裂解炉炉管的焊接

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1、裂解炉辐射段炉管的焊接 摘要:通过对裂解炉辐射段炉管焊接性分析,得出了避免焊接缺陷的方法及措施,制订了焊接工艺要点,现场施焊时,起到了良好效果。关键词: 裂解炉 炉管 焊接性 0 前言中原石化总厂十万吨裂解炉,辐射段炉管所用材料为(Cr35Ni45+微合金),辐射段出口材料为20Cr32NiNb。Cr35Ni45的合金系统较之以前的Cr25Ni35有了较大的发展,增加了Cr、Ni元素含量,相应提高了耐高温性能。炉管采用离心浇铸的方法生产,其原始铸态表面为均匀分布有颗粒状凸起的“珍珠”表面,这种表面不仅有利于热交换,而且对抗氧化和抗燃气腐蚀有利。管子的内表面有很薄一层疏松组织,炉管的基体组织相当

2、致密,主要由沿半径方向分布的柱状晶组成,内部没有气孔、夹杂及缩孔等铸造缺陷。管件(包括180弯头、90吊耳弯头、Y型管等)为静态浇铸法生产,合金成分不均匀,存在较大成分偏析,焊接时易产生裂纹。1 焊接性分析1.1 化学成分分析炉管材料Cr35Ni45的化学成分见表1。表 1Cr35Ni45的化学成分化 学 成 分 (%)CSiMnPSCrNiMoWNbCuAl0.40.61.21.81.50.030.03303740470.50.300.51.50.250.05为了深刻认识炉管中主要元素及微量元素的作用,查阅了一些文献,并对其在耐热铸钢中的作用进行了分析。C:C与Cr、Mo、Ti、V、Nb等形

3、成一次碳化物M7C3和NbC。在高温时效过程中,基体中的过饱和固溶碳以细小弥散的M23C6析出,提高了钢的强度。另外增加碳含量还能抑制相析出。但碳含量过高,二次碳化物大量析出,会降低合金的韧性、恶化焊接性。因此Cr35Ni45合金含碳量不超过0.60%,但Si是促进相析出元素,加入量过多,使焊接性恶化、降低持久强度。裂解炉管硅含量一般控制在1.50%2.00%。Mn:它能改善焊接性能,但固熔强化促进相析出,加入量过多能降低合金的抗氧化性能。一般控制在1.5%以下。Cr:它是合金中主要的固溶强化元素和碳化物形成元素。它在材料表面形成致密的Cr2O3保护膜,对合金的抗氧化、强度、抗渗碳性能起着决定

4、性作用。但Cr含量过高会导致相析出,因而降低合金的强度和韧性。Ni:它是形成和稳定奥氏体,提高抗渗碳、抗氧化、高温强度和韧性的主要元素。对于裂解炉来说,其抗渗碳性能的优劣是十分重要的,也是影响裂解炉寿命的主要因素。由于裂解炉在运行过程中管内壁会产生渗碳,渗碳层的出现一方面在管内壁会产生附加应力,另一方面渗碳也使炉管材料的组织和性能发生变化,结果会使炉管局部开裂或腐蚀穿孔。W、Mo、Nb都是固溶强化元素,能提高合金的高温强度,抑制碳的扩散速度,但是加入过量则会影响合金的抗氧化性能,并促进相析出,降低合金的强度和韧性。Nb、Ti、V它们形成碳氮化物,改变晶界碳化物形态,细化M23C6,使其均匀弥散

5、分布,延迟碳化物粗化过程,从而提高合金的高温蠕变强度Al:它在奥氏体不锈钢中形成AlN,促进长期蠕变时相形成和粗化,降低蠕变寿命。因此认为Al在奥氏体耐热钢铸管中是有害元素,其含量应严格控制。1.2 焊接性分析炉管材料为铁基高铬镍合金,焊接性较差,焊接工艺措施稍有不当,便会出现问题,表现如下:1.2.1 由于合金元素含量较多,导热性差,焊缝与母材容易过热,造成晶粒粗大,使接头力学性能和耐蚀性能下降;1.2.2 焊接时易出现热裂纹及再热裂纹;1.2.3 对应变时效敏感。焊后如果残余应力较大,在时效过程或工作温度高于时效温度时,易产生“应变时效”裂纹;1.2.4 对焊道熔池裂纹较敏感;1.2.5

6、焊接熔池液态金属流动性差,铁水发粘,熔深小,易出现焊口根部的熔合不良及促使凝固裂纹的产生。2 焊接方法及焊接材料的选取焊接方法:主要考虑小的热输入及小的熔合比,故采用手工钨极氩弧焊。焊接材料:因炉管用在高温条件下,所以高温强度,蠕变强度要求高,因此,炉管本体焊接材料选取与母材相匹配的高碳同质焊材:牌号XTM,其公称成分为35Cr45Ni,具体化学成分见表2。辐射段炉管出口材料为20Cr32NiNb,与辐射段炉管Cr35Ni45相焊时,焊接材料选择Inconel 82,该焊材为镍基焊材,塑性较好,其化学成分见表3。表2 焊丝XTM的化学成分化 学 成 分 (%)CSiMnPSCrNiTiZrNb

7、0.420.480.51.81.02.50.0150.015343743470.050.150.050.100.51.0表3 焊丝Inconel 82的化学成分化 学 成 分 (%)CSiMnPSCrNiTiNb+Ta0.100.502.53.50.030.01518.022.0670.752.03.03 焊接在焊接工艺评定的基础上,针对现场的实际情况,制定了现场的焊接工艺技术措施。3.1 坡口型式由于炉管材料的液体金属流动性不如一般钢铁材料,焊接工艺不良时很容易发生未熔合现象。如果加大焊接电流以增大高温合金熔池金属的流动性,不但效果不大,而且还会造成过热的不良影响。为使熔合良好且有一定熔深,

8、坡口设计应与结构钢有所区别,坡口角度应适当增大,根部钝边应适当减小。具体坡口型式见图1所示:图13.2 焊接工艺参数表4 焊接工艺参数焊材牌号规格(mm)焊接电流(A)电弧电压(V)焊接速度(cm/min)氩气流量(L/min)XTMInconeI822.42.42.580100111381010153.3 焊接3.3.1 对口要求管道对口应做到内壁平齐,如有错口,不得大于0.5mm, 对口时不得采用强力组对,应做到无应力对口;3.3.2 焊接工艺要点焊接前应用丙酮清洗坡口,以防有害杂质对焊缝造成危害;焊接时,焊缝背面应充氩保护,氩气纯度不小于99.99%;引弧时应在坡口内,以免在坡口外引弧对

9、母材造成伤害;炉管开始焊接时,不得将炉管组对时所用的工卡具拆除,至少焊接三层后方可拆除,以免由于外加因素产生的附加外应力,使焊缝产生裂纹;焊接时应采用小线能量和小截面焊道;底层焊接时,应采用小电流,使电弧垂直对准坡口中心,电弧应稍作摆动,保证坡口根部熔合良好。底层焊接时,打底厚度要相对较厚,以免底层焊道强度不足,产生裂纹;打底完成经检验合格后,应及时进行次层的焊接,以防产生裂纹;次层焊接时,应采用窄焊道技术,从第三层以上,应采用多道焊接技术;焊接时,应逐层对焊缝外观进行检查;合格后方可焊接次层;多层焊时,应控制层间温度在100以下,以防接头过热,焊缝热影响区晶粒粗大,使接头的强度下降;收弧时应

10、填满弧坑,收弧时应先停弧,滞后停气,以防产生火口裂纹.3.4 焊接检验渗透探伤:坡口着色,底层着色,面层着色。射线探伤:100%射线探伤。3.5 现场焊接实例以辐射段出口的焊接为例,见图2所示.图2 十万吨炉辐射段出口1-废锅 2-螺栓 3与废锅相联法兰4-直管5-支撑杠6-Y型管7-辐射段炉管3.5.1 焊接时出现的问题A为现场安装焊口,件号4(材料为20Cr32NiNb)与件号6(材料为Cr35Ni45)相焊,焊接材料选择Inconel 82,该焊材为镍基焊材,塑性较好。焊接方法为纯氩弧焊,组对完成后进行底层焊接,底层焊接时,在焊缝中心处产生沿焊缝方向裂纹,经砂轮打磨补焊仍产生裂纹。3.5

11、.2 原因分析3.5.2.1 材料本身的因素,该种材料较为难焊,易产生裂纹。3.5.2.2 在底层焊接时,焊缝必将产生横向收缩,焊缝下部管子由于本身重力因素,不能向上移动,焊缝上部由于与废热锅炉相联法兰已经把紧,不能自由伸缩。由于焊口两端的相对固定,焊缝不能自由收缩,焊缝产生较大内应力,且底层焊缝厚度较薄,当内应力超过材料的强度极限时,焊缝产生裂纹。3.5.3 解决措施3.5.3.1 在焊口下部的Y型管或90弯管上加支撑杠或吊链,焊接时使支撑杠或吊链处于受力状态,不能松动,以免由于焊口下方管子自重对焊缝产生的附加外应力。当焊接3层或3层以上时方可将支撑杠或吊链撤除。3.5.3.2 将与废热锅炉相连的法兰螺栓松开,让焊口上方的管子或法兰处于自由伸缩状态,确保焊口无附加外应力。3.5.3.3 底层焊接时,打底厚度要相对较厚,确保焊缝有足够的强度。3.5.4 实际效果采用上述措施后,焊接时未出现焊接裂纹,效果良好,满足了炉管的焊接技术条件要求。4 结束语炉管焊接时,除采用正确的焊接工艺外,还应采用合理的坡口型式及相应的技术措施,尤其是无附加外应力,确保焊口处于自由状态,从而避免裂纹的产生。

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