侯懷宇

（遼陽(yáng)石化分公司機(jī)械檢修部，遼寧遼陽(yáng)111003）

舊裂解爐管焊接常見缺陷探討

侯懷宇

（遼陽(yáng)石化分公司機(jī)械檢修部，遼寧遼陽(yáng)111003）

作為煉化裂解爐的核心部件，高鉻鎳耐熱鋼爐管常因積焦堵塞、蠕變爆管等原因需要割管并修復(fù)。長(zhǎng)期運(yùn)行的爐管在焊接修復(fù)時(shí)，由于爐管組對(duì)不穩(wěn)定、管內(nèi)壁碳侵蝕嚴(yán)重、管材合金成分高以及導(dǎo)熱系數(shù)小等原因，常出現(xiàn)坡口質(zhì)量差、底層晶間腐蝕、熱裂紋缺陷。針對(duì)形成原因，采用便捷卡具、適度磨除碳蝕層、確定小熱量輸入等焊接措施可以避免這些缺陷的產(chǎn)生。

裂解爐；爐管；焊接；焊接缺陷

0 前言

裂解爐是石油煉化企業(yè)的核心裝置，其主要部件爐管因積焦堵塞（見圖1）、蠕變爆管等原因需要割管并焊接修復(fù)。但由于管內(nèi)壁積焦侵蝕、管材特殊、檢修作業(yè)面小不能使用較大機(jī)械等因素，舊爐管的焊接作業(yè)常出現(xiàn)焊接坡口質(zhì)量差、底層晶間腐蝕、熱裂紋等缺陷。以往的解決方法為：使用導(dǎo)鏈吊裝；割管后用角向磨光機(jī)大幅度磨削加工坡口；短道焊；多次層間打磨返修。不僅效率低、返修次數(shù)多，而且焊縫質(zhì)量處于使用下限，乃至焊縫區(qū)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)裂紋開裂，造成噴油燒爐停車。在此結(jié)合長(zhǎng)期實(shí)踐，分析上述問題成因及提出相應(yīng)解決措施，以消除缺陷。

圖1 裂解爐爐管

1 解爐管與焊接作業(yè)相關(guān)特點(diǎn)

1.1 爐管的工作情況

管內(nèi)介質(zhì)為裂解氣和水蒸汽；管內(nèi)的壓力為0.2453MPa，溫度810℃±10℃，爐膛最高溫度1130℃，管外壁溫度1 003℃～1 050℃[1]，管內(nèi)有積焦。

1.2 爐管的材料成分和力學(xué)性能

爐管材料為高鉻鎳耐熱合金鋼，常用的有：HK與HP系列（如25Cr-35Ni）、KHR系列（如35CW）、HPM系列等。以HPM（0.15C-1.8Si-25Gr-38Ni-Mo）為例，成分和性能如表1、表2所示[2]。

表1 原始爐管與舊管爆裂處的主要化學(xué)成分比較%

表2 舊管爆裂處常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，爐管在長(zhǎng)期運(yùn)行中受裂解氣的侵蝕，內(nèi)壁含碳量明顯升高。由表2可知，舊爐管在長(zhǎng)期的高溫、振動(dòng)環(huán)境中運(yùn)行后，抗拉強(qiáng)度下降約50%，延伸率和斷面收縮率下降約95%，屈服點(diǎn)下降10%。它們對(duì)焊接修復(fù)質(zhì)量的不良影響較大。

1.3 爐管的焊接結(jié)構(gòu)及相關(guān)幾何尺寸

管長(zhǎng)大于10 m，管徑56.6～168 mm，壁厚6.35～12 mm；爐管頂部吊點(diǎn)、垂直懸掛，中間無固定部件；相鄰管間距約220 mm,管間焊縫為有障礙垂直固定對(duì)接焊縫。

2 舊爐管焊接作業(yè)易出現(xiàn)缺陷的主要原因及措施

2.1 焊接坡口質(zhì)量差

現(xiàn)場(chǎng)切割的焊接坡口質(zhì)量普遍不高，導(dǎo)致氬弧焊施焊困難，質(zhì)量降低。主要原因是：（1）等離子切割流對(duì)割件移動(dòng)干擾敏感。（2）爐管長(zhǎng)，并且是單吊點(diǎn)懸掛，割斷后不穩(wěn)定。（3）現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件差，大型固定機(jī)械無法使用。（4）管內(nèi)有積焦等雜物阻擋割流。

應(yīng)對(duì)措施：

（1）采用小型便捷可伸縮調(diào)節(jié)卡具（見圖2），每組對(duì)一根待焊管，可用兩套卡具?？ň咭徽环纯蹖?shí)，一端卡在未焊管上，另一端卡在待焊管上，然后用調(diào)節(jié)螺母進(jìn)行伸縮調(diào)節(jié)，拉出清理管內(nèi)部、切割并打磨坡口以及復(fù)位組對(duì)。

（2）等離子切割操作采用兩次作業(yè)法：先割平待焊區(qū)；清焦后確定角度劃出坡口外邊緣線；調(diào)整等離子割嘴角度，依線進(jìn)行切割。

圖2 可伸縮調(diào)節(jié)卡具

2.2 底層焊縫晶間腐蝕

晶間腐蝕常見于老、舊爐管的底層焊縫，主要原因是：

（1）管材焊接性能。高鉻鎳鋼在500℃～800℃時(shí)，過飽和固溶的碳向晶粒間界的擴(kuò)散速度快于鉻，在晶界附近形成（Cr、Fe）23C6沉淀析出，并形成晶粒邊界附近的貧鉻區(qū)，當(dāng)該區(qū)鉻含量降低到鈍化所需極限以下，在腐蝕環(huán)境中將形成晶間腐蝕[3]（爐管工作溫度大于1 000℃；管內(nèi)介質(zhì)為高硫、高碳、具有腐蝕性的石腦油）。這是形成底層焊縫晶間腐蝕的根本原因。

（2）爐管工作狀態(tài)。爐管內(nèi)長(zhǎng)期積焦，內(nèi)壁被碳侵蝕，造成局部合金中含碳量高（見表1）、性能下降（見表2），在打底焊時(shí)，焊接區(qū)含碳量高的內(nèi)壁母材金屬熔入焊縫中，形成局部焊縫含碳量大幅增高，晶間腐蝕傾向加大。這是形成底層焊縫晶間腐蝕的直接原因。

應(yīng)對(duì)措施：

（1）焊前準(zhǔn)備。清除焊接區(qū)的污雜；選用含有Ti或Nb穩(wěn)定元素或超低碳[w（C）＜0.03%]的焊材（如CN82焊絲、CN182焊條）；用內(nèi)磨清理焊接接頭區(qū)內(nèi)壁碳蝕層，若磨除較多可采用氬弧焊補(bǔ)焊后打磨，恢復(fù)缺失壁厚，有效避免焊縫中含碳量的升高。

（2）焊接作業(yè)。焊接參數(shù)采用小規(guī)范（氬弧焊時(shí)選用φ2.0焊絲，焊接電流55～70 A；焊條電弧焊時(shí)選用φ2.5焊條，焊接電流50～65 A）；提高焊速；必要時(shí)可采用風(fēng)冷等急冷方法以縮短焊縫在危險(xiǎn)溫度區(qū)間的滯留時(shí)間。

2.3 熱裂紋

熱裂紋常見于焊縫邊緣，主要原因是：

（1）管材焊接性能。高鉻鎳耐熱合金鋼（焊接特性近似不銹鋼）在400℃～600℃區(qū)間停留易出現(xiàn)475℃脆化；在650℃～850℃區(qū)間易引起σ相析出脆化[4]。爐管金屬導(dǎo)熱系數(shù)小[高鉻鎳耐熱合金鋼約17 W/（m·K）-1；鋼為36～54 W/（m·K）-1]，延長(zhǎng)了焊縫金屬在高溫區(qū)的停留時(shí)間，導(dǎo)致焊縫區(qū)金屬的強(qiáng)度和塑性下降。而高鉻鎳耐熱合金鋼線膨脹系數(shù)是碳鋼的1.5倍，加大了焊縫在高溫時(shí)經(jīng)受的拉伸應(yīng)變。這是熱裂紋傾向下降的根本原因。

（2）爐管工作狀態(tài)。爐管自重大，并且一直處于懸掛狀態(tài)，焊接時(shí)焊縫受到縱向拉力；焊縫的柱狀晶間存在低熔點(diǎn)夾層薄膜，凝固結(jié)晶后期在一定的拉應(yīng)力下起裂、擴(kuò)展，形成晶間開裂。這是形成熱裂紋的直接原因。

應(yīng)對(duì)措施：

（1）焊前準(zhǔn)備。選用合適焊材，減少具有增強(qiáng)熱裂紋傾向的C、S、P元素的含量，增加可提高焊縫金屬塑性和降低抗裂傾向的Cr、Mo、Mn、Si等元素的含量；焊前仔細(xì)清除待焊處油、污、銹、垢。

（2）焊接作業(yè)。選用小熱輸入的焊接方法（如管徑小于89 mm時(shí)采用全氬弧焊接）；采用比同直徑非高鉻鎳耐熱合金鋼焊條或焊材小10%～20%的焊接電流；焊接電弧避免橫向擺動(dòng)；縮短高溫停留時(shí)間，不要連續(xù)施焊；多層焊時(shí)應(yīng)控制層間溫度小于60℃（圖3為較大規(guī)范連續(xù)焊焊縫、圖4為層間溫度小于60℃時(shí)的氬弧焊焊縫）；選擇夾具剛性固定措施防止應(yīng)變[5]；條件允許可采用516℃以上短時(shí)加熱后空冷，消除475℃脆化，降低由其產(chǎn)生的熱裂紋傾向；加熱到900℃以上急冷可消除σ相脆化。

圖3 較大規(guī)范連續(xù)焊焊縫

3 實(shí)例

某烯烴廠爐齡8年的乙烷裂解爐爐管，因清堵割管需焊接修復(fù)。管徑φ76mm×6.35mm；材質(zhì)為HPM（0.15C-1.8Si-25Gr-38Ni-Mo）。

3.1 焊前準(zhǔn)備

使用便捷卡具固定爐管；等離子切割坡口；打磨坡口及內(nèi)外兩側(cè)20～30 mm區(qū)域；使用電磨清理內(nèi)壁滲碳層（厚度小于0.2 mm、寬度8～10 mm）；調(diào)整卡具組對(duì)焊縫。

圖4 控制層間溫度＜60℃的氬弧焊焊縫

3.2 焊接方法及焊材

依據(jù)管徑及厚度選擇全程手工氬弧焊施焊。手工鎢極氬弧焊是焊接高鉻鎳鋼較為理想的焊接方法，由于用惰性氣體保護(hù)，焊接過程中合金元素?zé)龘p很少，填充焊絲的成分與母材相同或相近即可[6]，選取焊絲CN82。

3.3 焊接

首先將焊縫內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)，采用手工鎢極氬弧焊，直流正接。由于氬氣保護(hù)作用好，氬弧的溫度高，熱量集中。加之氬氣流的冷卻作用，焊縫熱影響區(qū)小，焊件變形量小，焊接時(shí)無熔渣，焊后無夾渣缺陷。操作要點(diǎn)見2.2、2.3節(jié)所述，焊接規(guī)范見表3，焊接參數(shù)見表4，焊后清理焊縫區(qū)。

表3 φ76 mm×6.35 mm裂解爐爐管氬弧焊規(guī)范

表4 氬弧焊焊接工藝參數(shù)

3.4 焊后檢驗(yàn)

所有焊縫進(jìn)行RT檢測(cè)，合格級(jí)別不低于Ⅱ級(jí)，經(jīng)過一個(gè)周期的生產(chǎn)運(yùn)行，未出現(xiàn)任何焊接質(zhì)量問題。

4 結(jié)論

長(zhǎng)期以來老、舊裂解爐管的焊接中，坡口質(zhì)量差、底層晶間腐蝕、熱裂紋問題最為突出，這是碳侵蝕管內(nèi)壁、作業(yè)區(qū)間狹窄、管材焊接性特殊所致?？刹捎媒柚鸂t內(nèi)設(shè)備使用短小便捷卡具組對(duì)固定待焊管；等離子切割操作分為切割和清理坡口兩次使用；內(nèi)壁適度消除碳蝕層并修補(bǔ)；確定使用小熱量輸入焊接方法及規(guī)范等方法清除缺陷，提高焊接質(zhì)量和效率。

[1] 鄭承炎，陳道坤，王傳華.裂解爐爐管及其焊接接頭的斷裂分析[A]第四屆全國(guó)壓力容器學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)壓力容器分會(huì)，1997：165-167.

[2] 朱曉東，徐巖.乙烯裂解爐爐管的材質(zhì)損傷[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2004，25（6）：51-54.

[3]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)（材料的焊接）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：434.

[4]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)（材料的焊接）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：429.

[5]劉云龍，杜則裕，劉余然.焊工技師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：145-146.

[6]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊工手冊(cè)（手工焊接與切割）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：266-267.

Research on welding defects of old cracking furnace tube

HOU Huaiyu
（Mechanical Maintenance Department，Liaoning Petrochemical Company，Liaoyang 111003，China）

As the core component of cracking furnace，the high cr-ni content of heat resistant steel furnace tube needs to be cut and repaired because of petroleum coke blocking and creep-deformation tube burst.In the welding repair of long-running furnace tube，some defects are often appeared，such as poor quality of groove，bottom intergranular corrosion and hot cracks，which due to unsteady tube group，severe carbon erosion on the inner wall of the tube，as well as the high alloy composition and small coefficient of heat conductivity of the tube.Hence，some welding measures like convenient fixture，appropriate removal of carbon corrosion layer and using small heat input are adopted to avoid these defects.

cracking furnace；furnace tube；welding；weld defects

TG441.7

B

1001－2303（2017）05－0116-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.05.25

2016-12-17；

2017-01-20

侯懷宇（1972—），男，高級(jí)技師，本科，主要從事特種設(shè)備焊接管理工作。E-mail：1428824872@qq. com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：侯懷宇.舊裂解爐管焊接常見缺陷探討[J].電焊機(jī)，2017，47（05）：116-119.