甲醇装置用废热锅炉管板的修复

林桂贤，逯来俊，杨 帆，王延平，李永红，张建晓

(1.兰州兰石重型装备股份有限公司，甘肃 兰州 730050；2.兰州节能环保工程有限责任公司，甘肃 兰州 730050；3.甘肃火电工程公司，甘肃 兰州 730070)

甲醇装置用废热锅炉管板的修复

林桂贤1，逯来俊2，杨 帆3，王延平3，李永红1，张建晓1

(1.兰州兰石重型装备股份有限公司，甘肃 兰州 730050；2.兰州节能环保工程有限责任公司，甘肃 兰州 730050；3.甘肃火电工程公司，甘肃 兰州 730070)

甲醇装置用废热锅炉管板在使用过程中局部出现了裂纹，为保证设备的正常运行，需进行修复。由于换热管与管板材质均为低合金耐热钢，含有较多的Cr-Mo，空淬倾向大，焊接时易出现冷裂纹，同时为了消除焊接应力和焊缝金属组织，焊后必须进行热处理。结合Cr-Mo耐热钢的焊接特点、现场施工条件和缺陷情况，制定了管板修复方案，采用手工钨极氩弧焊对管板进行修复。实践证明，所制定的管板修复方案可靠，所选用的焊接方法、焊接材料、焊接工艺规范正确合理。

废热锅炉；低合金耐热钢；修复方案；焊接工艺

0 前言

年产30万t甲醇装置废热锅炉设备，换热管材质为A335 Gr.P11，规格φ 57mm×5mm、φ 38mm×3mm；管板材质为13CrMo4-5，管板厚度δ＝32 mm，结构如图1所示。检修时发现换热管出现泄漏(见图2)，管板局部有裂纹(见图3)，为了保证废热锅炉安全使用，炼油厂委托兰州兰石重型装备股份有限公司对该台设备进行修复，以使其投入正常使用。

由于换热管与管板材质均为低合金耐热钢，含有较多的Cr-Mo成分，空淬倾向大，焊接时易出现冷裂纹，同时为了消除焊接应力，焊后必须进行热处理。为确定合理的修复方案，对Cr-Mo耐热钢的焊接特点做了进一步的了解。

1 Cr-Mo耐热钢的焊接特点

Cr-Mo低合金耐热钢因其合金元素含量较多，焊接时有以下特点[1]：

(1)淬硬性。

低合金耐热钢中的主要合金元素Cr和Mo等都能显著提高钢的淬硬性。其中Mo的作用比Cr大50倍。这些合金元素推迟了钢在冷却过程中的转变，提高了过冷奥氏体的稳定性。

图1 废热锅炉结构示意

图2 换热管头开裂

图3 管板局部开裂

(2)冷裂纹。

由于铬钼钢极易产生淬硬的显微组织，再加上焊缝区足够高的扩散氢浓度和一定的焊接残余应力共同作用，焊接接头易产生氢致延迟裂纹，这种裂纹在热影响区和焊缝金属中经常发生。在热影响区大多是表面裂纹，在焊缝金属中通常由于预热温度不足或没有及时进行焊后热处理，表现为垂直于焊缝的横向裂纹，也可能发生在多层焊的焊道下或焊根部位。

(3)再热(SR)裂纹。

再热裂纹是焊接接头在焊后消除应力热处理过程或长期处于高温运行中发生在靠近熔合线粗晶区的沿晶开裂。钢中Cr、Mo、V、Nb、Ti等强碳化物形成元素对再热裂纹的形成有很大影响。

(4)热裂纹。

当焊道的成形系数(熔宽／熔深)小于1.3时，焊道中心易形成热裂纹。这是因为窄而深的梨形焊道，低熔点共晶聚集于焊道中心，在焊接应力作用下，导致焊道中心出现热裂纹。一切影响焊道成形系数的因素都会影响热裂纹的发生。

(5)热影响区过热区的组织脆化。

由于低合金耐热钢具有明显的淬硬性和冷裂纹倾向，所以在焊接时常采用提高预热温度和提高焊接热输入能量的方法，但过高的预热温度和焊接热输入量往往会造成过热区的晶粒粗化和脆化，无法保证接头韧性。

2 焊接注意事项

针对上述Cr-Mo耐热钢焊接性特点，焊接时应注意的事项如下[2-3]：

(1)改善焊缝金属的韧性。

最有效的措施是降低焊缝中O、Si、P的含量。

(2)预热。

预热可以减低焊接接头冷却速度，防止母材和热影响区产生裂纹，改善其塑性和韧性，减少焊接变形，降低焊接区的残余应力。

(3)焊接规范的选择。

焊接热输入、预热温度和层间温度直接影响到焊接接头的冷却条件。一般来说，焊接热输入越大，冷却速度越慢，加之伴有较高的预热和层间温度，会使接头各区的晶粒粗大，强度和韧性都会降低。

(4)后热。

后热就是焊接后立即对焊件的整体或局部进行加热或保温，使其缓冷的工艺措施。它不是焊后热处理，后热有利于焊缝中扩散氢加速逸出，减少焊接残余变形和残余应力。所以后热是防止焊接冷裂纹的有效措施之一，采用后热还可以降低预热温度，有利于改善焊工劳动条件，后热对于容易产生冷裂纹且不能立即进行焊后热处理的焊件，更为现实有效。

(5)焊后热处理。

对于低合金耐热钢，焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力，更重要的是改善组织提高接头的综合力学性能，包括提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性，降低焊缝及热影响区硬度，还会使氢进一步逸出以避免产生冷裂纹。

3 管板修复方案的制定

结合Cr-Mo耐热钢的焊接特点、现场施工条件和缺陷情况，决定采用手工钨极氩弧焊对管板进行修复，具体修复方案为：缺陷位置确定→裂纹清除→表面探伤确认→管板修整→管板消氢预热→焊接→焊后保温消氢→焊缝区打磨修复→预无损检测、硬度检测→管板焊后热处理→打磨、无损检测、硬度检测→各项记录整理归档。

(1)缺陷位置确认。对整个管板及周围区域进行MT和PT检查，并检测相应区域的硬度，确认泄漏的换热管、管板裂纹缺陷位置并标识清楚。

(2)裂纹清除。采用磨削的方法去除管板上的裂纹；对大面积的裂纹，用砂轮机磨削；对裂纹深度较深的缺陷，用铣刀消除裂纹；将有裂纹的换热管切割断开。

(3)在清理过程中要注意：在所有的磨削工作完成后，磨削后的管板表面须用MT彻底检查，确认裂纹全部消除后方可进行下一步工作。

(4)管板修整。磨削时将管桥处的裂纹磨成U型。

(5)焊接材料。焊丝选用WCrMo1 Si焊丝，规格φ 2.4 mm。

(6)加工堵头并做焊接试验。按尺寸加工堵头(见图4)，并做宏观检查。

图4 堵头

(7)管板清理。施焊前打磨清理管板上的铁锈、污物。

(8)管板消氢。由于该设备已经使用，所以将缺陷消除后，需将管板用电加热片加热至300℃并保温1 h，进行消氢处理，以确保本次返修一次合格。

(9)焊接。

a.焊接工艺评定：修复时应具备手工钨极氩弧焊对接、管板角接工艺评定各一项；b.焊接方法：手工钨极氩弧焊；c.电源及极性：直流正接；d.焊接位置：水平固定；e.焊工资格：持有相应资格的熟练焊接操作人员；f.焊接材料：WCrMo1 Si焊丝，规格φ 2.4mm；g.焊接参数：焊接电流130～150 A，焊接电压13～15 V，焊接速度大于90 mm／min；h.层间温度150℃～250℃；i.不得在坡口外引弧，收弧时要填满弧坑。

(10)后热。

焊后立即用氧乙炔或电加热片将焊缝加热至300℃～350℃并保温1 h。

(11)焊缝区打磨修复：焊缝区应与管孔及管板过渡良好。

(12)预无损检测、硬度检测。

在堆焊完成后24 h对返修焊缝用MT和UT检查是否有缺陷，如发现缺陷，继续返修。MT和UT检查合格后，采用测厚仪测量管板厚度，厚度合格后用硬度计测量硬度。

(13)管板热处理。

a.热处理工作在所有焊接工作完成后进行，管板和外壳同时热处理。

b.外壳体的热处理范围。加热宽度以热端管板为中心，向两侧各延伸至200 mm处；硅酸铝保温层宽度以热端管板为中心，向两侧各延伸至300 mm处。

c.热处理时在管板上至少放四支热电偶，中心放一支，外部放三支，均匀分布；外壳体上至少放四支热电偶均匀分布，用来记录热处理的温度，并做好热处理的保温工作。

d.热处理的升温、降温曲线如下：升温时在100℃以下不控制升温速率；升温至100℃以上后，控制升温速率为30℃／h，升温至62℃并保温1 h，然后按30℃／h的速率降温，降至100℃以下可自然冷却。

(14)无损检测。

热处理完成管板降至室温后，对返修处进行MT检查合格，进行荧光磁粉探伤合格，并用硬度计测量硬度。

(15)水压试验。水压试验合格。

(16)整理各项记录存档。

4 产品修复

按照管板焊接修复工艺，进行了Cr-Mo耐热钢手工钨极氩弧焊对接、管板角接两项焊接工艺评定，力学性能、硬度检测结果均满足要求，证明所选用的焊接工艺和焊接材料正确合理；模拟实际工况，对焊接操作人员进行了培训、考核(见图5、图6)；对打磨、无损检测和热处理操作人员也进行了修复前的讲解。上述工作完成后，按修复工艺打磨、修整管板(见图7、图8)、焊接(见图9、图10)、无损检测(见图11)、管板的焊后热处理(见图12)，最后对修复部位进行测厚和硬度检测(见图13)，其结果符合要求，水压试验一次合格。

该设备修复后投入使用，至今已两年多，运行状态良好。

图5 对焊接操作人员进行培训

图6 对焊接操作人员进行考核

图7 管板打磨

图8 管板修整

图9 管板焊接修复

图10 焊接修复后的管板

图11 无损检测

图12 管板的焊后热处理

图13 对修复部位进行最终检测

5 结论

结合Cr-Mo耐热钢的焊接特点、现场施工条件和缺陷情况，制定了管板修复方案。采用手工钨极氩弧焊对管板进行了修复，实践证明，所制定的管板修复方案可靠，所选用的焊接方法、焊接材料、焊接工艺规范正确合理。

[1]张建晓，王国珍.制造加氢反应器用Cr-Mo中温抗氢钢[J].电焊机，2007，37(8)：50-55.

[2]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册2——材料的焊接[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3]崔忠圻.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，1993.

Repairing of tube-sheet of waste heat boiler in methand unit

LIN Gui-xian1，LU Lai-jun2，YANG Fan3，WANG Yan-ping3，LI Yong-hong1，ZHANG Jian-xiao1
(1.Lanzhou Energy-saving and Environmental Protection Engineering Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，China；2.Lanzhou Lanshi Heavy Equipment Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，China；3.Gansu Thermal Power Engineering Corperation，Lanzhou 730070，China)

Some cracks were found on the tube sheet of waste heat boiler in methand unit when operating，to assure the equipment operated safely，It needs to be repaired，because of the material of tube and tube sheets are all the low alloy heat resistance steel.The alloy elements of Cr-Mo is more than the common low alloy steel，So it is easy to cause cold cracks when the repairing plan is not very reasonable.At the same time，The boiler tube sheets must be heat treated after welding to relief the stress and improve the weld metal micre structure，This can take many problems.So correctly chosen welding materials，strictly controlled welding heat input and reasonable welding procedure parameters are very important to the boiler tube sheets repairing plan.The article gains a reasonable repairing plan on the repairing of the boiler tube sheets using in methand unit.

exhaust boiler；low alloy heat-resistant steel；repairing plan；welding procedure

TG457.1

B

1001-2303(2011)12-0065-04

2011-04-02；

2011-11-05

林桂贤(1970—)，女，辽宁宽甸人，高级工程师，主要从事压力容器的制造工作。