氣化爐監造時易出現的質量問題及其探討

■ 沈孝文

氣化爐監造時易出現的質量問題及其探討

■ 沈孝文

本文就氣化爐SA387Gr11CL2鋼材的焊接性分析、結構設計、制造過程中焊接要點、熱處理和無損檢測等方面分別進行闡述，并提出相關建議和控制要求。

焊接性分析；預熱；層間溫度；回火脆性；熱處理；制造；無損檢測

概述

氣化爐是煤化工項目的重要設備之一，其特點是結構復雜、材料特殊，技術要求高。某乙二醇項目氣化爐，設計壓力7.15MPa，工作壓力6.5MPa，設計溫度425℃，工作溫度250℃，直徑Φ3600mm，全容積207/47（爐膛），介質為高溫煤氣，熔渣。氣化室材質SA387Gr11CL2,球型封頭和筒體厚度分別為72/110mm，激冷室材質為SA387Gr11CL2+316L堆焊層，其筒壁和下錐體壁厚分別為110+6mm和115+6mm，激冷室氮氣吹掃口和遠傳溫度接口接管材質為S31668Ⅲ，其他接管和凸緣等均為鍛件，材質為SA182F11CL2或SA336F11CL3。

1 SA387Gr11CL2焊接性分析

因主要合金元素Cr和Mo的存在，顯著提高了其淬硬性。焊接時，如果冷卻速度較大，焊后焊接接頭易形成淬硬組織，造成硬度增高，脆性增大，在有較大拘束應力時常導致裂紋產生。因此，嚴格控制焊材化學成分，采取焊前預熱、焊后緩冷、減小熱影響區寬度等方法來降低焊接淬硬性非常必要。

消除應力處理 裂紋傾向一般在500-700℃范圍內，主要取決于鋼中Cr、Mo等強碳化物形成元素的含量及特性，也于熱處理狀態、熱輸入、預熱溫度和道間溫度有關。它們決定了焊縫金屬的冷卻條件，對焊縫區顯微組織有很大影響。因此，控制母材和焊材化學成分，采用熱輸入小的焊接工藝，適當提高預熱溫度和道間溫度，選擇合適的熱處理工藝，避免在敏感溫度區停留較長時間，對防止熱裂紋有利。

回火脆性 材料在370-595℃的高壓環境中長期運行時可能發生劇烈脆變現向，其回火脆性與鋼中C、Si、Mn、O等雜質含量有密切關系。

延遲裂紋 由于母材壁厚大，結構中拘束度、殘余應力都很大，接頭中的擴散氫從熔池向融合線擴散并聚集，如不及時進行焊后熱處理，則在熔合線附近易產生氫致延遲裂紋。因此，必須采取控制焊道溫度、焊后立即進行消氫處理和消除應力熱處理。

2 氣化爐結構設計應注意以下問題

2.1 開口與接管：普通承壓設備通常采用補強板、接管與器壁對接等方式來補強，由于SA387Gr11CL2鋼淬硬傾向大，在補強板與器壁連接的搭接焊縫交界處，易出現裂紋，而且只能用磁粉或滲透方法檢測焊縫表面，無法檢測內部缺陷，給使用造成了潛在的隱患。因此，對于壓力較低壁厚較薄而開口直徑又較小時，通常采用如圖2-1-1接管補強結構。

對于壓力較高、壁厚較厚或開口直徑較大時，通常采用鍛制厚壁管加工出翻遍并與器壁對接焊接結構，如圖 2-1-2，它不但可以采用射線或超聲檢測內部缺陷，保證焊接質量，而且可降低該部位焊接殘余應力和應力集中水平。

2.2 附件連接：所有與器壁相焊的附件，均希望采用雙面全焊透結構（托磚架、吊耳、散熱片、外保溫支耳、支撐等），并要求焊完一面后，從另一面清除焊根，經磁粉檢測合格后再完成另一面焊接，并對焊縫進行超聲或磁粉檢測。不應采用像補強板一樣的搭接結構，如氣化室外壁懸掛式支座墊板、用于固定儀表測溫元件的螺母等搭接接頭，制造過程中均出現不少表面裂紋。

圖 2-1-1 接管補強

圖 2-1-2 厚壁管翻邊與器壁對接結構

圖 2-3-1 器壁與裙座（支座）的連接結構

2.3 裙座（支座）與器壁的連接：當立式容器直徑小、高度低、質量輕時常采用支耳支撐結構，為避免墊板搭接焊縫拐角部位裂紋，不能選用帶有墊板的支耳。筋板與器壁的焊接應采用開坡口全焊透結構。當選用裙式支座時聯接處的一段裙座材質應與殼體相同，且長度不能小于500mm，也同樣不能選用與器壁角接或搭接連接結構，而應采用對接結構，以避免層下裂紋和無法檢測內部缺陷的弊病。 當容器溫度較高，聯接處剛性較大時，還應采用熱箱結構，以降低聯接處由于過大的溫度梯度而引起的溫差應力，如圖 2-3-1 所示。

2.4 保溫支撐：為了避免支撐連接板與器壁角焊連接而產生裂紋，影響容器的安全使用，通常采用一種鼠籠式的保溫支撐結構。它是從頂部人孔頸部的連接環上，沿周向往下拉若干條縱向薄鋼帶，并于下端固定，然后在各段高度上設置支撐圈與縱向鋼帶固定，作為保溫支撐圈使用。

3 焊接要點

3.1焊接坡口：宜采用機加工；

3.2 焊材選擇：為保證焊接接頭具有與母材相當的性能，焊接材料的熔敷金屬成分和性能應與母材相匹配；為防止產生冷裂紋，要求焊縫金屬含碳量適當低于母材但不能過低，以防碳化物過少而降低材料的熱強性；嚴格控制S、P、As、Sn、Sb，降低焊縫金屬中O、Si、P的含量，以利于解決回火脆性和保證焊縫的塑性和韌性；

3.3 嚴格進行焊前和層間的檢查和清理，焊條、焊劑嚴格按焊材說明書進行烘烤，隨用隨取；

3.4 預熱溫度和層間溫度設定在150-200℃之間，焊后立即進行300-350℃/2-3h的后熱消氫處理；

3.5 采用多層多道焊，焊接每層厚度不超過3.5mm。采用多層多道焊減小每層焊縫金屬厚度，利用后焊道對前焊道退火熱處理作用，進一步改善接頭的塑韌性；

3.6 焊前預熱、焊后后熱及焊后消除應力熱處理是氣化爐焊接防止冷裂紋的重要工藝措施。SA387Gr11CL2具有較大的淬火傾向，厚度較大，焊接接頭具有很大的拘束力，焊接必須預熱。預熱、層間溫度過大或過小，均對接頭強度和韌性不利：考慮焊工的工作環境和過大預熱、層間溫度對接頭性能的不利影響，采用焊前預熱150-200℃，焊后立即300-350℃/2-3h后熱處理焊接接頭，防止冷裂紋。這樣，較低預熱、層間溫度有利于焊工作業，同時可以選擇較小線能量，以細化晶粒、改善組織、提高接頭韌性。

4 焊接控制

4.1 氣化爐縱、環焊縫的焊接

氣化爐的縱焊縫采用埋弧自動焊，預熱150℃～200℃，里口滿焊，外口清根，然后外口滿焊。因為焊后要進行校圓，焊后立即進行中間熱處理。無損檢測在中間熱處理后進行。

環焊縫里外口均采用窄間隙埋弧自動焊，預熱150℃～200℃，焊后立即進行中間消應力處理或消氫處理。無損檢測在中間熱處理后進行。

以上的焊接層間溫度不大于300℃。

4.2 氣化爐激冷室的內壁堆焊

堆焊層由過渡層和耐蝕層 (309L+316L) 組成，總厚度>6mm，堆厚層鐵素體含量應控制在 3%～8%范圍內。

4.2.1 過渡層的堆焊要求

堆焊前對所有需要堆焊的筒體表面進行磁粉檢測，合格后對筒體預熱80℃～100℃，預熱溫度不宜過高,否則會增加母材的稀釋率。過渡層堆焊的層間溫度控制在不大于150℃，堆焊完過渡層后進行消應力處理，熱處理后對過渡層進行超聲波探傷和著色探傷。

4.2.2 耐蝕層的堆焊要求

耐蝕層的堆焊不需要預熱，堆焊時的層間溫度控制在不大于150℃。

堆焊完畢后進行超聲波探傷和著色探傷，并且采用機械方法取化學分析試樣。

4.2.3 激冷室殼體內壁帶極堆焊及小直徑接管內壁堆焊

在制造過程中對殼體內壁采用埋弧帶極堆焊的焊接工藝。施焊前應將板材預熱至150℃，堆焊時，采用沿圓周方向進行堆焊，耐蝕層焊道搭接熔合線應與過渡層焊道搭接熔合線錯開1/2左右的焊道寬度。帶極堆焊中途停弧時弧坑的處理：中途停弧再起弧前，將弧坑打磨成長度為40mm左右的斜坡（一般視熔池長度而定，不能呈陡坡），起弧前沿兩側也應磨成圓角，以防止接頭形狀不連續。

焊道的打磨和修補：焊道表面允許打磨和修補，但是砂輪打磨方向應平行于焊道；局部區域小面積修補采用手工填絲氬弧焊的補焊方法。

氣化爐的接管內壁實施不銹鋼堆焊，采用鎢極氬弧焊。

4.2.4激冷室殼體與不銹鋼接管焊接較復雜，既有堆焊層金屬316L與00Cr17Ni14Mo2不銹鋼管的焊接，又有SA387Gr11CL2基材與不銹鋼管之間的異種鋼焊接，采用鎳基填充金屬，可以獲得可靠的接頭。

4.2.5 堆焊控制

堆焊過程中對焊帶的伸出長度、焊劑的覆蓋厚度、焊接規范、每道焊道的搭接量都需進行控制。要重點檢查錐形封頭與筒體連接環焊縫部位、接管內拐角部位等需手工作業的堆焊層表面質量，道間和層間接頭應錯開，控制表面咬邊、焊瘤、飛濺、內凹、未填滿等焊接缺陷，確保堆焊層厚度。不銹鋼堆焊層表面應按照GB/T4334-2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中的方法E進行晶間腐蝕傾向性試驗。

5 熱處理

氣化爐在制造過程中進行以下熱處理：焊后消氫處理（DHT）、中間焊后熱處理（ISR）、最終焊后熱處理（PWHT）。

5.1 焊后消氫處理

在焊接工作完成后，立即對焊縫進行300℃℃保溫≥3小時的消氫處理，以使擴散氫盡快逸出，避免氫聚集。

5.2 中間熱處理

中間熱處理的主要目的是消除焊接內應力。進行中間焊后熱處理時，因為部件結構約束小，為防止過大的變形，采用了低溫進爐，控制升溫速度的方法，熱處理溫度控制在620±20℃；另外，同樣的零部件經歷的中間熱處理的次數相差較大，而中間熱處理的次數對最終的回火參數有一定影響。因此，從設備一開始制造，就安排專門人員負責統計每個零部件中間熱處理的次數和數據，以利于最終確定回火參數。

5.3 最終焊后熱處理

氣化爐的最終熱處理是制造過程中關鍵工序之一，它在焊接工作全部完成，且經過檢驗合格確認不再施焊之后才能進行。而對氣化爐而言，最終熱處理不僅僅為了消除整體焊接應力、結構應力，其更為重要的則在于通過最終熱處理以獲得最佳的母材、焊縫的抗回火脆化性能和理想的綜合力學性能。

由于氣化爐在制造過程中各個部件經過多次回火、中間焊后熱處理、熱校圓加溫、最終熱處理等不同程度的回火，因此需要把這些不同回火溫度下的保溫時間折算成相當于最終熱處理溫度的保溫時間。

此次設備采用的是690±14℃，8～10小時的熱處理工藝。熱處理溫度控制公差帶越小越好，這樣就保證了各主焊縫、母材的回火脆化性能基本一致。最終熱處理采用整體進爐方式。

6 無損檢測

氣化爐的無損檢測包含射線探傷（RT）、超聲波探傷（UT）、磁粉探傷（MT）、著色探傷（PT）和硬度檢測，對所有接頭的無損檢測均應在焊后至少24h時后進行。

6.1 射線探傷

射線探傷（RT）按規定都必須在焊縫進行過程中間消除應力熱處理（ISR）之后進行。檢驗區域包括所有A、B類焊縫，檢驗比例均為100%，合格級別為NB/T47013.2/Ⅱ級。

6.2 超聲波探傷

超聲波探傷（UT）是氣化爐制造過程中應用最廣泛、應用頻次最高的一種探傷方法。對于某些焊縫，在不同的制造時段還有重復UT的要求。檢驗區域包括原材料驗收、封頭熱成形、筒節熱卷、所有A/B/D類焊縫、筒體和錐體的堆焊層、下托磚板等，檢驗比例均為100%，合格級別為NB/T47013.3/Ⅰ級。尤其對于主體焊縫，由于它們的重要性以及裂紋敏感性，因此在中間熱處理后、最終熱處理后、設備水壓試驗合格后均需進行100%UT。為保證水壓試驗后最終UT檢測合格，前面兩次UT檢測不可省略，否則在后面發現問題將不堪設想。

特別強調的是，目前氣化爐等鉻鉬鋼設備的接管角焊縫 在設計時沒有UT檢測要求，僅靠全焊透結構設計和焊接控制難以保證質量，事實上通過對其角焊縫的UT抽查，發現部分未焊透、未熔合和圓形缺陷，給使用帶來隱患。某合成氨過熱器就是因液位計接管角焊縫在制造時存在未焊透等缺陷，使用一年就開裂泄漏，不到兩年時間造成2次停車返修，因返修質量難以保證，最后制造廠賠了一臺，安全風險和經濟損失都很大。UT檢測對面狀、線狀缺陷檢出率高、方便快速，對氣化爐等厚壁設備的檢測非常關鍵，但是其記錄追蹤性比RT差，因此檢測人員必須認真負責，及時做好每一次UT記錄，實事求是地填寫檢驗報告。特別對于那些需要重復UT的主體焊縫，后面的UT也是對前面結論的復核，若確實出現了新的缺陷也非常有利于追蹤和分析原因。

6.3 磁粉探傷

磁粉探傷（MT）也是在氣化爐制造中應用較多的檢測方法，而且對同一部位在不同時段狀態下也需要重復檢測，主要作用是檢測表面裂紋類線性缺陷。檢驗區域包括封頭/錐體熱沖壓成形后的內外表面、焊前坡口及其兩側、焊接接頭在焊后/熱處理和水壓試驗后、所有需堆焊的Cr-Mo鋼表面、焊縫清根以及缺陷返修、連接附件去除之后的容器表面，以確保無裂紋類缺陷存在。合格級別為NB/T47013.4/Ⅰ級。

6.4 著色探傷

著色探傷（PT）同樣在氣化爐制造過程中起到了重要作用。特別是在不銹鋼表面探傷、一些MT無法操作的區域，PT檢查發揮了不可替代的作用。檢驗區域包括309L不銹鋼堆焊后的全表面、316L不銹鋼堆焊后的全表面、所有測溫螺母、散熱片與殼體焊接角焊縫、機加工的法蘭密封面、所有A/B/D類接頭部位、凸臺部位的手工堆焊表面。

另外，由于結構原因或技術原因無法進行MT檢查的部位，用PT檢查進行了代替。合格級別為NB/T47013.5/Ⅰ級。

6.5 硬度測試

焊后熱處理后，應對每塊焊接試板和殼體上的每條焊接接頭的焊縫金屬、熱影響區以及相鄰的基本金屬進行硬度測試，硬度應控制在允許范圍內（HB≦225）。

7 結語

7.1 氣化爐在制造過程中，除嚴格控制焊前預熱溫度外，還要保持焊接過程中的層間溫度。焊后應及時進行消氫處理(DHC)或中間消除應力熱處理(ISR)、最終焊后熱處理(PWHT)等多種形式的熱處理，才能保證焊接接頭具有良好的綜合性能；

7.2 采用全熔透和便于內外部無損檢測的焊接結構，盡可能避免易產生表面裂紋的補強板、支座墊板等搭接接頭。與氣化室殼體焊接的散熱片、測溫螺母數量多，間隙小，需高度關注焊接工藝控制；

7.3確保受壓元件和焊材的化學成分及其各項性能符合要求；在筒體、封頭、錐體的成形過程中嚴格控制幾何尺寸；

7.4在焊接過程中，嚴格控制焊接線能量不能超過焊接工藝要求；嚴格控制焊接質量，盡量減少焊接返修次數，以減少因熱處理引起的脆化傾向；主體焊縫采用窄間隙坡口，以減少輸入熱量對焊接接頭的影響；

7.5對角焊縫進行UT檢測，加強堆焊層UT工藝方案和實施過程的監控；

1. 《壓力容器》（GB150-2011）

2. 《固定式壓力容器安全技術監察規程》（TSG 21-2016）

3. 徐森.《鉻鉬鋼壓力容器設計制造中的幾個問題》

（作者單位：中鹽安徽紅四方股份有限公司）

（編輯：王鵬）