制氢装置转化炉冷壁集合管与变径接头的焊接

2013-04-02吴国良南京汽轮电机集团泰兴宁兴机械有限公司江苏泰兴225442

化工管理 2013年10期

吴国良（南京汽轮电机集团泰兴宁兴机械有限公司江苏泰兴 225442）

一、前言

本公司于2009年8月份与山东某石化集团有限公司签订两台2万标立/小时制氢转化炉冷壁分（总）集合管的制作合同。设备的设计压力为2.8MPa，设计温度为850/150（衬里/壳体），介质为转化气。转化炉是制氢装置转化反应的反应器，属于装置的心脏设备。

二、原材料要求

该产品选材比较特殊，设备的分集合管壳体为Ф880X22材质为15CrMoR，与壳体相连接是静态铸造不锈钢变径接头，其规格为Ф200X25材质为ZG12Ni32Cr20Nb。设备的分集合管壳体钢板标准GB713-2008《锅炉和压力容器用钢板》按正火+回火状态交货，钢板应做超声波检测，按JB/T4730.3-2005 I级合格。变径接头为静态铸造，铸造合金应采用电弧炉或感应电炉冶炼。铸件成型后的形状和尺寸应符合图样的规定，铸件的尺寸公差如无特殊要求时，应符合GB/T6414规定。铸件内外表面应清理干净。铸件的内外表面不应有粘沙、夹渣、裂纹及机械伤痕等缺陷。若上述缺陷存在时，允许修磨，修磨处与未修磨部位应平滑过渡。铸件的机械加余量除图样另有规定外，应符合GB/T6414中的I级精度规定。除图样另有规定外，焊接坡口及附近30mm区域内应进行机械加工，加工表面粗糙度Ra≤6.3μm。机械加工未注明的尺寸公差应符合GB/T1804-2000中的f级规定。坡口形状和尺寸应符合图样的规定。其化学成份应符合表1的规定：

表1 ZG12Ni32Cr20Nb化学化成分

三、坡口制备

根据图样要求在分集合管壳体（15CrMoR/δ22）上划出各管口的位置线，采用火焰或等离子进行开孔，直径为图样尺寸增加8mm。即开孔直径增加8mm，主要考虑在其坡口表面要堆焊厚度为4mm的过渡层。采用不对称K坡口，是基于减轻工人劳动强度及减少填充熔敷金属而考虑。打磨坡口，使用坡口及其20mm范围内显露出金属光泽。对坡口表面进行100%MT检测，按JB/T4730.4-2005标准I级为合格。坡口加工见图1

四、过渡层堆焊

分集合管壳体与变径接头之间的焊接头为异种钢的焊接结构，是Cr-Mo钢与奥氏体不锈钢之间的焊接，在Cr-Mo钢侧有形成裂纹的倾向。为了防止裂纹的产生，焊后必须进行热处理。在热处理过程中，由于异种材质的差异会引起不同的热膨胀，有产生裂纹的倾向，对焊缝和变径接头均为不利。另外，对于高温合金铸钢ZG12Ni32Cr20Nb材料，其组织相对疏松、晶粒粗大，在制造过程最怕的是焊接返修。一旦返修不当容易产生裂纹，且裂纹很容易扩展，返修哪儿哪儿就会出现放射性裂纹，最终会导致缺陷无法修复，只能将该铸钢报废处理。为此在分集合管壳体开孔坡口上，用Ф2.4 ERNiCr-3焊丝，用钨极氩弧焊堆焊4mm厚作为过渡层。焊前需对坡口100mm范围进行预热，预热温度为80～100℃。焊接时应小线能量的规范参数，焊道与焊道间应有一定的搭接量，一般为焊道宽度的1/3。每焊一层应其表面进行PT检测，按JB/T4730.5-2005标准I级为合格。发现裂纹等缺陷时，应及时打磨，清除干净后，方能进行下道焊缝的施焊。用角向砂轮打磨时不能用力过大，同一部位打磨时间不能过长，否则会破坏堆焊层的组织及性能。推荐采用合金磨头进行打磨，用其进行打磨时不会使打磨处温度过高，也不会破坏堆焊层的组织及性能。ERNiCr-3焊丝的化学成份见表2

焊丝AWS/SFA5.14 ERNiCr-3化学成分如下：

注：镍基焊材在焊接时有奥氏体不锈钢焊接相类似的的问题。例如有高的焊接热裂纹敏感性，在弧坑易产生火口裂纹。在焊接时应采取合适的措施来避免上述缺陷的发生，一般情况下采用合理的装配与焊接次序、选用较小的线能量、及时填弧坑等工艺措施对防止热裂纹均是有益的。

五、热处理

坡口堆焊层经检测合格后，按照图样要求对分集合管壳体整体进行焊后热处理。焊件进行炉时炉内温度不得高于400℃。焊件升温至400℃后，加热区升温速度不得超过6500/δPWHT℃/h，且不得超过260℃/h，一般情况下不低于50℃/h。升温时，加热区内任意4600mm长度内的温度差不得大于140℃。热处理温度为670±20℃，保温时间应不小于1小时，保温时，加热区内最高与最低温度之差不宜超过80℃。升温及保温时应控制加热区气氛，防止焊件表面过度氧化。炉温高于400℃时，加热区降温速度不得超过7000/δPWHT℃/h，且不得超过280℃/h。焊件出炉时，炉温不得高于400℃，出炉后应在静止的空气中自然冷却。

六、无损检测

热处理出炉24h后，对坡口堆焊层按JB/T4730.5-2005标准进行100%PT检测，合格级别为I级。如堆焊表面出现不允许缺陷时，应制定相应的返修方案，并及时处理存在缺陷。

七、分集合管壳体与变径段组装及焊接

将加工好的变径段与分集合管壳体进行组装点焊，按图2要求进行组装，应确保坡口的根部间隙不小于2.5mm。焊前需对坡口及两侧100mm范围进行50～80℃的预热。进行点焊，点焊的参数应比正常焊接的参数大10%左右。点焊的焊接方法采用手工氩弧焊的焊接方法，点焊长度不小于50mm。焊接时应采取背面氩保护，最好采用保护拖罩，这样背面才能得到有效保护。焊接材料采用Ф2.4 ERNiCr-3焊丝。点焊结束后，应对结构尺寸进行检验，检验合格后应及时进行其它各层次的焊接工作。焊接过程采用多层多道小焊接线能量的焊接方法进行，这样能避免焊接热影响区出现淬硬组织，同时也消除了裂纹倾向。焊后应采用防火岩棉覆盖，使其缓慢冷却。

特别注意的是各焊道接头应错开50mm，每一收弧接头应有10mm搭接量。每层焊接完成后，应及时将收弧接去除，去除方法一般采用合金磨头进行打磨。具体焊接顺序按图3进行。

焊接过程应做到每焊一层进行一次PT无损检测，按JB/T4730-2005标准进行100%检测，合格级别为I级。发现裂纹等缺陷时，应及时清理干净后，方能进行下道焊缝的施焊。一般推荐采用合金磨头进行打磨，此方法便于操作、效率高、打磨时不会使打磨处温度过高，也不会破坏焊缝组织及性能。