乙烯裂解爐輻射爐管KHR45A材料的焊接工藝

1、乙烯裂解爐輻射爐管KHR45A材料的焊接工藝作者：中石化三公司 申大偉要：針對(duì)乙烯裂解爐輻射爐管材料KHR45A進(jìn)行焊接性分析和焊接工藝評(píng)定，制定了一套合理的焊接工藝施工措施用于指導(dǎo)焊接生產(chǎn)，并取得了成功。 關(guān)鍵詞：KHR45A；焊接；工藝 目前，國(guó)內(nèi)外石化市場(chǎng)主要在具有戰(zhàn)略意義的原油儲(chǔ)備市場(chǎng)及以乙烯及其產(chǎn)品為龍頭的乙烯裝置生產(chǎn)兩方面競(jìng)爭(zhēng)激烈。我國(guó)現(xiàn)在已擁有3套70萬(wàn)t/年乙烯生產(chǎn)裝置，要建好一套乙烯裝置，首先要建好乙烯的心臟 裂解爐，而保證裂解爐輻射爐管的焊接質(zhì)量尤為重要。 在以往的30萬(wàn)t/年乙烯裂解爐輻射爐管材質(zhì)一般為Cr25Ni35，焊接工藝較容易掌握，且工藝較成熟。但是，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)該

2、種材質(zhì)的爐管抗氧化、抗?jié)B碳等性能較差，使用壽命不長(zhǎng)。為了提高爐管的使用壽命，在后來(lái)的套70萬(wàn)t/年乙烯裂解爐中，逐步采用Cr25Ni35的高鉻鎳合金離心鑄造管來(lái)代替最初的Cr25Ni35材料。如KHR45A材料就是應(yīng)用于裂解爐輻射爐管的一種。 1 KHR45A材料焊接性能分析 KHR45A材料是江蘇標(biāo)新久保田工業(yè)有限公司開(kāi)發(fā)的耐高溫、抗氧化、抗?jié)B碳的特種合金，其牌號(hào)為Cr35Ni45Si2，富含多種微合金：Nb，Al，Ti，Zr等，母材化學(xué)成分詳見(jiàn)表1，力學(xué)性能見(jiàn)表2。 KHR45A材料用于裂解爐輻射爐管時(shí)，工作溫度為1100，工作壓力為1.2MPa，工作介質(zhì)主要為裂解汽油和飽和蒸汽。由此不難

3、看出，該種材料焊接時(shí)應(yīng)主要考慮焊縫的高溫耐熱強(qiáng)度。從表1可以看出，該種材料化學(xué)成分中C，Ni含量較高，主要是為了提高材料的耐高溫性能。另外，該種材料Si含量也較高，主要是提高材料的抗氧化性能，同時(shí)在焊接過(guò)程中KH可以起到一定潤(rùn)濕焊縫熔融金屬的作用。 但是，KHR45A材料中所含的Si，Al，Ti，Zr等元素也都不同程度地降低了該材料的焊接性能。因此，KHR45A材料焊接時(shí)主要存在以下3方面問(wèn)題： （1） 焊接熱裂紋KHR45A為高Ni奧氏體耐熱鋼，w（Ni）可達(dá)45%。施工中若焊接工藝采用不當(dāng)，極易在焊縫及近縫區(qū)產(chǎn)生熱裂紋等缺陷，特別是在焊縫返修中，在焊縫熱影響區(qū)內(nèi)母材更易出現(xiàn)熱裂紋等缺陷。常

4、見(jiàn)的主要缺陷為焊縫凝固裂紋。產(chǎn)生熱裂紋的原因主要是：該材料的熱導(dǎo)率小、熱膨脹系數(shù)大，在焊接局部加熱和冷卻的條件下，焊接接頭在冷卻過(guò)程中可形成較大的拉應(yīng)力，這是產(chǎn)生凝固裂紋的主要原因；該材料易形成方向性強(qiáng)的柱狀晶焊縫組織，有利于S，P等有害雜質(zhì)的偏析而促使形成晶間液態(tài)夾層，從而易促使產(chǎn)生焊縫凝固裂紋；所含的Si，Al，Ti，Zr等合金元素因溶解度有限，也能形成有害的易熔夾層，從而使接頭中出現(xiàn)熱裂紋。 （2）化學(xué)成分偏析由于KHR45A材料中C含量和合金元素含量都較高，因此，液-固相區(qū)間較大，偏析也嚴(yán)重。C含量越高，焊縫熔融金屬在進(jìn)行初生相轉(zhuǎn)變時(shí)，很容易析出S，P雜質(zhì)，且富集于晶界，增加裂紋傾向。

5、Si含量的增加，使焊接時(shí)易形成硅酸鹽夾雜，造成晶間偏析，從而加大凝固裂紋的產(chǎn)生。 （3）Y形管坡口裂紋KHR45A材料爐管有兩種生產(chǎn)工藝，一是離心鑄造輻射爐管，二是靜態(tài)鑄造Y形管。在離心鑄造條件下，由于離心力的存在，可以保證許多雜質(zhì)無(wú)法熔進(jìn)材料本身，這樣材料成分含雜質(zhì)相對(duì)較少，不易出現(xiàn)夾層、重皮等問(wèn)題。而在靜態(tài)鑄造生產(chǎn)工藝下，由于所含雜質(zhì)較多，所以Y形管材料夾層、重皮等較嚴(yán)重，焊接坡口或母材本身極易產(chǎn)生微小裂紋，如果在焊前不進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)并徹底清除母材缺陷，會(huì)給焊接生產(chǎn)帶來(lái)很大危害。 因此，KHR45A材料的焊接必須制定合理的焊接工藝，盡量減少二次返修、補(bǔ)焊，防止焊接熱裂紋的產(chǎn)生和Y形管配件裂紋

6、的存在，保證焊接質(zhì)量。 2 KHR45A材料焊接工藝 2.1 焊接方法 為了盡量避免KHR45A焊接過(guò)程中出現(xiàn)熱裂紋，焊接時(shí)應(yīng)盡量采用熱輸入相對(duì)集中且較小的焊接工藝，并控制道間溫度不能過(guò)高，所以焊接方法宜采用鎢極氬弧焊或熔化極氬弧焊。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，決定采用手工鎢極氬弧焊的焊接方法。 2.2 焊接材料選用 選用正確、合適的焊接材料，是完成焊接生產(chǎn)任務(wù)的首要條件。尤其是在特殊鋼種的焊接施工中，正確選用焊接材料尤為重要。KHR45A材料焊接時(shí)，焊材必須采用與母材相當(dāng)牌號(hào)的焊絲，且焊絲的合金元素含量（包括微合金量）應(yīng)與母材相當(dāng)，以保證焊材與母材有同一熔點(diǎn)、同一結(jié)晶溫度、同一熱脹（收縮）率等，

7、從而避免在焊接中出現(xiàn)焊肉掛不住、焊縫出現(xiàn)裂紋等缺陷。同時(shí)，為了保證焊縫的高溫力學(xué)性能，焊材的C含量應(yīng)與母材相當(dāng)。目前常用的鎳基焊材（如ERNiCr-3）C含量偏低，不能滿足輻射爐管的工況條件。因此，選用了久保田公司開(kāi)發(fā)的與KHR45A材料相匹配的45A焊絲（2.4mm），該種焊絲可與母材化學(xué)成分相匹配，且能保證焊縫高溫力學(xué)性能，從而保證焊接質(zhì)量。 2.3 焊接工藝制定 從KHR45A材料的焊接性分析中知道，該種材料焊接過(guò)程中主要存在3個(gè)方面的問(wèn)題，因此，在制定焊接工藝時(shí)必須重點(diǎn)考慮如何來(lái)解決這些問(wèn)題。 首先是焊接熱裂紋。要解決這一問(wèn)題，一是嚴(yán)格限制有害雜質(zhì)，盡量采用同質(zhì)填充金屬進(jìn)行焊接。同時(shí)應(yīng)

8、在焊縫組對(duì)前徹底清理坡口，必要時(shí)可采用丙酮進(jìn)行坡口清洗工作，以防油污、雜質(zhì)等熔進(jìn)焊縫金屬，引起熱裂紋。二是通過(guò)選擇合適的焊接材料，適當(dāng)調(diào)整焊縫合金成分，盡可能避免形成單相奧氏體組織。三是應(yīng)盡量減小焊縫的過(guò)熱，避免形成粗大柱狀晶。焊接時(shí)應(yīng)采用小的熱輸入和小截面焊道，采用多層多道焊接，嚴(yán)格控制道間溫度在100以下，以防焊縫及熱影響區(qū)晶間組織過(guò)分增大，造成焊接接頭高溫韌性下降。 其次是化學(xué)成分偏析問(wèn)題。引起這方面問(wèn)題的原因除了KHR45A材料中C含量高外，另一個(gè)原因就是為了提高KHR45A材料的抗氧化性能，在材料中加入較多量的Si元素(w(Si)高達(dá)1.8%左右)，由于Si含量的提高使焊接時(shí)極易造成

9、化學(xué)成分偏析，從而產(chǎn)生焊接熱裂紋。解決問(wèn)題的措施主要是采取合理的焊接工藝，控制焊接熱輸入量，同時(shí)應(yīng)提高焊接一次合格率，減少返修，避免焊縫金屬二次過(guò)熱，從而降低焊縫化學(xué)成分的偏析程度。在焊接施工中，對(duì)于需要返修的焊縫，必須首先確定缺陷位置，清除缺陷時(shí)要盡可能減小開(kāi)口面積。開(kāi)口面積越大，補(bǔ)焊熱影響區(qū)越大，產(chǎn)生熱裂紋的傾向就越大，反之亦然。補(bǔ)焊缺陷開(kāi)坡口時(shí)應(yīng)采用細(xì)焊絲、小電流、多層焊。 第三就是避免Y形管母材本身的微裂紋。應(yīng)盡量采用機(jī)加工坡口，避免火焰切割時(shí)母材受熱產(chǎn)生缺陷。組對(duì)焊接前，必須對(duì)坡口進(jìn)行認(rèn)真清理，并進(jìn)行嚴(yán)格的外觀和著色滲透檢查，坡口表面不得有裂紋、夾渣、分層等缺陷。初層焊后，應(yīng)再次進(jìn)行

10、著色滲透檢查，確保焊接質(zhì)量。其它焊層之間應(yīng)進(jìn)行目視檢查，認(rèn)真清理層間焊道。焊接完成后，還應(yīng)對(duì)焊縫表面及熱影響區(qū)附近進(jìn)行著色滲透檢查，確保無(wú)裂紋等缺陷。 2.4焊接工藝評(píng)定 根據(jù)選擇好的焊接材料和制定的焊接工藝，編制焊接工藝評(píng)定指導(dǎo)書(shū)，指導(dǎo)焊接工藝評(píng)定的進(jìn)行。 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 焊接工藝評(píng)定所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為SH J509-1988石油化工工程焊接工藝評(píng)定。 2.4.2評(píng)定材料 2.4.2.1 母材 用于焊接工藝評(píng)定的KHR45A母材規(guī)格為120.8mmX6.4mm的離心鑄造管，化學(xué)成分見(jiàn)表3，力學(xué)性能見(jiàn)表4。 .2 焊材 評(píng)定所用焊材為45A焊絲，規(guī)格為2.4mm，金屬化學(xué)成分見(jiàn)表5。 焊接接頭 接頭形式

11、對(duì)接接頭，V形坡口，焊接位置為垂直固定。接頭簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。 保護(hù)氣體 保護(hù)氣體為氬氣，氣體流量正面為1012 L/min，背面為1525 L/min。 2.4.5 焊接工藝參數(shù) 直流正極，選用鈰鎢極，2.5mm。道間溫度控制在100以下。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表6。 無(wú)損檢驗(yàn) 對(duì)坡口、打底層、蓋面層焊縫進(jìn)行著色滲透檢查，合格，對(duì)焊縫進(jìn)行射線透照檢查，合格。 2.4.7 拉伸試驗(yàn) 2.4.7.1 根據(jù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)截取19.96mm×4.36mm試樣進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，在熔合線部位斷裂，b=575MPa。 2.4.7.2 另截取規(guī)格為6.4mm×10mm試樣，在1075下進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，斷裂

12、部位為母材，b=81MPa。 2.4.8 金相檢驗(yàn) 母材：奧氏體基體，枝晶分布碳化物，相。熱影響區(qū)：奧氏體基體，枝晶分布碳化物，相。焊縫：奧氏體基體，等軸網(wǎng)狀或長(zhǎng)條網(wǎng)狀碳化物。 3 焊接實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用 2001年，在上海石化70萬(wàn)t年乙烯改造E-BA-2101裂解爐施工中，針對(duì)KHR45A輻射爐管現(xiàn)場(chǎng)焊接施工的特點(diǎn)，制定了正確的焊接工藝，并根據(jù)合格焊接工藝評(píng)定來(lái)編制詳細(xì)的爐管焊接作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，用以指導(dǎo)焊接生產(chǎn)。同時(shí)，結(jié)合該鋼種容易產(chǎn)生的焊接缺陷，專門組織焊工進(jìn)行了有針對(duì)性的焊接操作技能培訓(xùn)，并經(jīng)考試合格后再上崗操作。另外，進(jìn)行爐管焊接時(shí)，周圍筑爐、襯里的施工全部停止，以防止襯里材料的飛屑、雜質(zhì)等影響焊接質(zhì)量，為爐管焊接提供一個(gè)良好的焊接環(huán)境。 在焊接生產(chǎn)當(dāng)中，焊接工藝參數(shù)可以適當(dāng)調(diào)整為： 電流80110A，電壓1012V，焊接速度815cm/min。除應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行該合格焊接工藝外，以下幾個(gè)方面還應(yīng)引起高度重視： （1）焊縫組對(duì)時(shí)要調(diào)整好接口位置，必須保證內(nèi)壁錯(cuò)邊量不大于0.5mm。 （2）打底層焊接時(shí)，背面應(yīng)充氬保護(hù)，并嚴(yán)格控制氬氣流量。一般開(kāi)始充氬時(shí)，氬氣流量適當(dāng)增大，以確保爐管內(nèi)空氣完全排出；焊接時(shí)氬氣流量應(yīng)適當(dāng)降低，以避免焊縫背面成形因氬氣的吹托出現(xiàn)凹陷。 （3）焊接過(guò)程中，采用多層多道焊接，每層焊后應(yīng)派專人用測(cè)溫計(jì)進(jìn)行溫度測(cè)量，嚴(yán)格控制道間溫度在1