預(yù)加熱振動焊接方法在乙烯裂解爐PQE裂紋修復(fù)中的應(yīng)用

樊亞軍，梁宗忠

（中國石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 730060）

某石化公司0.46 Mt/a乙烯裝置共有5臺SC-1型管式裂解爐，其中3臺裂解爐設(shè)計為裂解石腦油或輕柴油等原料，2臺裂解爐用來裂解石腦油、混合乙烷/丙烷、液化石油氣（LPG）進(jìn)料。每臺裂解爐有8組進(jìn)料通道，每組有28根輻射管，共有224根輻射管。進(jìn)入輻射管的原料發(fā)生裂解反應(yīng)，生成裂解氣。從輻射管出來的裂解氣以二合一的形式經(jīng)第一急冷換熱器（PQE）急冷后進(jìn)入第二急冷換熱器（SQE）。第二急冷換熱器（SQE）的流出物通過直接噴射急冷油進(jìn)一步冷卻后匯入傳輸線，送至急冷油塔。

每臺裂解爐配備有高壓汽包，鍋爐給水經(jīng)給水預(yù)熱盤管預(yù)熱后進(jìn)入高壓汽包，汽包水流經(jīng)第一急冷換熱器和第二急冷換熱器與高溫裂解氣換熱產(chǎn)生超高壓蒸汽。產(chǎn)生飽和蒸汽經(jīng)過熱盤管過熱后，并入超高壓蒸汽管網(wǎng)供透平使用。該裝置于2006年11月正式投料運(yùn)行，2019年5月裝置大修對第一急冷換熱器進(jìn)行著色探傷檢測，發(fā)現(xiàn)急冷換熱器入口帶叉錐體與下連接件多處焊縫熔合線存在裂紋，其中部分裂紋為貫穿性裂紋。

1 PQE運(yùn)行工況

第一急冷換熱器規(guī)格尺寸為φ168 mm×14 mm×17 040 mm，介質(zhì)為鍋爐水/裂解氣，運(yùn)行壓力為12.1/0.083 MPa，溫度為343/1066～648.9℃。PQE為套管式換熱器，內(nèi)管材質(zhì)為SA213T11，外管和鍋爐水接管材質(zhì)為SA106Gr.B。急冷換熱器與入口帶叉錐體相連的連接件材質(zhì)為SA336F22CL3，入口帶叉錐體內(nèi)有陶纖隔熱材料，本體材質(zhì)為Incoloy 800HT，連接下部裂解爐管。高溫裂解氣通過入口帶叉錐體進(jìn)入急冷器內(nèi)管，與急冷器夾套管的鍋爐汽包爐水進(jìn)行換熱，裂解氣在0.1 s的時間內(nèi)溫度迅速由1 066℃下降至648.9℃，進(jìn)入第二急冷器繼續(xù)換熱降溫，與之換熱的鍋爐水溫度為343℃，經(jīng)換熱后呈汽水混合物向上通過急冷器夾套管進(jìn)入鍋爐汽包，由此爐水循環(huán)換熱。急冷器入口帶叉錐體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 急冷器入口帶叉錐體結(jié)構(gòu)示意

2 裂紋原因分析

2019年大修對急冷換熱器入口帶叉錐體與下連接件焊縫進(jìn)行著色檢測，發(fā)現(xiàn)焊縫熔合線缺陷共379處，缺陷為焊縫裂紋，其中打磨發(fā)現(xiàn)貫穿裂紋32處。焊縫熔合線裂紋見圖2。

圖2 急冷器入口帶叉錐體焊縫熔合線裂紋

急冷器入口帶叉錐體是急冷換熱器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，向下連接裂解爐管，承擔(dān)了大部分爐管的質(zhì)量，其高溫側(cè)為裂解氣，低溫側(cè)為鍋爐水，下端進(jìn)口和上端出口溫差為723～305.9℃，為此入口帶叉錐體承受了較大的熱應(yīng)力和垂直方向的拉應(yīng)力。自2006年運(yùn)行以來，由于開停車過程中的拉應(yīng)力和熱應(yīng)力的反復(fù)變化，再加上故障引起的緊急停爐極易產(chǎn)生拉應(yīng)力和熱應(yīng)力急劇變化，造成了急冷器與入口帶叉錐體焊縫的應(yīng)力發(fā)生變化，外加設(shè)備長期處于高溫環(huán)境運(yùn)行的因素，材料在爐管的熱應(yīng)力下發(fā)生蠕變，導(dǎo)致焊縫熔合線產(chǎn)生裂紋［1］。

3 裂紋修復(fù)

3.1 裂紋前期修復(fù)

急冷器入口帶叉錐體焊縫熔合線裂紋缺陷修復(fù)處理時發(fā)現(xiàn)：部分裂紋打磨處理后裂紋消除，但部分打磨的裂紋為貫穿裂紋。對打磨處理后的裂紋進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)焊處理，然后對補(bǔ)焊后的焊縫進(jìn)行著色檢測，發(fā)現(xiàn)熔合線依然出現(xiàn)裂紋，且母材局部也出現(xiàn)了裂紋（見圖3）。

圖3 入口帶叉錐體補(bǔ)焊后裂紋

鑒于以上情況，制定消除裂紋焊接方案，焊接工藝如下：

（1）采用鎢極氣體保護(hù)焊，采用直流正接法。

（2）焊前將入口帶叉錐體側(cè)預(yù)熱到100～150℃，焊后加熱至約300℃并保溫0.5 h，而后緩冷。

（3）焊接時先在入口帶叉錐體坡口表面進(jìn)行過渡堆焊。堆焊時焊槍角度應(yīng)盡量與坡口表面保持垂直，以減少焊接熔合比。焊接時，因高鉻鎳合金熔池流動性差，故擺動幅度要小。

（4）在焊接中采用多層多道焊，減少焊接熱輸入，加快焊后冷卻，防止產(chǎn)生裂紋，尤其是入口帶叉錐體應(yīng)避免產(chǎn)生過硬組織。多層多道焊時，應(yīng)逐層進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)缺陷時應(yīng)先清除后焊接。

（5）焊接施工控制引弧和收弧的質(zhì)量，收弧時應(yīng)將弧坑填滿。多層多道焊的層間接頭應(yīng)盡量錯開。

但是以上焊接工藝方法實(shí)施后，焊縫著色檢測在熔合線依然發(fā)現(xiàn)裂紋。

3.2 修復(fù)出現(xiàn)裂紋問題分析

針對前期裂紋修復(fù)過程中出現(xiàn)的問題，采用手持式合金分析儀對入口帶叉錐體進(jìn)行PMI（光譜現(xiàn)場檢測）檢測，檢測發(fā)現(xiàn)材料化學(xué)成分發(fā)生較大變化（見表1），不符合ASTM B407—2008《鎳鐵鉻合金無縫管的標(biāo)準(zhǔn)》對Incoloy 800HT的要求。

表1 入口帶叉錐體材質(zhì)化學(xué)成分分析 w，%

依據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況和檢測數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為出現(xiàn)裂紋的原因是由于發(fā)生了晶間腐蝕。晶間腐蝕是局部腐蝕的一種，是沿著金屬晶粒間的分界面向內(nèi)部擴(kuò)展的腐蝕。主要是由晶粒表面和內(nèi)部間化學(xué)成分的差異以及晶界雜質(zhì)或內(nèi)應(yīng)力的存在造成的。晶間腐蝕能夠破壞晶粒間的結(jié)合，大大降低金屬的機(jī)械強(qiáng)度。

PQE入口帶叉錐體是含高鉻和鎳的奧氏體不銹鋼，隨著設(shè)備運(yùn)行時間的延長，再加上長期高溫服役過程中發(fā)生晶粒粗化，最終晶粒顯著長大，晶界平直化［2］。隨著強(qiáng)度下降，韌性塑性下降，硬度上升，當(dāng)受到應(yīng)力作用時，發(fā)生沿晶界斷裂，在焊接接頭熱影響區(qū)的母材和焊縫熔合線上產(chǎn)生裂紋。另外，當(dāng)溫度升高時，碳在不銹鋼晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度大于鉻的擴(kuò)散速度。因?yàn)樵谑覝貢r碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02%～0.03%，而一般奧氏體不銹鋼中的碳含量均超過此值，故多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴(kuò)散，并和鉻化合，在晶間形成碳和鉻的化合物，如（Cr）23C6等。研究表明，鉻沿晶界擴(kuò)散的活化能為162～252 kJ/mol，而鉻由晶粒內(nèi)擴(kuò)散活化能為540 kJ/mol，即鉻由晶粒內(nèi)擴(kuò)散速度比鉻沿晶界擴(kuò)散速度小，內(nèi)部的鉻來不及向晶界擴(kuò)散，所以在晶間所形成的碳化鉻所需的鉻主要不是來自奧氏體晶粒內(nèi)部，而是來自晶界附近。由于晶界附近的鉻含量大大減少，當(dāng)晶界的鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于12%時，就形成所謂的“貧鉻區(qū)”，在腐蝕介質(zhì)作用下，貧鉻區(qū)就會發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，從而產(chǎn)生晶間腐蝕［3］。

3.3 預(yù)加熱振動焊接方法對裂紋修復(fù)的作用

為避免焊接過程中產(chǎn)生裂紋，采用預(yù)加熱振動焊接方法對裂紋進(jìn)行了修復(fù)，效果良好，保證了焊接質(zhì)量。

簡而言之，振動焊接是在焊接過程中，對構(gòu)件注入振動外場，對被焊件施加振動處理以提高焊接接頭品質(zhì)的焊接工藝［4］。焊接過程中施加振動，熔化金屬結(jié)晶過程中獲得了較大的動能，能使晶粒細(xì)化，提高了焊接材料的力學(xué)性能。能使焊接紋理細(xì)致、均勻，減少焊接根部的應(yīng)力集中，減少焊接裂紋和焊接變形［5］。振動焊接降低殘余應(yīng)力的機(jī)理主要是由于振動使焊縫及周圍的溫度梯度減小和振動使晶粒細(xì)化、組織分布均勻所致。在振動焊接之前，在焊件上選定部位適當(dāng)?shù)丶訜幔话憧刂圃?00～700℃。加熱降低應(yīng)力的實(shí)質(zhì)是根據(jù)焊接內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的規(guī)律，利用金屬熱脹冷縮的性質(zhì)，通過加熱使焊縫及其附近因加熱膨脹受阻而產(chǎn)生的壓縮塑性變形減少，從而達(dá)到降低焊接應(yīng)力、防止裂紋的目的［6］。

預(yù)加熱振動焊接方法：首先對焊接件的實(shí)際焊接尺寸進(jìn)行測量，并對焊接件的整體狀態(tài)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，了解并掌握焊接前焊接件狀態(tài)；而后用紅外預(yù)熱裝置對焊接件進(jìn)行紅外預(yù)熱；然后撤掉紅外預(yù)熱裝置進(jìn)行振動焊接。同時對焊接件進(jìn)行預(yù)加熱。這種狀態(tài)下焊縫處材料屈服強(qiáng)度很低，因此振動很容易使熱應(yīng)力場得到緩解，極易發(fā)生熱塑性變形，而釋放受約束應(yīng)變，使應(yīng)力場梯度減少，故使最后的焊接殘余應(yīng)力得到降低或消除。

4 結(jié) 論

（1）預(yù)加熱振動焊接方法在金屬焊接時，對焊件進(jìn)行預(yù)加熱，以減少焊件焊接殘余應(yīng)力。

（2）在金屬焊接過程中對焊件施加振動處理，在熔化金屬結(jié)晶過程中獲得了較大的動能，能使晶粒細(xì)化，提高了焊接部位的力學(xué)性能。

（3）預(yù)加熱振動焊接使焊縫紋理細(xì)致、均勻，減少了焊縫根部的應(yīng)力集中以及焊接裂紋和焊接變形，提高了焊縫的抗疲勞性和斷裂韌性。