裂解炉改造中新旧炉管的焊接

刘建国 唐元生 王绍智

福建联合石化有限公司的核心乙烯裂解装置共有8台裂解炉，位号为F01101~F08108，其中F01101为乙烷炉，将进行改造和检修施工。裂解炉检修改造炉管所用材料为20Cr—32Ni+Nb与G—X10NiCrNb3220。在新旧炉管更换焊接时，出现了不同程度的裂纹等缺陷。

我们根据新旧炉管的焊接性进行分析，制定了合理的焊接工艺和技术措施，防止了焊接缺陷的产生。

1. 材料焊接性分析

20Cr—32Ni+Nb为高铬镍奥氏体耐热钢，新旧炉管化学成分如表1所示。

由于旧炉管长期运行或温度操作不当，焊缝内壁形成渗碳层，且合金元素因烧损而改变金属内部组织，所以和新炉管的材质产生了差异。经打磨坡口、着色检验，发现母材整体存在细小的裂纹，且表面严重碳化，内表面附有一层坚硬的碳层，造成焊接性变差。因此在焊接前要严格检查，清除旧母材的缺陷，为后续焊接提供好的条件。

新旧炉管组对焊接极易出现难熔合，尤其是当焊接电流过大、温度过高、焊接停留时间过长时，极易在旧母材侧产生热裂纹。

2. 新旧炉管更换解决措施

由于旧炉管在长期高温腐蚀环境下工作，存在微细裂纹，严重碳化，改变了母材组织性能，所以为了避免焊接产生裂纹，未熔合等缺陷，增强母材塑性，减少焊接应力，在对旧炉管母材堆焊前，先进行着色渗透检测，然后再对焊口堆焊。采用此方法，能够有效避免并减缓旧炉管焊接时薄弱处产生的应力集中，平均分散应力，防止产生热裂纹。焊接时通过调整焊接参数和熔合比，形成与新炉管材料相近的过渡层，增加母材的塑性，再打磨出新坡口，然后和新炉管组对焊接。

表1 新旧炉管化学成分（质量分数） （%）

3. 新旧炉管更换焊接工艺

（1）接头形式 开V形坡口，坡口角度65°~75°（见图1），不留钝边，坡口间隙为2.0~3.0mm。

图1 坡口角度及焊缝组对

（2）焊前准备 新旧炉管组对前，应清除坡口内外表面及其母材两侧20mm范围内的氧化皮、渗碳层、杂质及油污等，直至打磨出金属光泽。采用丙酮擦清洗坡口，防止油污、杂质等带进熔池，增加焊缝金属产生结晶裂纹的倾向，会降低金属的冲击韧性和抗腐蚀性，易引起热裂纹。

组对的工夹具不宜焊接在母材上，若需焊在母材上时，应符合下列规定：炉管坡口无应力组对，采用“夹具”定位，工夹具与母材焊接部位的化学成分应与母材的化学成分相似；工夹具的拆除不得采用敲打、掰扭等方式；工夹具拆除后应修磨焊痕再进行渗透检测，I级合格。

4. 焊接材料的选择

因旧炉管极易出现热裂纹，根据相关规范和经验，焊接时选择ERNiCr—3氩弧焊丝，φ2.4mm，其韧性、塑性及高温性能优于旧母材焊丝，同时还能补充母材合金元素的烧损，调整合金成分，提高并改善旧母材的组织性能，确保焊接质量，防止焊接裂纹的产生。化学成分如表2所示。

表2 焊丝ERNiCr—3化学成分（质量分数） （%）

5. 新旧炉管的焊接过程

（1）打底层焊接 焊缝背面氩气置换时，开始氩气流量稍大，确保管内空气排净。焊接时适当降低氩气流量，防止焊缝背面因氩气吹力而形成凹陷，尤其最后收尾接头。焊接设备采用带高频氩弧焊，可以适当延长衰减时间。收弧时把弧坑填满，防止产生弧坑裂纹。管膛双重氩气置换保护如图2所示。

打底焊接在保证根部焊透和熔合良好的前提下，尽量使用小的焊接热输入，减少焊缝熔池过热。

焊丝始终处在氩气保护区，防止焊丝在高温熔化后脱离氩气保护区被氧化，氧化部分带到熔池里易产生夹杂。焊丝向熔池逐渐送进，采用抹、滴方式，焊枪轻微的摆动，上坡口慢、下坡口快，防止铁液下坠，使焊缝背面咬边，同时增加打底层的厚度，提高焊缝强度，防止因焊接应力影响而产生裂纹。

（2）层间焊接 小电流快速焊，多层多道焊，焊层不超过焊丝直径，焊缝宽度不超过焊丝直径的3倍，层间温度控制在70~80℃以下(用手能触摸)。层间温度过高容易使焊缝过热，造成晶粒粗大，组织性能变差，导致焊接接头高温韧性、塑性下降，产生焊接缺陷。焊缝成形如图3所示。

（3）热裂纹的预防 措施主要包括：焊接时控制热输入，快速焊，采用小的截面焊道，多层多道焊，层间温度控制在100℃以下，采用合理的焊接顺序，以及选择刚性小的焊接接头形式等均能改善接头的焊接应力。新旧炉管焊接参数如表3所示

图2 管膛双重氩气置换保护

图3 焊缝成形

6. 焊缝检测

炉管及管件的坡口应按JB/T 4730.5—2005进行100%的渗透检测，质量等级评定I级为合格，检测范围为距离坡口端部25mm内。

所有炉管及管件焊接接头的底层焊道、焊接接头表面，以及炉管上临时或永久性附件的焊接接头表面、临时性夹具切除后的表面，应按JB/T4730.5—2005进行100%的渗透检测，质量等级评定I级为合格。

表3 新旧炉管焊接参数

炉管及管件的对接焊接接头应按JB/T 4730.2—2005的规定进行100%射线检测，射线检测技术等级不得低于AB级，质量合格级别为II级。

7. 焊缝返修

对 RT射线探伤检测不合格的焊缝应进行返修。缺陷清除后，在焊缝上开出坡口槽，重新按焊接工艺进行施焊，焊接长度一般≥50 mm。焊缝返修时，同一位置焊缝返修不得多于两次。焊缝返修后应重新进行RT无损检测并合格。

8. 结语

通过采用上述的焊接工艺及措施，更换的裂解炉炉管焊缝经RT射线检测，一次合格率100%，裂解炉开车一次成功，受到福建联合石化有限公司领导的一致好评。