王 崢,盧俊文,湛立寧,吳 婷,周璐璐,陳 敏

(河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院唐山分院,河北 唐山 063000)

合成氨是氮肥的主要原料,也可用于制造有機(jī)胺及醫(yī)藥中間體等,其制造原料有石油、天然氣和無(wú)煙煤等,我國(guó)中小型合成氨項(xiàng)目均以無(wú)煙煤為原料,合成原理是借助催化劑作用,將氫和氮在高溫、高壓條件下合成為氨[1]。合成壓力為20～500 MPa,由于介質(zhì)具有腐蝕性,且在高溫、高壓環(huán)境下運(yùn)行,對(duì)合成氨管道的材質(zhì)提出了較高要求,常用材料為GB 6479—2013標(biāo)準(zhǔn)中的10MoWVNb鋼,其具有良好的耐氫、氮、氨腐蝕性能。由于合成塔出口壓力較高,需選用厚壁管道才能滿足強(qiáng)度要求,同時(shí)加大了管道焊接難度,對(duì)施工技術(shù)也提出了更高要求。雖然10MoWVNb材料在化肥行業(yè)已使用多年,但是用于高壓厚壁管道的焊接工藝鮮見報(bào)道。本文以某產(chǎn)量30萬(wàn)t/a合成氨項(xiàng)目的管道安裝監(jiān)檢為背景,對(duì)φ426×48 mm廢熱鍋爐聯(lián)通管道進(jìn)行了焊接工藝研究。

1 合成氨生產(chǎn)流程

某30萬(wàn)t/a合成氨項(xiàng)目以無(wú)煙煤為原料,2018年3月開始施工,2019年12月投產(chǎn),采用操作壓力為20～60 MPa的中壓法合成,實(shí)際操作壓力為32 MPa,操作溫度為495 ℃。生產(chǎn)流程包括氣化工段、變換工段、低溫甲醇洗、液氮洗和氨合成等環(huán)節(jié)。氣化工段是水煤漿與氧氣發(fā)生反應(yīng),在氣化爐中生成半水煤氣;變換工段是將高含量的CO轉(zhuǎn)換成CO2;低溫甲醇洗是用物理方法洗掉CO2和硫化物;液氮洗是在甲烷化催化劑和氮?dú)庾饔孟?將CO、CO2轉(zhuǎn)化為CH4。經(jīng)液氮洗的精制氣氫氮比為3∶1,直接送入合成塔完成氨的合成,圖1為合成氨生產(chǎn)流程示意。

圖1 合成氨生產(chǎn)流程示意

從圖1中可以看出,為了回收從合成塔出來(lái)的高溫合成氣熱量,采用雙廢熱鍋爐回收系統(tǒng)。其中,1#鍋爐管箱直接與合成塔底部出口連接,而1#鍋爐與2#鍋爐通過(guò)管道連接,管道設(shè)計(jì)壓力為25 MPa,設(shè)計(jì)溫度為280 ℃,規(guī)格為φ426×48mm,材質(zhì)為10MoWVNb。

2 10MoWVNb焊接性能

10MoWVNb是一種低合金耐熱鋼,為GB 6479—2013無(wú)縫鋼管,其化學(xué)成分中含有鉬、鎢、釩、鈮等合金元素,這些元素容易和碳原子結(jié)合形成碳化物,其金相組織為鐵素體+碳化物,細(xì)化了晶粒,提高了耐氫、氮、氨腐蝕性能,但是,碳化物的存在加大了焊后再熱裂紋傾向。另外,在焊接過(guò)程中伴隨氫擴(kuò)散,如果冷卻速度過(guò)快,容易形成馬氏體和上貝氏體組織,導(dǎo)致冷裂紋傾向增大。10MoWVNb管材化學(xué)成分、力學(xué)性能見表1和表2。

表1 10MoWVNb管材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 10MoWVNb管材力學(xué)性能

3 焊接工藝試驗(yàn)

3.1 焊接方法

焊接方法選用鎢極氬弧焊打底,手工電弧焊填充蓋面,打底焊時(shí)采用管道內(nèi)局部充氬保護(hù),以便獲得良好的根焊背面成型質(zhì)量,管道內(nèi)局部充氬保護(hù)方法見圖2。鎢極氬弧焊的優(yōu)點(diǎn)是容易控制焊接線能量,可以獲得晶粒細(xì)化的熔敷金屬組織,從而減少再熱裂紋產(chǎn)生的可能性[2]。手工電弧焊可用于管道各種位置的焊接,焊接熱影響區(qū)小,利于保證厚壁管道焊接質(zhì)量。

圖2 管道內(nèi)局部充氬保護(hù)方法

3.2 焊接材料選取

為保障焊縫各項(xiàng)力學(xué)性能與母材一致,選用化學(xué)成分與母材相近的焊接材料,鎢極氬弧焊選用規(guī)格φ2.4 mm的10MoWVNb藥芯焊絲;手工電弧焊選用規(guī)格為φ3.2 mm和φ4.0 mm的J507MoW焊條,J507MoW是低氫堿性合金焊條,在合成氣體中耐腐蝕性良好。施焊前焊絲應(yīng)干燥處理,焊條應(yīng)進(jìn)行350～400 ℃烘干處理,并恒溫1 h,控制藥皮含水量≤0.3%、擴(kuò)散氫含量≤6 mL/100 g。焊接材料化學(xué)成分見表3。

表3 焊接材料化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

3.3 坡口形式

施焊管道壁厚48 mm,為便于多層、多焊道的焊接方法,對(duì)接焊口采用雙V形坡口,可以減少焊縫熔敷金屬量,從而降低焊接熱輸入,獲得晶粒較細(xì)化的熔敷金屬組織。坡口采用砂輪機(jī)或等離子切割機(jī)加工,坡口成型后宏觀檢查加工尺寸,用滲透檢測(cè)方法檢查有無(wú)裂紋缺陷,檢測(cè)比例100%,檢測(cè)結(jié)果應(yīng)符合NB/T 47013.5—2015中Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。坡口加工形式見圖3。

圖3 坡口加工形式

3.4 焊接過(guò)程控制

管道焊口組對(duì)完成后,先進(jìn)行150～200 ℃的預(yù)熱,加熱區(qū)間為坡口兩側(cè)各100 mm,然后將對(duì)接焊口定位焊固定,每段定位焊間距為200～250 mm,定位焊高度為5～7 mm為宜,定位焊長(zhǎng)度為50～60 mm。打底焊從兩段定位焊中間位置開始,打底焊縫厚度應(yīng)大于3 mm,管道空間內(nèi)充氬氣保護(hù),控制根焊背面成型高度為1～2 mm為宜。手工焊接時(shí),采用短弧、薄焊道操作方法,利用多層、多道焊完成焊接,焊接層間溫度應(yīng)高于150 ℃,相鄰焊道之間接頭應(yīng)錯(cuò)開[3]。為降低冷裂紋敏感性,采用雙人對(duì)稱焊,整條焊縫要一次性完成,盡量減小拘束應(yīng)力,焊后保溫緩冷,200 ℃以上保溫2 h。

施工單位近期未開展過(guò)10MoWVNb厚壁管道焊接項(xiàng)目,且焊接人員有流動(dòng)現(xiàn)象,為此重新進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。為獲得符合要求的焊接工藝方案,利用焊接試件進(jìn)行了多次小試,通過(guò)無(wú)損檢測(cè)、力學(xué)性能試驗(yàn)來(lái)檢查焊縫質(zhì)量,初步獲得了較成熟的焊接工藝參數(shù),焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 焊接工藝參數(shù)

3.5 焊后熱處理

熱處理前應(yīng)清理焊縫表面,采用熱電偶加熱方法;為保證焊縫受熱均勻,加熱點(diǎn)要均布;為準(zhǔn)確測(cè)量熱處理溫度,每道焊縫外表面均布4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。10MoWVNb焊后熱處理溫度為740±10 ℃,恒溫時(shí)間2 h,300 ℃以上的升溫速度控制在140 ℃/h;保溫完成后,300 ℃以上的降溫速度控制在185 ℃/h,溫度降到300 ℃以下自然冷卻。由于10MoWVNb焊口有再熱裂紋傾向,熱處理完成后對(duì)焊縫外表面進(jìn)行100%滲透檢測(cè),其符合NB/T 47013.5—2015中Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。熱處理工藝曲線見圖4。

圖4 熱處理工藝曲線

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 無(wú)損檢測(cè)

10MoWVNb管道鎢極氬弧打底焊時(shí),在收弧部位易產(chǎn)生熱裂紋缺陷,為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的缺陷,應(yīng)采用滲透檢測(cè)方法對(duì)焊縫表面進(jìn)行100%無(wú)損檢測(cè),徹底消除發(fā)現(xiàn)的缺陷后,才能進(jìn)行下一步的手工焊接。為減少厚壁管道的返修量,應(yīng)在填充焊接至管道一半厚度,即21～24 mm時(shí)進(jìn)行第一次射線檢測(cè),確認(rèn)沒(méi)有焊接缺陷或修復(fù)缺陷后才能進(jìn)行后續(xù)焊接,焊口全部施焊完成后再進(jìn)行第二次射線檢測(cè)[4]。無(wú)損檢測(cè)選用方法見表5。

表5 無(wú)損檢測(cè)選用方法

表5中的滲透檢測(cè)和射線檢測(cè)均執(zhí)行NB/T 47013—2015中相關(guān)規(guī)定,兩種方法檢測(cè)比例均為100%,第二次射線檢測(cè)應(yīng)在焊接完成24 h后進(jìn)行,以便檢測(cè)出可能出現(xiàn)的延遲裂紋,并在熱處理后用滲透方法檢測(cè)焊縫表面有無(wú)再熱裂紋[5]。按照表6規(guī)定的檢測(cè)方法,焊接試件未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。

表6 焊接接頭硬度測(cè)試數(shù)據(jù)

4.2 硬度檢測(cè)

采用HB-3000C型布氏硬度計(jì),對(duì)熱處理后的焊接試件母材、焊縫、熱影響區(qū)進(jìn)行硬度測(cè)試,每個(gè)區(qū)域測(cè)試Ⅲ組數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)測(cè)試3個(gè)點(diǎn),焊接接頭硬度測(cè)試數(shù)據(jù)見表6,硬度測(cè)試結(jié)果滿足GB 50683—2011標(biāo)準(zhǔn)中HB≤225的要求。

4.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)要求,在焊評(píng)試件上分別截取2個(gè)拉伸試樣、4個(gè)側(cè)彎試樣,在焊縫及熱影響區(qū)各制取3個(gè)沖擊試樣,然后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、側(cè)彎試驗(yàn)、常溫沖擊試驗(yàn),力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

表7 力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表7中可以看出,2個(gè)拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率,3個(gè)焊縫及熱影響區(qū)沖擊試樣的沖擊能量,4個(gè)側(cè)彎試樣180°側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果均滿足10MoWVNb標(biāo)準(zhǔn)要求,拉伸試驗(yàn)在焊縫部位斷裂,呈韌性斷裂特征。

5 應(yīng)用效果

焊接工藝評(píng)定試件經(jīng)無(wú)損檢測(cè)、硬度測(cè)試、力學(xué)性能試驗(yàn)均合格,表明選取的焊接工藝參數(shù)可指導(dǎo)實(shí)際焊接操作。在準(zhǔn)備施工的某30萬(wàn)t/a合成氨項(xiàng)目中,兩個(gè)廢熱鍋爐之間的φ426×48 mm連通管道選用材質(zhì)為10MoWVNb,采用該焊接工藝參數(shù)進(jìn)行施焊操作,焊接的相關(guān)檢測(cè)停點(diǎn)經(jīng)100%滲透檢測(cè)和射線檢測(cè)沒(méi)有焊接缺陷,熱處理后硬度測(cè)試滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,經(jīng)壓力試驗(yàn)、監(jiān)督檢驗(yàn)合格后投入使用。

6 結(jié)語(yǔ)

(1) 10MoWVNb合成氨高壓厚壁管道焊縫有再熱裂紋傾向,制定合理的焊接工藝參數(shù),采用多層多焊道的焊接方法可以減小焊接熱輸入,使熔敷金屬組織晶粒細(xì)化,從而降低再熱裂紋出現(xiàn)的可能性。

(2) 焊接工藝評(píng)定試件經(jīng)熱處理、無(wú)損檢測(cè)、硬度測(cè)試及力學(xué)性能試驗(yàn),各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足管道母材10MoWVNb標(biāo)準(zhǔn)要求,可以指導(dǎo)實(shí)際焊接操作。采用評(píng)定合格的工藝參數(shù),對(duì)10MoWVNb合成氨高壓厚壁管道進(jìn)行施焊操作,獲得了優(yōu)良的焊接接頭,經(jīng)各項(xiàng)檢測(cè)合格后投入使用,管道穩(wěn)定運(yùn)行3年后未見制造和使用缺陷。