Cr5Mo耐熱鋼爐管的焊接

徐文福，馬凱強，顧致家

（蘭州寰球工程公司，甘肅　蘭州　730060）

Cr5Mo耐熱鋼爐管的焊接

徐文福，馬凱強，顧致家

（蘭州寰球工程公司，甘肅蘭州730060）

Cr5Mo合金耐熱鋼由于鋼中碳和合金元素的共同作用，在焊接時極易形成淬硬組織，產生冷裂紋、再熱裂紋和回火脆性，焊后易形成硬度很高的馬氏體和少量的貝氏體，焊接質量差，冬季焊接難度大。為防止焊接時產生裂紋和焊縫的硬度測試值過高，根據實際生產條件制定了合理的焊接工藝規程用于指導現場爐管的焊接，取得了滿意的焊接效果。

Cr5Mo；焊接；熱處理

0　引言

中國石油長慶石化公司130×104t/a年催化原料預處理裝置位于陜西省咸陽市金旭路北側，距朝陽四路約300 m處，該裝置北側的脫瀝青相加熱爐F2202爐管老化，導致油氣泄露，發生爆燃，需要更換輻射爐管，需更換的爐管焊口數160道。輻射室爐管為鉻鉬耐熱鋼，爐管材質為Cr5Mo，具有高溫耐熱性和高溫耐氧化性，焊接性差，冬季焊接難度大，需要采取合理的爐管焊接工藝和焊接防護措施。由于工期緊張，耐熱鋼爐管的焊接工作只能在冬季搶修期間完成，這給爐管焊接施工帶來了很大的困難，根據焊接工藝評定結合現場實際情況，制訂了合理的焊接工藝措施，防止了冷裂紋和再熱裂紋的產生，確保了耐熱鋼爐管焊接任務的順利完成。

1　Cr5　Mo焊接性分析

1.1爐管材質化學成分見表1

表1　爐管化學成分表

1.2Cr5Mo屬于合金耐熱鋼

由于鋼中碳和合金元素的共同作用，在焊接時極易形成淬硬組織，可焊接性差，主要可能出現的問題是焊接時易產生冷裂紋、再熱裂紋和回火脆性。該類鋼具有空淬傾向，焊接質量差，焊后易形成硬度很高的馬氏體和少量的貝氏體，為防止焊接時產生裂紋和焊縫的硬度測試值過高，要求必須進行焊前預熱及焊后熱處理，并制訂合理的焊接工藝及熱處理工藝措施。

2　焊接工藝

2.1焊接作業人員

焊接作業人員必須按TSG Z6002-2010《特種設備焊接操作人員考核細則》規定進行考試且成績合格，持有特種設備焊接作業人員證書，證書所涉及焊接項目應能夠覆蓋FeⅢ類金屬的管道焊接項目，并須在有效期限內，證書內容完整、清晰；焊接作業人員均應在合格項目范圍內施焊，嚴禁超出合格項目所覆蓋的范圍進行施焊作業。焊工合格項目如下：GTAW-FeⅢ-6G-3/68 -FefS-02/10/12和SMAW-FeⅢ-6G（K）-9/68-Fef3J；GTAW-FeⅢ-6G-4/73-FefS-02/10/12和SMAW-FeⅢ-6G（K）-8/73-Fef3J。

2.2焊接方法

采用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面的焊接方法。在使用鎢極氬弧焊時，焊絲前端應置于保護氣體氬氣中，在焊接底層焊道時，爐管內應充入氬氣進行保護，氬氣純度不低于99.99%。

2.3焊接材料的選擇與管理

2.3.1焊材選擇

為保證焊接接頭具有與母材相當的高溫蠕變強度和抗氧化性，選擇與母材合金成分基本相同的合金鋼焊材。焊材選用國產大西洋牌號見表2所示。

表2　爐管焊接焊材選用表

2.3.2焊材管理

焊材使用前應按規范要求進行化學成分分析。

焊材的儲存環境應保持干燥，溫度不得低于5℃，相對濕度不大于60%。焊條在使用前應按照說明書的要求進行烘干，烘干后放在保溫筒內的焊條不得超過4 h，否則應按原規定重新烘干，且重復烘干次數不得超過兩次。

2.4焊接環境要求

焊接環境出現下列情況之一時，必須采取有效防護措施，否則禁止施焊。

（1）環境溫度低于0℃；

（2）手工電弧焊時風速大于8 m/s，氬弧焊時風速大于2 m/s；

（3）相對濕度大于90%。

當環境溫度低于0℃時，需搭設暖棚確保施焊環境溫度在5℃方可正常進行爐管的焊接。

2.5坡口加工及組對

（1）爐管坡口采用機械或火焰加工，火焰加工的坡口在切割完以后需把坡口表面的氧化層清除掉，然后對坡口切割面進行100%PT檢查，坡口表面不得有裂紋、夾層、氣孔等缺陷。組對前，用鋼絲刷或砂輪機清理坡口及其20 mm范圍內的母材表面，使其不得有油漆、毛刺、氧化皮和鐵銹及其他對焊接有害的雜質。爐管坡口型式示意圖及坡口進行PT檢測圖見圖1。

（2）爐管組對時，爐管與爐管、爐管與管件的對焊接頭內壁應做到平齊，內壁錯邊量當外徑小于或等于102 mm時，錯口不應大于0.5 mm；當外徑大于102 mm時，錯口不應大于1 mm。焊在180°急轉彎頭上的兩根爐管的兩端應齊平，長短相差不應大于2 mm。

圖1　爐管焊接坡口組對示意圖及坡口進行PT檢測圖

（3）組對、定位焊時采用與母材材質一致的卡具點焊在距坡口周邊一段距離處，待打底焊適當時用磨光機將其拆除，在焊后對點焊處母材進行滲透檢測確保無裂紋；如有缺陷對其打磨及補焊，與焊縫一同進行焊后熱處理。在點焊前需采用火焰或電加熱將點焊部位加熱到200℃左右。上述方法解決了實際生產中，爐管打底焊時在定位焊接頭部位容易出現內凹的現象。嚴禁強力組對定位焊接；定位焊的焊接工藝與正式焊的焊接工藝相同，定位焊的焊縫高度宜在2～4 mm之間，焊縫長度宜在10～20 mm之間，間距宜在100～300 mm之間。

為確保底層焊道成形好，減少集中應力，定位焊縫的兩端應為緩坡狀，否則應進行打磨修整。

2.6焊前預熱

焊前預熱可有效防止接頭的冷裂紋和高硬度區的形成。預熱方法采用電加熱法，預熱升溫應緩慢而均勻，防止局部過熱，預熱溫度200℃～250℃；預熱范圍為對口中心線兩側各100 mm，加熱區以外的100 mm范圍內要進行保溫，保溫材料采用50 mm厚的陶瓷纖維棉，測溫用熱電偶，每道口設置1個熱電偶進行溫度控制，并用紅外線測溫儀隨時進行溫度的抽查。當達到預熱溫度后，應立即進行底層焊道的焊接，且應一次性連續焊完。爐管焊前預熱溫度見表3所示。

表3　爐管焊前預熱溫度表

2.7焊接過程及焊接工藝參數

（1）Cr5Mo打底焊時由于合金含量較高，熔池流動性差導致根部不宜焊透，且打底層容易在高溫下被氧化產生“發渣”。因此，采用鎢極氬弧焊時必須背面充氬保護，保證焊縫質量。充氬開始時流量適當加大，待管內空氣排干凈后方可施焊，施焊時，流量控制在10～12 L/min。收口時為防止內壓力過大造成收口焊道內凹，應將流量調低至3～5 L/min。爐管焊接充氬示意圖見圖2所示。

圖2　爐管預制及安裝根部GTAW打底焊接充氬保護示意圖

（2）為防止產生焊接裂紋，焊接時應采用小的熱輸入，采用多層多道焊和窄焊道、不擺動或小幅度擺動、小電流和短電弧連續焊。

（3）焊縫焊完后應立即進行30 min、300℃～350℃的后熱處理，保溫緩冷。如焊接中途停止應立即進行后熱處理，焊前需重新預熱。底層焊道完成后，應立即進行下一層的焊接，且應一次焊完。

（4）Cr5Mo的焊接工藝參數見表4所示。

表4　爐管焊接工藝參數

2.8焊后熱處理

（1）射線檢測合格后進行熱處理，熱處理后對焊縫、熱影響區進行硬度檢查。

（2）通過焊后熱處理可以細化晶粒、均勻組織、消除焊接殘余應力，降低硬度、提高接頭的綜合力學性能。Cr5Mo焊后接頭焊縫、熱影響區的組織均為馬氏體組織，其硬度取決于焊接和焊后熱處理的參數。冬季施工中，可適當降低冷卻速度，以確保硬度值符合要求，制訂的焊后熱處理工藝見表5所示。

表5　焊后熱處理參數

（3）熱處理采用電加熱法，用溫控柜自動控制。溫控儀及熱電偶、記錄儀都在鑒定有效期內，以保證溫度控制記錄的準確性。恒溫時加熱范圍內任意兩點的溫差要不得高于50℃。測溫采用熱電偶，用自動記錄儀記錄熱處理曲線。熱處理的加熱范圍，為以焊縫中心為基準、兩側不小于100 mm的區域，加熱區以內的100 mm范圍予以保溫。熱處理前將管道兩端封死，防止管內空氣流動和減少氧化物的形成。爐管熱處理工藝曲線見圖3所示。

圖3　爐管熱處理工藝曲線

2.9焊接檢查

2.9.1外觀檢查

（1）焊縫外形尺寸應符合設計文件的要求，焊縫外觀成型良好，焊縫與母材應圓滑過渡。

（2）焊縫和熱影響區表面不應有裂紋、氣孔、弧坑和肉眼可見的夾渣和熔合性飛濺等缺陷。

（3）焊縫表面的咬邊深度不得大于0.5 mm，連續咬邊長度不得大于100 mm，焊縫兩側咬邊總長度不得超過該焊縫總長度的10%。

（4）焊縫余高應控制在0～2 mm。

2.9.2無損檢測

（1）為發現焊接延遲冷裂紋，每道爐管焊縫焊接完成24 h后進行100%射線檢測，Ⅱ級合格；對先進行射線檢測后進行熱處理的焊縫，焊后熱處理完成后，為檢測熱處理可能產生的再熱裂紋，對熱處理焊口做10%超聲檢測及滲透或磁粉檢測，以無裂紋為合格，見圖4所示。

圖4　焊縫熱處理后進行10%UT和PT抽檢

（2）熱處理后對焊縫進行100%硬度檢測，檢查焊縫、熱影響區HB≤241為合格。

（3）焊縫用光譜分析進行合金含量的抽檢，確保熔敷金屬的化學成分與母材匹配。

（4）經無損檢測發現不合格的焊縫必須進行返修。同一部位的返修次數不能超過2次，返修超過2次必須制定返修工藝措施，并由項目總工程師批示后方可進行返修。同時將返修次數、部位和無損檢測等結果記入焊縫返修記錄中，返修后仍按照原規定方法進行無損檢測。

（5）要求進行焊后熱處理的爐管，應在熱處理前返修，如在熱處理后還需返修，返修后應重新進行熱處理并做硬度測試。

（6）爐管焊接過程應做好焊接記錄，并繪制焊縫布置圖，注明管線號、焊縫編號和焊工代號、焊接日期；焊縫熱處理曲線標注管線號、焊縫編號和熱處理日期等信息。

3　結束語

針對現場實際情況，制訂了相應的爐管焊接工藝措施，指導現場爐管焊接取得了滿意的效果。本次鉻鉬鋼爐管焊接射線檢測總計拍片數960張，一次合格片數960張，一次合格率100.0%。熱處理后做100%硬度檢查，焊縫硬度HB集中在140～210范圍，低于標準的HB≤241，熱處理取得了良好的效果。試壓前對爐管焊縫進行超聲波及滲透抽檢，未發現再熱裂紋存在。實踐證明，所選用的焊接方法、焊接材料、焊接工藝措施正確合理。

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TG457

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.07.009

2016-4-12

徐文福（1960-），男，漢族，山東淄博人，大學專科，助理工程師，主要從事煉油化工建設工程監理工作。