裂解爐改造中新舊爐管的焊接

劉建國 唐元生 王紹智

福建聯合石化有限公司的核心乙烯裂解裝置共有8臺裂解爐，位號為F01101~F08108，其中F01101為乙烷爐，將進行改造和檢修施工。裂解爐檢修改造爐管所用材料為20Cr—32Ni+Nb與G—X10NiCrNb3220。在新舊爐管更換焊接時，出現了不同程度的裂紋等缺陷。

我們根據新舊爐管的焊接性進行分析，制定了合理的焊接工藝和技術措施，防止了焊接缺陷的產生。

1. 材料焊接性分析

20Cr—32Ni+Nb為高鉻鎳奧氏體耐熱鋼，新舊爐管化學成分如表1所示。

由于舊爐管長期運行或溫度操作不當，焊縫內壁形成滲碳層，且合金元素因燒損而改變金屬內部組織，所以和新爐管的材質產生了差異。經打磨坡口、著色檢驗，發現母材整體存在細小的裂紋，且表面嚴重碳化，內表面附有一層堅硬的碳層，造成焊接性變差。因此在焊接前要嚴格檢查，清除舊母材的缺陷，為后續焊接提供好的條件。

新舊爐管組對焊接極易出現難熔合，尤其是當焊接電流過大、溫度過高、焊接停留時間過長時，極易在舊母材側產生熱裂紋。

2. 新舊爐管更換解決措施

由于舊爐管在長期高溫腐蝕環境下工作，存在微細裂紋，嚴重碳化，改變了母材組織性能，所以為了避免焊接產生裂紋，未熔合等缺陷，增強母材塑性，減少焊接應力，在對舊爐管母材堆焊前，先進行著色滲透檢測，然后再對焊口堆焊。采用此方法，能夠有效避免并減緩舊爐管焊接時薄弱處產生的應力集中，平均分散應力，防止產生熱裂紋。焊接時通過調整焊接參數和熔合比，形成與新爐管材料相近的過渡層，增加母材的塑性，再打磨出新坡口，然后和新爐管組對焊接。

表1 新舊爐管化學成分（質量分數） （%）

3. 新舊爐管更換焊接工藝

（1）接頭形式 開V形坡口，坡口角度65°~75°（見圖1），不留鈍邊，坡口間隙為2.0~3.0mm。

圖1 坡口角度及焊縫組對

（2）焊前準備 新舊爐管組對前，應清除坡口內外表面及其母材兩側20mm范圍內的氧化皮、滲碳層、雜質及油污等，直至打磨出金屬光澤。采用丙酮擦清洗坡口，防止油污、雜質等帶進熔池，增加焊縫金屬產生結晶裂紋的傾向，會降低金屬的沖擊韌性和抗腐蝕性，易引起熱裂紋。

組對的工夾具不宜焊接在母材上，若需焊在母材上時，應符合下列規定：爐管坡口無應力組對，采用“夾具”定位，工夾具與母材焊接部位的化學成分應與母材的化學成分相似；工夾具的拆除不得采用敲打、掰扭等方式；工夾具拆除后應修磨焊痕再進行滲透檢測，I級合格。

4. 焊接材料的選擇

因舊爐管極易出現熱裂紋，根據相關規范和經驗，焊接時選擇ERNiCr—3氬弧焊絲，φ2.4mm，其韌性、塑性及高溫性能優于舊母材焊絲，同時還能補充母材合金元素的燒損，調整合金成分，提高并改善舊母材的組織性能，確保焊接質量，防止焊接裂紋的產生。化學成分如表2所示。

表2 焊絲ERNiCr—3化學成分（質量分數） （%）

5. 新舊爐管的焊接過程

（1）打底層焊接 焊縫背面氬氣置換時，開始氬氣流量稍大，確保管內空氣排凈。焊接時適當降低氬氣流量，防止焊縫背面因氬氣吹力而形成凹陷，尤其最后收尾接頭。焊接設備采用帶高頻氬弧焊，可以適當延長衰減時間。收弧時把弧坑填滿，防止產生弧坑裂紋。管膛雙重氬氣置換保護如圖2所示。

打底焊接在保證根部焊透和熔合良好的前提下，盡量使用小的焊接熱輸入，減少焊縫熔池過熱。

焊絲始終處在氬氣保護區，防止焊絲在高溫熔化后脫離氬氣保護區被氧化，氧化部分帶到熔池里易產生夾雜。焊絲向熔池逐漸送進，采用抹、滴方式，焊槍輕微的擺動，上坡口慢、下坡口快，防止鐵液下墜，使焊縫背面咬邊，同時增加打底層的厚度，提高焊縫強度，防止因焊接應力影響而產生裂紋。

（2）層間焊接 小電流快速焊，多層多道焊，焊層不超過焊絲直徑，焊縫寬度不超過焊絲直徑的3倍，層間溫度控制在70~80℃以下(用手能觸摸)。層間溫度過高容易使焊縫過熱，造成晶粒粗大，組織性能變差，導致焊接接頭高溫韌性、塑性下降，產生焊接缺陷。焊縫成形如圖3所示。

（3）熱裂紋的預防 措施主要包括：焊接時控制熱輸入，快速焊，采用小的截面焊道，多層多道焊，層間溫度控制在100℃以下，采用合理的焊接順序，以及選擇剛性小的焊接接頭形式等均能改善接頭的焊接應力。新舊爐管焊接參數如表3所示

圖2 管膛雙重氬氣置換保護

圖3 焊縫成形

6. 焊縫檢測

爐管及管件的坡口應按JB/T 4730.5—2005進行100%的滲透檢測，質量等級評定I級為合格，檢測范圍為距離坡口端部25mm內。

所有爐管及管件焊接接頭的底層焊道、焊接接頭表面，以及爐管上臨時或永久性附件的焊接接頭表面、臨時性夾具切除后的表面，應按JB/T4730.5—2005進行100%的滲透檢測，質量等級評定I級為合格。

表3 新舊爐管焊接參數

爐管及管件的對接焊接接頭應按JB/T 4730.2—2005的規定進行100%射線檢測，射線檢測技術等級不得低于AB級，質量合格級別為II級。

7. 焊縫返修

對 RT射線探傷檢測不合格的焊縫應進行返修。缺陷清除后，在焊縫上開出坡口槽，重新按焊接工藝進行施焊，焊接長度一般≥50 mm。焊縫返修時，同一位置焊縫返修不得多于兩次。焊縫返修后應重新進行RT無損檢測并合格。

8. 結語

通過采用上述的焊接工藝及措施，更換的裂解爐爐管焊縫經RT射線檢測，一次合格率100%，裂解爐開車一次成功，受到福建聯合石化有限公司領導的一致好評。