62mm，材质：12Cr2Mo（Ⅳ-2））磨损严重，在2015年大修中对壁厚减薄15%及以上或胀粗程度超过原管直径的3.5%的炉管进行了更换。本次从母材的焊接性、焊接材料选用、焊接过程工艺参数的控制进行分析并结合以往的积累的经验，选用了合适的焊接材料及合理的工艺参数，成功地完成了过热炉炉管更换任务。

1 12Cr2Mo的焊接性分析

12Cr2Mo是具有抗氢腐蚀性、较好高温力学性能和耐温蠕变性能的珠光体耐热钢。焊接时主要存在以下问题：

（1）热影响区的脆化（淬硬性）：在冷却速度较大的情况下，接近熔合线的粗晶区容易形成淬硬的马氏体组织。

（2）焊缝和热影响区的软化：冷却速度过慢，使接头在AC1附近的停留时间增长，而出现“软化区”，冲击韧性下降，引起断裂。

（3）冷裂纹：一般发生在热影响区的粗晶区内，当焊缝强度和氢含量较高时也会发生在焊缝内。

（4）回火脆性：在370℃～565℃温度区间长期运行过程中发生渐进的脆变现象。

（5）再热裂纹：在焊接之后再次处于高温（如焊后热处理），焊接接头上（多数在粗晶区，少数在焊缝金属中）易产生的裂纹。

2 焊接工艺分析

2.1 焊接方法的选择

由于过热炉炉管工作温度510℃、压力10.0MPa、介质过热蒸汽，最终介质供208A汽轮机做功。结合化工生产要求，采用钨极氩弧焊打底（GTAW），焊条电弧焊盖面（SMAW）。

表1

表2

2.2 焊接材料的选择

铬钼珠光体耐热钢的焊条选用要点：

（1）一般按钢种和构件的工作温度来选用，以保证接头的高温性能，通常选用熔敷金属化学成分和力学性能与母材相同或接近的焊条。

（2）对于有冲击韧性要求的焊件，一般情况选用的焊条其焊缝金属常温冲击值应不低于相应母材标准规定下限值。

（3）从提高焊接接头的抗裂纹能力及满足力学性能考虑，应采用碱性低氢型焊条。

（4）从防止热裂纹考虑，通常将焊材中的碳含量控制在低于母材的碳含量，焊缝金属的最佳碳 含量为0.10%左右。

氩弧焊丝选用的基本原则：

（1）应满足接头的化学成分、力学性能和其他特殊性能要求。

（2）焊接工艺性能要好，具有抗裂、防止气孔的能力。

（3）焊丝含有害杂质S、P等要少。

（4）焊丝应清洁、光滑、干燥、无油渍、污物和锈蚀。

R407焊条和TIG-R40焊丝是含Cr2.5%-Mo1%的珠光体耐热钢焊材，可全位置焊接。一般用于焊接工作温度在580℃以下锅炉受热面管子和550℃以下高温高压蒸汽管道和容器，如高温高压管道、合成化工设备、石油裂化设备等。

综上所述，H-1301过热炉炉管12Cr2Mo母材焊接采用的焊接材料为：氩弧焊丝TIG-R40，直径2.5mm；焊条R407 （E6015-B3），直径3.2mm。

12Cr2Mo焊接，母材、焊丝、焊条的化学成分（SH/T3520-2004）见表1。

2.3 坡口制备

坡口形式及尺寸的选用应根据易于保证焊缝质量、填充金属量少、熔合比小、便于操作等原则。综合考虑，最终选用对接Y型坡口，角度α=65°～75°，钝边s=0～2mm，间隙p=0～2mm；采用氧乙炔火焰切割坡口，磨光机清除干净熔渣、氧化皮、影响焊接质量的淬硬层及坡口、边缘内外表面不小于20mm范围内的油、漆、垢、锈等。

2.4 焊接工艺参数

（1）将焊条烘焙至350℃，恒温1小时后装入温度为100℃～150℃的专用保温桶内随用随取，焊丝使用前彻底清除其表面的铁锈和油污。

（2）焊前预热和保持层间温度100℃～150℃，焊后进行740℃～760℃高温回火处理。为了防止管子根部氧化和过烧，氩弧焊打底时，管内充氩气保护，氩气流量为2L/min～4L/min。

（3）焊件达到预热温度后应及时进行焊接，在保持预热温度的条件下，每条焊缝一次连续焊完。多层焊时，每层的接头处错开。

（4）焊条电弧焊时风速大于8m/s，气体保护焊时风速大于2m/s必须采取有效保护措施，否则不得施焊。

焊接参数见表2。

2.5 焊接检验

外观检查焊缝成形良好，焊缝与母材圆滑过渡，表面无飞溅、气孔、夹渣、咬边、未焊满、未熔合、焊瘤、裂纹等缺陷。

焊接接头经外观检查合格后进行X射线检测（RT）Ⅱ级合格，若有不合格时，焊缝返修在热处理前进行，已完成热处理的焊接接头发生焊缝返修时，返修后重新进行热处理。缺陷消除采用磨光机打磨，磨槽修整成适合补焊的形状，并经着色检测确认缺陷已被清除后补焊，同一部位的返修次数不能超过两次。

2.6 焊接热处理

珠光体耐热钢焊接过程中，要严格控制热规范。在焊接方法上，当用钨极氩弧焊对管子进行打底焊时，预热温度可适当降低，因为钨极氩弧焊的热量集中，热影响区小，产生的焊接变形和焊接应力小，且含氢量低。因此，钨极氩弧焊打底焊时，在环境温度0℃以上条件下，预热温度为100℃～150℃，钨极氩弧焊打底焊完毕，升温至250℃～300℃后进行焊条电弧焊焊接，施焊过程中保持层间温度。焊条电弧焊焊接完毕，立即进行700℃～760℃的焊后热处理。当加热温度升至400℃时，加热速率不得大于205℃/h；恒温后的冷却速率不得大于260℃/h，400℃以下可自然冷却。热处理的加热速率和冷却速度若不能立即进行焊后热处理，应做350℃恒温1小时的后热处理。

焊后热处理采用电加热法，加热范围以焊缝中心为基准，两侧各不小于焊缝宽度的3倍，且不小于25mm，加热区以外的100mm范围予以保温。

结论

（1）12Cr2Mo焊接采用焊丝TIG-40和焊条R407，其焊接热输入、层间温度、坡口角度的选择是正确的。

（2）在实际检修过程中必须结合母材的焊接特性和工艺运行条件，对每项焊接工艺参数进行慎重考虑，选取最优的焊接工艺及焊材。

（3）采用上述工艺焊接的焊缝，通过探伤和硬度测试等检验均获得理想结果，甲醇一套H-1301过热炉实际运行至今工作状况良好，说明该工艺切实可行，为今后类似异种钢接头的焊接提供了借鉴。

参考文献

［1］ SH/T3520-2004，石油化工铬钼耐热钢焊接规程［S］.

［2］ JB/T4709-2000，钢制压力容器焊接规程［S］.

［3］中国机械工程学会焊接学会.焊接手册［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［4］ GB50235-2010，工业金属管道工程施工规范［S］.

中图分类号：TG75

文献标识码：A