甲醇裝置用廢熱鍋爐管板的修復(fù)

林桂賢，逯來俊，楊 帆，王延平，李永紅，張建曉

(1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州節(jié)能環(huán)保工程有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050；3.甘肅火電工程公司，甘肅 蘭州 730070)

甲醇裝置用廢熱鍋爐管板的修復(fù)

林桂賢1，逯來俊2，楊 帆3，王延平3，李永紅1，張建曉1

(1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州節(jié)能環(huán)保工程有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050；3.甘肅火電工程公司，甘肅 蘭州 730070)

甲醇裝置用廢熱鍋爐管板在使用過程中局部出現(xiàn)了裂紋，為保證設(shè)備的正常運行，需進(jìn)行修復(fù)。由于換熱管與管板材質(zhì)均為低合金耐熱鋼，含有較多的Cr-Mo，空淬傾向大，焊接時易出現(xiàn)冷裂紋，同時為了消除焊接應(yīng)力和焊縫金屬組織，焊后必須進(jìn)行熱處理。結(jié)合Cr-Mo耐熱鋼的焊接特點、現(xiàn)場施工條件和缺陷情況，制定了管板修復(fù)方案，采用手工鎢極氬弧焊對管板進(jìn)行修復(fù)。實踐證明，所制定的管板修復(fù)方案可靠，所選用的焊接方法、焊接材料、焊接工藝規(guī)范正確合理。

廢熱鍋爐；低合金耐熱鋼；修復(fù)方案；焊接工藝

0 前言

年產(chǎn)30萬t甲醇裝置廢熱鍋爐設(shè)備，換熱管材質(zhì)為A335 Gr.P11，規(guī)格φ 57mm×5mm、φ 38mm×3mm；管板材質(zhì)為13CrMo4-5，管板厚度δ＝32 mm，結(jié)構(gòu)如圖1所示。檢修時發(fā)現(xiàn)換熱管出現(xiàn)泄漏(見圖2)，管板局部有裂紋(見圖3)，為了保證廢熱鍋爐安全使用，煉油廠委托蘭州蘭石重型裝備股份有限公司對該臺設(shè)備進(jìn)行修復(fù)，以使其投入正常使用。

由于換熱管與管板材質(zhì)均為低合金耐熱鋼，含有較多的Cr-Mo成分，空淬傾向大，焊接時易出現(xiàn)冷裂紋，同時為了消除焊接應(yīng)力，焊后必須進(jìn)行熱處理。為確定合理的修復(fù)方案，對Cr-Mo耐熱鋼的焊接特點做了進(jìn)一步的了解。

1 Cr-Mo耐熱鋼的焊接特點

Cr-Mo低合金耐熱鋼因其合金元素含量較多，焊接時有以下特點[1]：

(1)淬硬性。

低合金耐熱鋼中的主要合金元素Cr和Mo等都能顯著提高鋼的淬硬性。其中Mo的作用比Cr大50倍。這些合金元素推遲了鋼在冷卻過程中的轉(zhuǎn)變，提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性。

圖1 廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意

圖2 換熱管頭開裂

圖3 管板局部開裂

(2)冷裂紋。

由于鉻鉬鋼極易產(chǎn)生淬硬的顯微組織，再加上焊縫區(qū)足夠高的擴散氫濃度和一定的焊接殘余應(yīng)力共同作用，焊接接頭易產(chǎn)生氫致延遲裂紋，這種裂紋在熱影響區(qū)和焊縫金屬中經(jīng)常發(fā)生。在熱影響區(qū)大多是表面裂紋，在焊縫金屬中通常由于預(yù)熱溫度不足或沒有及時進(jìn)行焊后熱處理，表現(xiàn)為垂直于焊縫的橫向裂紋，也可能發(fā)生在多層焊的焊道下或焊根部位。

(3)再熱(SR)裂紋。

再熱裂紋是焊接接頭在焊后消除應(yīng)力熱處理過程或長期處于高溫運行中發(fā)生在靠近熔合線粗晶區(qū)的沿晶開裂。鋼中Cr、Mo、V、Nb、Ti等強碳化物形成元素對再熱裂紋的形成有很大影響。

(4)熱裂紋。

當(dāng)焊道的成形系數(shù)(熔寬／熔深)小于1.3時，焊道中心易形成熱裂紋。這是因為窄而深的梨形焊道，低熔點共晶聚集于焊道中心，在焊接應(yīng)力作用下，導(dǎo)致焊道中心出現(xiàn)熱裂紋。一切影響焊道成形系數(shù)的因素都會影響熱裂紋的發(fā)生。

(5)熱影響區(qū)過熱區(qū)的組織脆化。

由于低合金耐熱鋼具有明顯的淬硬性和冷裂紋傾向，所以在焊接時常采用提高預(yù)熱溫度和提高焊接熱輸入能量的方法，但過高的預(yù)熱溫度和焊接熱輸入量往往會造成過熱區(qū)的晶粒粗化和脆化，無法保證接頭韌性。

2 焊接注意事項

針對上述Cr-Mo耐熱鋼焊接性特點，焊接時應(yīng)注意的事項如下[2-3]：

(1)改善焊縫金屬的韌性。

最有效的措施是降低焊縫中O、Si、P的含量。

(2)預(yù)熱。

預(yù)熱可以減低焊接接頭冷卻速度，防止母材和熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，改善其塑性和韌性，減少焊接變形，降低焊接區(qū)的殘余應(yīng)力。

(3)焊接規(guī)范的選擇。

焊接熱輸入、預(yù)熱溫度和層間溫度直接影響到焊接接頭的冷卻條件。一般來說，焊接熱輸入越大，冷卻速度越慢，加之伴有較高的預(yù)熱和層間溫度，會使接頭各區(qū)的晶粒粗大，強度和韌性都會降低。

(4)后熱。

后熱就是焊接后立即對焊件的整體或局部進(jìn)行加熱或保溫，使其緩冷的工藝措施。它不是焊后熱處理，后熱有利于焊縫中擴散氫加速逸出，減少焊接殘余變形和殘余應(yīng)力。所以后熱是防止焊接冷裂紋的有效措施之一，采用后熱還可以降低預(yù)熱溫度，有利于改善焊工勞動條件，后熱對于容易產(chǎn)生冷裂紋且不能立即進(jìn)行焊后熱處理的焊件，更為現(xiàn)實有效。

(5)焊后熱處理。

對于低合金耐熱鋼，焊后熱處理的目的不僅是消除焊接殘余應(yīng)力，更重要的是改善組織提高接頭的綜合力學(xué)性能，包括提高接頭的高溫蠕變強度和組織穩(wěn)定性，降低焊縫及熱影響區(qū)硬度，還會使氫進(jìn)一步逸出以避免產(chǎn)生冷裂紋。

3 管板修復(fù)方案的制定

結(jié)合Cr-Mo耐熱鋼的焊接特點、現(xiàn)場施工條件和缺陷情況，決定采用手工鎢極氬弧焊對管板進(jìn)行修復(fù)，具體修復(fù)方案為：缺陷位置確定→裂紋清除→表面探傷確認(rèn)→管板修整→管板消氫預(yù)熱→焊接→焊后保溫消氫→焊縫區(qū)打磨修復(fù)→預(yù)無損檢測、硬度檢測→管板焊后熱處理→打磨、無損檢測、硬度檢測→各項記錄整理歸檔。

(1)缺陷位置確認(rèn)。對整個管板及周圍區(qū)域進(jìn)行MT和PT檢查，并檢測相應(yīng)區(qū)域的硬度，確認(rèn)泄漏的換熱管、管板裂紋缺陷位置并標(biāo)識清楚。

(2)裂紋清除。采用磨削的方法去除管板上的裂紋；對大面積的裂紋，用砂輪機磨削；對裂紋深度較深的缺陷，用銑刀消除裂紋；將有裂紋的換熱管切割斷開。

(3)在清理過程中要注意：在所有的磨削工作完成后，磨削后的管板表面須用MT徹底檢查，確認(rèn)裂紋全部消除后方可進(jìn)行下一步工作。

(4)管板修整。磨削時將管橋處的裂紋磨成U型。

(5)焊接材料。焊絲選用WCrMo1 Si焊絲，規(guī)格φ 2.4 mm。

(6)加工堵頭并做焊接試驗。按尺寸加工堵頭(見圖4)，并做宏觀檢查。

圖4 堵頭

(7)管板清理。施焊前打磨清理管板上的鐵銹、污物。

(8)管板消氫。由于該設(shè)備已經(jīng)使用，所以將缺陷消除后，需將管板用電加熱片加熱至300℃并保溫1 h，進(jìn)行消氫處理，以確保本次返修一次合格。

(9)焊接。

a.焊接工藝評定：修復(fù)時應(yīng)具備手工鎢極氬弧焊對接、管板角接工藝評定各一項；b.焊接方法：手工鎢極氬弧焊；c.電源及極性：直流正接；d.焊接位置：水平固定；e.焊工資格：持有相應(yīng)資格的熟練焊接操作人員；f.焊接材料：WCrMo1 Si焊絲，規(guī)格φ 2.4mm；g.焊接參數(shù)：焊接電流130～150 A，焊接電壓13～15 V，焊接速度大于90 mm／min；h.層間溫度150℃～250℃；i.不得在坡口外引弧，收弧時要填滿弧坑。

(10)后熱。

焊后立即用氧乙炔或電加熱片將焊縫加熱至300℃～350℃并保溫1 h。

(11)焊縫區(qū)打磨修復(fù)：焊縫區(qū)應(yīng)與管孔及管板過渡良好。

(12)預(yù)無損檢測、硬度檢測。

在堆焊完成后24 h對返修焊縫用MT和UT檢查是否有缺陷，如發(fā)現(xiàn)缺陷，繼續(xù)返修。MT和UT檢查合格后，采用測厚儀測量管板厚度，厚度合格后用硬度計測量硬度。

(13)管板熱處理。

a.熱處理工作在所有焊接工作完成后進(jìn)行，管板和外殼同時熱處理。

b.外殼體的熱處理范圍。加熱寬度以熱端管板為中心，向兩側(cè)各延伸至200 mm處；硅酸鋁保溫層寬度以熱端管板為中心，向兩側(cè)各延伸至300 mm處。

c.熱處理時在管板上至少放四支熱電偶，中心放一支，外部放三支，均勻分布；外殼體上至少放四支熱電偶均勻分布，用來記錄熱處理的溫度，并做好熱處理的保溫工作。

d.熱處理的升溫、降溫曲線如下：升溫時在100℃以下不控制升溫速率；升溫至100℃以上后，控制升溫速率為30℃／h，升溫至62℃并保溫1 h，然后按30℃／h的速率降溫，降至100℃以下可自然冷卻。

(14)無損檢測。

熱處理完成管板降至室溫后，對返修處進(jìn)行MT檢查合格，進(jìn)行熒光磁粉探傷合格，并用硬度計測量硬度。

(15)水壓試驗。水壓試驗合格。

(16)整理各項記錄存檔。

4 產(chǎn)品修復(fù)

按照管板焊接修復(fù)工藝，進(jìn)行了Cr-Mo耐熱鋼手工鎢極氬弧焊對接、管板角接兩項焊接工藝評定，力學(xué)性能、硬度檢測結(jié)果均滿足要求，證明所選用的焊接工藝和焊接材料正確合理；模擬實際工況，對焊接操作人員進(jìn)行了培訓(xùn)、考核(見圖5、圖6)；對打磨、無損檢測和熱處理操作人員也進(jìn)行了修復(fù)前的講解。上述工作完成后，按修復(fù)工藝打磨、修整管板(見圖7、圖8)、焊接(見圖9、圖10)、無損檢測(見圖11)、管板的焊后熱處理(見圖12)，最后對修復(fù)部位進(jìn)行測厚和硬度檢測(見圖13)，其結(jié)果符合要求，水壓試驗一次合格。

該設(shè)備修復(fù)后投入使用，至今已兩年多，運行狀態(tài)良好。

圖5 對焊接操作人員進(jìn)行培訓(xùn)

圖6 對焊接操作人員進(jìn)行考核

圖7 管板打磨

圖8 管板修整

圖9 管板焊接修復(fù)

圖10 焊接修復(fù)后的管板

圖11 無損檢測

圖12 管板的焊后熱處理

圖13 對修復(fù)部位進(jìn)行最終檢測

5 結(jié)論

結(jié)合Cr-Mo耐熱鋼的焊接特點、現(xiàn)場施工條件和缺陷情況，制定了管板修復(fù)方案。采用手工鎢極氬弧焊對管板進(jìn)行了修復(fù)，實踐證明，所制定的管板修復(fù)方案可靠，所選用的焊接方法、焊接材料、焊接工藝規(guī)范正確合理。

[1]張建曉，王國珍.制造加氫反應(yīng)器用Cr-Mo中溫抗氫鋼[J].電焊機，2007，37(8)：50-55.

[2]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊2——材料的焊接[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[3]崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993.

Repairing of tube-sheet of waste heat boiler in methand unit

LIN Gui-xian1，LU Lai-jun2，YANG Fan3，WANG Yan-ping3，LI Yong-hong1，ZHANG Jian-xiao1
(1.Lanzhou Energy-saving and Environmental Protection Engineering Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，China；2.Lanzhou Lanshi Heavy Equipment Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，China；3.Gansu Thermal Power Engineering Corperation，Lanzhou 730070，China)

Some cracks were found on the tube sheet of waste heat boiler in methand unit when operating，to assure the equipment operated safely，It needs to be repaired，because of the material of tube and tube sheets are all the low alloy heat resistance steel.The alloy elements of Cr-Mo is more than the common low alloy steel，So it is easy to cause cold cracks when the repairing plan is not very reasonable.At the same time，The boiler tube sheets must be heat treated after welding to relief the stress and improve the weld metal micre structure，This can take many problems.So correctly chosen welding materials，strictly controlled welding heat input and reasonable welding procedure parameters are very important to the boiler tube sheets repairing plan.The article gains a reasonable repairing plan on the repairing of the boiler tube sheets using in methand unit.

exhaust boiler；low alloy heat-resistant steel；repairing plan；welding procedure

TG457.1

B

1001-2303(2011)12-0065-04

2011-04-02；

2011-11-05

林桂賢(1970—)，女，遼寧寬甸人，高級工程師，主要從事壓力容器的制造工作。