秦海濤

(呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021500)

某公司煤氣化項(xiàng)目選用英國(guó)Advantica公司開發(fā)的BGL型煤加壓液態(tài)熔渣氣化技術(shù), 關(guān)鍵設(shè)備BGL氣化爐共有3臺(tái)。BGL氣化爐帶有水夾套，設(shè)備規(guī)格為φ3600 mm×13592 mm(內(nèi)徑×高)，重約 306.8 t(含耐火材料)，外殼材質(zhì)為13 MnNiMoR，厚度為 70 mm，內(nèi)殼體材質(zhì)為Q245R，厚度為 38 mm。在設(shè)備下部燃燒區(qū)設(shè)置有6個(gè)蒸氧噴嘴接管，用于安裝噴嘴。蒸氧噴嘴安裝接管為 20 MnMo Ⅲ鍛造接管，內(nèi)徑為φ217 mm，壁厚為 125.5 mm。接管分別與氣化爐外殼體和水夾套內(nèi)殼體焊接密封，形成密封通道供蒸氧噴嘴安裝。

在運(yùn)行過(guò)程中，其中一臺(tái)BGL氣化爐夾套水液位迅速缺失，但補(bǔ)水后液位未見上漲，判斷為夾套泄漏。立即進(jìn)行停車檢查，發(fā)現(xiàn)設(shè)備夾套內(nèi)殼體及鼓風(fēng)口鍛造接管燒損缺失。為盡快恢復(fù)設(shè)備使用功能，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用了非常規(guī)修復(fù)方案進(jìn)行了維修。為確保修復(fù)方案的可靠性及可行性，需從強(qiáng)度核算及焊接工藝兩方面進(jìn)行論證。

1 設(shè)備損壞情況及修復(fù)方案

1.1 設(shè)備損壞情況

1)位于5#鼓風(fēng)口上方處耐火襯里出現(xiàn)明顯燒損孔洞，將耐火襯里拆除后檢查發(fā)現(xiàn)此處夾套內(nèi)壁燒損缺失，缺失面積約 400 mm×400 mm。

2)位于5#鼓風(fēng)口的材質(zhì)為 20 MnMo Ⅲ鍛造接管，上半圓處部分有長(zhǎng)度約 100 mm 得燒損缺失，下半圓處未見燒損痕跡。

3)承壓殼體內(nèi)表面產(chǎn)生直徑約為 70 mm 的、最深處深約 10 mm 的燒損凹坑。

1.2 修復(fù)方案

1)將承壓殼體內(nèi)壁燒損處進(jìn)行打磨，檢測(cè)無(wú)裂紋后進(jìn)行補(bǔ)焊。

2)將缺失的鼓風(fēng)口鍛造接管上半部采用現(xiàn)有厚度為 50 mm 材質(zhì)為 16 Mn Ⅲ的鍛造接管制作成瓦片狀焊接補(bǔ)齊。

3)將缺失的夾套內(nèi)筒使用相同材質(zhì)相同厚度的鋼板補(bǔ)齊。

4)修復(fù)詳細(xì)方案見圖1。

圖1 修復(fù)方案示意圖

1.3 修復(fù)方案難點(diǎn)

1)采用了低于原設(shè)計(jì)厚度的鍛管作為補(bǔ)齊原件，強(qiáng)度是否滿足原設(shè)計(jì)要求需要驗(yàn)證。

2)材質(zhì)為 20 MnMo Ⅲ鍛件與 16 Mn Ⅲ鍛件需要焊接，焊接厚度至少為 50 mm，焊接量大。20 MnMo Ⅲ焊接易出現(xiàn)冷裂紋，焊接的可行性與可靠性需要進(jìn)行驗(yàn)證。

2 修復(fù)方案強(qiáng)度與開孔補(bǔ)強(qiáng)核算

2.1 用于修補(bǔ)的鍛管強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)

根據(jù)實(shí)際情況，用于補(bǔ)強(qiáng)的 16 Mn Ⅲ鍛造接管厚度的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)

2.2 修補(bǔ)鍛管厚度計(jì)算

計(jì)算設(shè)計(jì)溫度下修補(bǔ)處的鋼管厚度δt：

(1)

式中：δ為設(shè)計(jì)溫度下計(jì)算厚度，mm;pc為計(jì)算壓力，取值4.85 MPa;Di為筒體內(nèi)徑，取值217 mm；[σ]t為設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力，取值121.8 MPa；φ為焊接接頭系數(shù)，取值為1。

由計(jì)算結(jié)果可知,使用厚度 50 mm 的鍛管進(jìn)行補(bǔ)齊，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算厚度 4.408 mm。

2.3 修補(bǔ)鍛管液壓試驗(yàn)時(shí)強(qiáng)度校核

壓力試驗(yàn)允許通過(guò)的應(yīng)力[σ]T：

[σ]T=0.90σs=274.50 MPa

(2)

試驗(yàn)壓力下接管的應(yīng)力σT：

(3)

式中：σT為試驗(yàn)壓力下鍛管的應(yīng)力，MPa;pt為液壓試驗(yàn)壓力，取值5.75 MPa;Di為筒體內(nèi)徑，取值217 mm；δe為接管有效厚度，取值50 mm; ?為焊接接頭系數(shù)，取值為1。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，試驗(yàn)壓力下的接管應(yīng)力σT遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于試驗(yàn)壓力下的允許[σ]T，液壓試驗(yàn)強(qiáng)度校核合格。

2.4 應(yīng)力計(jì)算

設(shè)計(jì)溫度下接管計(jì)算應(yīng)力σt：

(4)

式中：σt為設(shè)計(jì)溫度下接管的計(jì)算應(yīng)力，MPa;pc為計(jì)算壓力，取值4.85 MPa;Di為筒體內(nèi)徑，取值217 mm；δe為接管實(shí)際有效厚度，取值50 mm;

校核條件[σ]t?=121.8 MPa

通過(guò)計(jì)算結(jié)果σt≤[σ]t?，因此應(yīng)力校驗(yàn)合格。

2.5 針對(duì)夾套內(nèi)筒進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

氣化爐夾套內(nèi)筒處鼓風(fēng)口接管開孔直徑為φ468 mm，直徑已經(jīng)大于φ89 mm，故需要進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算是否需要補(bǔ)強(qiáng)。

根據(jù)GB150-2011采用等面積法計(jì)算夾套內(nèi)筒開孔削弱所需補(bǔ)強(qiáng)面積A：

A=dopδ+2δδe(1-fr)=5148 mm2

(5)

式中：A為夾套內(nèi)筒開孔削弱所需補(bǔ)強(qiáng)面積，mm；dop為開孔直徑，取值317 mm;δ為殼體計(jì)算厚度，取值11 mm；fr為接管材料強(qiáng)度削弱系數(shù)，取值為1。

計(jì)算接管多余金屬面積 A2：

A2=2h1(δe-δt)fr+2h2(δe-C2)=14245.64 mm2

(6)

式中：A2為接管多余金屬面積，mm；h1為接管實(shí)際外伸長(zhǎng)度，取值153 mm；h2為接管實(shí)際內(nèi)伸長(zhǎng)度，取值2 mm，C2為殼體腐蝕裕量，取值3 mm。

由計(jì)算結(jié)果可知A2>A，此處夾套內(nèi)筒體開孔不需補(bǔ)強(qiáng)。

2.6 小結(jié)

根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算及補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算，采用低于原設(shè)計(jì)厚度的 50 mm 厚的 16 Mn Ⅲ鍛造接管補(bǔ)齊設(shè)備燒損處可以滿足強(qiáng)度要求。

3 焊接工藝的選擇

此次設(shè)備修理涉及焊接種類多，其中有 20 MnMo 堆焊，有 20 MnMo Ⅲ與 16 Mn Ⅲ之間焊接，有 20 MnMo Ⅲ表面堆焊INCONEL625，有 16 Mn Ⅲ與Q245R之間焊接。其中，涉及的核心材料為 20 MnMo Ⅲ，而 20 MnMo Ⅲ的堆焊及與 16 Mn Ⅲ之間焊接最為關(guān)鍵。

16 Mn 鋼是焊接性良好的常用低合金鋼，焊接工藝成熟，焊接不易出現(xiàn)缺陷。而 20 MnMo 鋼是Mn-Mo系低合金鋼中的典型，在碳鋼的基礎(chǔ)上加入一定的Mn元素，將鋼的強(qiáng)度和淬透性提高，加入0.20%～0.50%的Mo，用以消除或減輕回火脆性同時(shí)也能提高鋼的淬透性。Mo的加入還顯著提高了鋼的熱強(qiáng)性，因此這類鋼多用于制造中溫高壓厚壁容器。C、Mn、Mo都是顯著增大淬硬傾向的合金元素，很容易導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)淬硬，在大拘束度和擴(kuò)散氫含量較高的條件下焊接時(shí)，冷裂傾向更大，所以在此次檢修中首先需要解決的問(wèn)題是防止發(fā)生冷裂紋。

3.1 實(shí)際材料焊接性判斷

20 MnMo 鋼的各元素組成范圍很大，各元素的波動(dòng)就會(huì)對(duì)焊接冷裂紋的影響較大。氣化爐設(shè)備接管為 20 MnMo Ⅲ鍛造，調(diào)質(zhì)供貨，實(shí)測(cè)化學(xué)成分見表3。根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的合金鋼碳當(dāng)量對(duì)應(yīng)的焊接性標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估經(jīng)驗(yàn)，可以推測(cè)出 20 MnMo Ⅲ鍛造接管的焊接性。

根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)碳當(dāng)量CE≤0.4%焊接性好；當(dāng)CE=0.4～0.6%焊接性稍差，焊前需適當(dāng)預(yù)熱；當(dāng)CE≥0.6%焊接性較差，屬難焊材料，需采用較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝方法。

將實(shí)測(cè)化學(xué)成分帶入國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式[3]：

CE=[w(c)+w(Mn)/6+[w(Cr)+W(Mo)+w(V)]/5+[w(Ni)+w(Cu)]/15=0.438

計(jì)算碳當(dāng)量CE=0.438>0.4，說(shuō)明實(shí)際鍛件焊接性稍差，焊前必須進(jìn)行預(yù)熱。

3.2 預(yù)熱溫度的選擇

預(yù)熱是防止冷裂紋最重要的工藝措施。預(yù)熱的重要作用是改善組織和降低硬度。降低硬度是通過(guò)減少馬氏體組織的轉(zhuǎn)變量，增加中高溫轉(zhuǎn)變組織比例，如貝氏體、鐵素體等，來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在碳當(dāng)量不高的 20 MnMo 鋼實(shí)施預(yù)熱，可以發(fā)揮明顯作用。根據(jù)資料[6]，不同預(yù)熱溫度下的臨界斷裂應(yīng)力σer(MPa)和CE(%)對(duì)應(yīng)值見表2。

表2 開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)斷裂準(zhǔn)則，σer≥σs才可完全避免冷裂紋，查資料[1]得出對(duì)應(yīng)溫度下材料的屈服應(yīng)力σs為 370 MPa，所以焊接選用 100 ℃ 的溫度進(jìn)行預(yù)熱。

3.3 焊接材料及層間溫度

20 MnMo Ⅲ的與 16 Mn Ⅲ之間焊接采用手工電弧焊，焊條選用低氫鈉型堿性焊條J507，焊前焊條經(jīng) 350 ℃ 烘焙1～1.5 h。焊接時(shí),應(yīng)控制層間溫度不得低于預(yù)熱溫度，用以充分釋放焊縫熔覆金屬中氫。層間溫度也不能過(guò)高；層間溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱區(qū)淬硬和脆化，因此應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度在100～200 ℃ 之間。在層間焊接時(shí)，每層完成后，采用人工錘擊的方法降低拘束應(yīng)力，同時(shí)能夠使氫充分逸出后再繼續(xù)施焊，將焊縫金屬中的氫含量降至最低限度。

表3 不同預(yù)熱溫度下的臨界斷裂應(yīng)力σer MPa

表3 20 MnMo Ⅲ鍛管實(shí)測(cè)化學(xué)成分 w/%

3.4 后熱

為減少焊縫金屬的殘余應(yīng)力，改善組織，減少淬硬性，消除擴(kuò)散氫，焊接后必須立即進(jìn)行后熱處理。為了防止后熱過(guò)程中出現(xiàn)材料二次硬化，后熱溫度不得低于 250 ℃。根據(jù)圖2后熱溫度與后熱時(shí)間關(guān)系曲線，確定后熱溫度為 300 ℃，保溫時(shí)間為 2 h。

圖2 避免冷裂紋的后熱溫度及時(shí)間

3.5 焊后檢測(cè)

判斷冷裂傾向的一個(gè)十分重要標(biāo)志就是焊縫熱影響區(qū)的最高硬度。鋼種不同，冷裂紋發(fā)生的臨界硬度值是不同的。根據(jù)資料[6]，20 MnMo 鋼的HAZ臨界硬度指標(biāo)為 338 HB。

實(shí)施本方案后，實(shí)際檢測(cè) 20 MnMo Ⅲ的與 16 Mn Ⅲ之間焊縫最大硬度為 173 HB，熱影響區(qū)處最大硬度為 177 HB,遠(yuǎn)小于 20 MnMo 鋼的HAZ臨界硬度指標(biāo)，證明焊接應(yīng)力釋放較好，極大的降低了冷裂紋產(chǎn)生的幾率。之后對(duì)焊縫按標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013-2015進(jìn)行100%的滲透及超聲檢測(cè)，也未發(fā)現(xiàn)缺陷，證明焊接工藝選擇正確。

4 總結(jié)

此次氣化爐燒損后采用低于原設(shè)計(jì)厚度的 16 Mn Ⅲ鍛造接管對(duì) 20 MnMo Ⅲ鍛造接管進(jìn)行焊接修補(bǔ)，經(jīng)強(qiáng)度計(jì)算滿足原設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)對(duì)焊前、焊中、焊后各項(xiàng)處理措施的分析及實(shí)施，使得焊接后各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，證明焊接各項(xiàng)參數(shù)選擇正確，此修復(fù)方案具備可實(shí)施性。

由于氣化爐啟停時(shí)溫差較大，此處夾套結(jié)構(gòu)在運(yùn)行期間所受的拘束力也大，在今后每次停車檢修時(shí)，應(yīng)對(duì)此處的焊縫進(jìn)行相關(guān)無(wú)損檢測(cè)，監(jiān)控焊縫在使用過(guò)程中有無(wú)缺陷產(chǎn)生，確保設(shè)備使用安全。