黃峰

(中化泉州石化有限公司 福建 泉州 362103）

1 概述

圖1 爐管與集合管連接示意圖

某連續(xù)重整裝置反應(yīng)進(jìn)料加熱爐為箱式爐，每臺(tái)箱式爐設(shè)有獨(dú)立的輻射室爐膛，每個(gè)爐膛內(nèi)布置“倒U”型管排，在輻射爐底通過進(jìn)口、出口集合管與反應(yīng)器的轉(zhuǎn)油線相連。輻射爐管材質(zhì)為ASTMA335 P9，規(guī)格為Φ141.3×6.55mm；集合管材質(zhì)為ASTM A691 1.25Cr-0.5Mo，主管規(guī)格為Φ1270×28mm；與爐管連接位置為熱拔口形式的管嘴，凸出高度40mm，相鄰兩個(gè)管嘴接口中心間距254mm。

圖2 集合管拔口的管嘴示意圖

2 施工特點(diǎn)分析

P9和1.25Cr-0.5Mo分別是中、低合金鉻鉬鋼，材料的淬硬性高，且化學(xué)成分不一致，易產(chǎn)生冷裂紋和再熱裂紋，但對裂紋的敏感性不一致；焊接和熱處理工序復(fù)雜，對預(yù)熱、層間溫度、后熱、熱處理和無損檢測都有較高要求；拔口位置壁厚變化大，且存在制造偏差，爐管與拔口處對接難度大；現(xiàn)場焊接位置在集合管的拔口處，且爐管之間的焊接空間狹小，需要對焊工進(jìn)行側(cè)方障礙焊考核；熱處理難度大，對接焊口位置距離主管近，電加熱帶在焊口處不便纏繞緊密；集合管的內(nèi)部空間大，易產(chǎn)生穿堂風(fēng)，需要加大熱處理的保溫范圍和加固措施。

針對以上的特點(diǎn)，首先是按照設(shè)計(jì)文件和規(guī)范要求指導(dǎo)現(xiàn)場施工作業(yè)，其次要根據(jù)作業(yè)特點(diǎn)，在滿足質(zhì)量要求的情況下，制定更加合理的措施，確保施工的本質(zhì)質(zhì)量。

3 焊接性能分析

3.1 材料特點(diǎn)分析

加熱爐輻射爐管的集合管操作溫度高，采用合金耐熱鋼在高溫下有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和足夠的強(qiáng)度。P9和1.25Cr-0.5Mo材質(zhì)都屬于珠光體耐熱鋼，主要是Cr、Mo合金元素，以及其他微量元素。由于材料中的碳元素和Cr、Mo等合金元素共同作用，在焊接時(shí)容易形成淬硬組織，焊接時(shí)還易產(chǎn)生冷裂紋和再熱裂紋，可焊接性差。對焊材和焊接工藝的確定，焊接和熱處理過程要加強(qiáng)管控，嚴(yán)格預(yù)熱、層間溫度控制，焊接完成后及時(shí)進(jìn)行后熱或熱處理等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在熱處理完成后24小時(shí)進(jìn)行100%的RT和PT檢測，硬度檢測。

3.2 焊材選擇和焊接工藝

對于P9和1.25Cr0.5Mo這兩種材料的成分差別大、裂紋敏感性不同，按照就低不就高的原則，確定焊材和焊接工藝。焊接采用氬弧焊打底，電焊蓋面；焊接材料選擇：焊絲CHG-55B2R，焊條E8016-B2。

表1 材料的主要合金化學(xué)成分表（%）

焊接前，做好焊接環(huán)境的確認(rèn)和工機(jī)具準(zhǔn)備；檢查坡口，清理表面油污、鐵銹等，并進(jìn)行100%的PT檢測。焊接過程，應(yīng)采取小電流、多層多道焊，不擺動(dòng)或小幅度擺動(dòng)焊條。在打底焊接時(shí)，尤其要做好充氬保護(hù)，防止由于熔池流動(dòng)性差導(dǎo)致未焊透，或者在高溫下氧化而影響焊接質(zhì)量。

表2 焊接工藝參數(shù)表

3.3 焊工考核要求

由于拔口位置空間狹窄，且爐管之間距離小，對于從事本次焊接的焊工除按照規(guī)范要求取得相應(yīng)的GTAW+SMAW-6G/F3J的焊接項(xiàng)資質(zhì)，還應(yīng)在現(xiàn)場進(jìn)行側(cè)方障礙焊接的考核，經(jīng)考核合格方可上崗。

3.4 焊口壁厚處理和組對

由于集合管與輻射管對接的管嘴采用熱拔工藝制造，管嘴從內(nèi)到外的壁厚逐漸減薄。在焊口組對前，應(yīng)對管嘴的外徑尺寸、壁厚進(jìn)行測量，對于偏差大于1mm的管嘴應(yīng)進(jìn)行壁厚、坡口修磨，并采取過渡措施，以保證兩邊焊口壁厚盡量相同。修磨后的坡口進(jìn)行100%PT檢測。

為減少組對應(yīng)力，組對前，應(yīng)先確定進(jìn)出口集合管的軸線位置、平行度和間距符合圖紙要求。輻射爐管的U型彎與直管已焊接完成，現(xiàn)場組對時(shí)應(yīng)將兩個(gè)直管與集合管的管嘴同時(shí)進(jìn)行組對；對于爐管的管口和集合管管嘴，應(yīng)進(jìn)行尺寸的比對，確保兩者的圓度、壁厚偏差基本一致。

圖3 爐管與集合管管嘴對口示意圖

3.5 焊接的防護(hù)措施

針對集合管管徑大，不能整體充氬保護(hù)，可以采取局部充氬方式進(jìn)行打底焊接的保護(hù)，保護(hù)措施可以與預(yù)熱和熱處理的防護(hù)措施同時(shí)考慮。具體實(shí)施方法如下：在焊口組對前，在爐管側(cè)內(nèi)部填充入稍大于管內(nèi)徑的圓筒型硅酸鋁保溫材料，并保證于管壁的緊密貼合；在集合管側(cè)，制作與集合管內(nèi)徑相當(dāng)?shù)墓杷徜X保溫圓筒，長度以800mm為宜，可以將與需要焊接的焊口及相鄰兩個(gè)管嘴內(nèi)部的集合管全部填滿。爐管與集合管內(nèi)的保溫棉，可以作為充氬保護(hù)的密封層，還可以作為預(yù)熱和熱處理時(shí)的保溫層，確保熱量不流失，也防止穿堂風(fēng)。

圖4 爐管和集合管管嘴使用可溶紙密封充氬示意圖

集合管內(nèi)部的穿堂風(fēng)是影響焊接的主要因素，一是對集合管焊接的外部大環(huán)境采用苫布進(jìn)行全覆蓋，形成局部封閉的小環(huán)境；其次，在集合管焊口貼好可溶紙后，再增加背部保溫棉防護(hù)，減少熱量損失和透風(fēng)；第三，檢查集合管上其他未焊接的管嘴用塑料蓋封堵，與轉(zhuǎn)油線的接口在焊接時(shí)封堵嚴(yán)密。

3.6 焊接順序

考慮到爐管間的焊接空間小，相鄰爐管之間焊接位置受限，因此在組對時(shí)應(yīng)從一側(cè)依次向另一側(cè)進(jìn)行，確保焊口一側(cè)的自由焊接空間，也便于焊接質(zhì)量的檢查。在焊接時(shí)，宜從中間位置開始起弧，向受限側(cè)方向焊接，收弧位置離開受限面。焊絲和焊條可以彎曲后伸入到受限面進(jìn)行焊接，彎曲時(shí)注意保護(hù)藥皮不能脫落。

4 熱處理工藝分析

熱處理包括預(yù)熱、后熱、焊后熱處理的三個(gè)程序。

4.1 焊口的預(yù)熱

預(yù)熱的目的是為了提高焊口區(qū)域母材的表面溫度，以減小焊材與焊縫、熱影響區(qū)的溫差，降低焊接接頭的冷卻速度，減少溫差造成的焊接應(yīng)力和組織淬硬，是預(yù)防產(chǎn)生冷裂紋的有效措施。規(guī)范要求宜采用電加熱對焊口表面進(jìn)行預(yù)熱，但由于該位置在集合管拔口處一側(cè)不便于電加熱繩的纏繞，采用常規(guī)的電加熱進(jìn)行預(yù)熱反而不能達(dá)到很好的效果。在工程中，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，采用火焰加熱能達(dá)到更好的預(yù)熱效果。

采用火焰加熱的范圍以焊口為中心、向兩側(cè)不小于100mm為加熱區(qū)，坡口兩側(cè)均勻進(jìn)行，防止局部過熱；加熱區(qū)外做好保溫，集合管做好防護(hù)；加熱時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長，在距對口中心50～100mm范圍內(nèi)用紅外線測溫儀進(jìn)行測量。預(yù)熱溫度按照合金成分較高的P9爐管側(cè)材質(zhì)確定，同時(shí)也考慮集合管側(cè)面積大，容易散熱，預(yù)熱溫度為330～350℃。

4.2 焊口的后熱

焊接應(yīng)一次連續(xù)完成，焊接期間的層間溫度不低于預(yù)熱溫度。焊接過程因故中斷或焊接完成后，不能立即進(jìn)行焊后熱處理的，應(yīng)立即進(jìn)行后熱處理。后熱溫度為330～350℃、時(shí)間為30分鐘，然后采用保溫緩冷至室溫。對于中斷焊接的焊口再次開始焊接時(shí)，應(yīng)先對焊縫進(jìn)行PT檢測，確認(rèn)無缺陷后按照原焊接工藝開始焊接。

4.3 焊口的焊后熱處理

4.3.1 焊后熱處理溫度的確定

規(guī)范要求P 9材質(zhì)的焊后熱處理溫度是750～780℃，1.25Cr-0.5Mo材質(zhì)的焊后熱處理溫度是700～750℃。在進(jìn)行第一次的焊接工藝評定時(shí)，對于這兩種材料焊接接頭的熱處理溫度為750℃，時(shí)間1個(gè)小時(shí)，檢測結(jié)果符合要求。

根據(jù)該參數(shù)，在現(xiàn)場對焊口進(jìn)行熱處理，但熱處理后對焊口進(jìn)行硬度檢測，滿足不了規(guī)范要求，經(jīng)過原因分析，認(rèn)為750℃是兼顧P9材質(zhì)的要求下限和1.25Cr0.5Mo材質(zhì)的要求上限，這個(gè)溫度在試驗(yàn)室環(huán)境對焊口進(jìn)行熱處理，可以滿足規(guī)范的需求。但現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，且爐管與集合管管嘴接口位置特殊，易散熱，保溫難度大，存在壁厚不均勻的問題，應(yīng)適當(dāng)?shù)奶岣邿崽幚頊囟取?/p>

在現(xiàn)場適當(dāng)提高焊后熱處理溫度和時(shí)間（恒溫溫度為765℃±10℃，1.5個(gè)小時(shí)），熱處理后24小進(jìn)行RT檢測和硬度檢測，結(jié)果符合規(guī)范要求。對照這個(gè)熱處理參數(shù)，再次進(jìn)行焊接工藝評定，其他參數(shù)不變，經(jīng)過評定檢驗(yàn)，焊接接頭的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合要求。

表3 熱處理工藝參數(shù)表

4.3.2 熱處理操作要求

熱處理加熱方法采用使用10Kw或5Kw的繩式加熱器進(jìn)行加熱，加熱范圍應(yīng)為以焊縫中心為基準(zhǔn)、兩側(cè)各不小于100mm的區(qū)域，加熱區(qū)以外的300mm范圍應(yīng)予以保溫，特別是集合管內(nèi)部做好嚴(yán)格封閉，防止穿堂風(fēng)。測溫點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在加熱區(qū)內(nèi)布置三點(diǎn)（P9爐管側(cè)放1個(gè)，集合管面對稱位置各布置1個(gè)），熱電偶焊接固定在熱影響區(qū)，熱處理完成后打磨干凈，并進(jìn)行PT檢測。在加熱過程中，應(yīng)保證均勻加熱，恒溫時(shí)加熱區(qū)內(nèi)任意兩點(diǎn)溫度差低于10℃，且不超過熱處理的溫度范圍。熱處理完成后，在原始曲線上標(biāo)明熱處理的時(shí)間、管線號(hào)、焊口號(hào)、規(guī)格、材質(zhì)及工號(hào)，做好操作記錄。檢查熱處理自動(dòng)記錄曲線，熱處理曲線應(yīng)連續(xù)，無異常斷點(diǎn)。

熱處理后進(jìn)行硬度檢測：在同一截面上的焊縫、熱影響區(qū)及母材上各取一點(diǎn)測定硬度值，每道口應(yīng)至少取3處截面位置，以平均值為準(zhǔn)；焊縫及熱影響區(qū)所測硬度值應(yīng)符合，對于P9材料HB≤241為合格，對于1.25Cr-0.5Mo材料HB≤225為合格。

5 結(jié)束語

對于輻射集合管拔口處狹小空間下，集合管與輻射管異種鉻鉬鋼的焊接和熱處理雖然有其他文章研究過相似的內(nèi)容，但是，通過本次工程，我們對于該位置處的具體焊接工藝確定和焊材選用，焊工考核，焊接充氬保護(hù)，焊口預(yù)熱方案，焊后熱處理溫度和時(shí)間等關(guān)鍵內(nèi)容都做出了新的實(shí)踐，并經(jīng)過了工程檢測和裝置運(yùn)行的實(shí)際檢驗(yàn)，取得了良好的效果，也為同類裝置施工提供了很好的借鑒。