乙烯裂解炉炉管的焊接指导.doc

乙烯裂解炉辐射段炉管的焊接

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180º弯头、90º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 (%)
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
W
Nb
Cu
Al
0.4~
0.6
1.2~
1.8
≤
1.5
≤
0.03
≤
0.03
30~
37
40~
47
≤
0.5
≤0.30
0.5~
1.5
≤
0.25
≤
0.05

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б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б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б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性作用。但Cr含量过高会导致б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б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б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 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 (%)
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Ti
Zr
Nb
0.42~
0.48
0.5~
1.8
1.0~
2.5
≤
0.015
≤
0.015
34~
37
43~
47
0.05~
0.15
0.05~
0.10
0.5~
1.0
表3 焊丝Inconel 82的化学成分
化 学 成 分 (%)
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Ti
Nb+Ta
≤
0.10
≤
0.50
2.5~
3.5
≤
0.03
≤
0.015
18.0~
22.0
≥
67
≤
0.75
2.0~3.0
3 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，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1

3.2 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)
XTM
InconeI82
2.4×2.4
Ф2.5
80~100
11~13
8~10
10~15
3.3 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。
3.5.2 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。