制氢转化炉炉管焊接质量控制策略

柴东，秦富亮(中石化第四建设有限公司，天津 300270)

0 引言

现阶段，制氢转化炉炉管使用较多的材料主要是HP40Nb，具有高温蠕变断裂强度和高温韧性。炉管冶炼工艺，离心浇筑工艺，机械加工精度，焊接质量，检测工艺是保证转化炉质量的重要措施。

1 概述

本次沧州炼化检修改造制氢转化炉炉管更新及部分材质升级，原设计56根，扩能改造增加46根，共计102根，除主要材质为HP40Nb外，上部与上法兰相连接的一段炉管材质为P11，与上尾管相接的加强接头材质为F11，现将该段炉管材质提升为HP40Nb，相应的将加强接头材质改为与上尾管材质(TP321H)相一致，即F321H。下集合管更换5根，4根支管与主管的连接方式统一改为法兰连接，下集合总管与转化气余热锅炉的连接方式保持不变(焊接)，材质(16MnR)不变。

2 转化炉管系结构

2.1 转化炉管系结构

众所周知，转化炉结构的核心要素是管系，管系的构成也极为复杂，具有多样性的特点，主要有上集气管、上尾管、 转化管、(下尾管)、下集气支管、下集气总管六种。下集气总管要根据所需的需求量进行规模的确定，按制氢的需求量多少对规模做出有效的调整，通常情况下，转化炉管系结构通常使用热浆集合管和冷壁集合管两种方式。与此同时，制氢的规规模不同，也要采取不同的措施，因此要根据具体情况进行具体的分析。当规模较小时，对于下尾管的设计要求较低，难度较小，且内出口集合管膨胀量也会大大降低，针对上述情况则需要采用热壁集合管的方式进行。当规模大的情况下，集合管的膨胀量则会出现明显的提高，也会对下尾管的设计要求加以提高，且在此过程中也会由于热应力的因素导致位移问题的发生，尾管问题的断裂现象屡见不鲜，必须予以充分的重视[1-2]。

2.2 焊接工艺

2.2.1 加强管接头与上尾管焊接

102根炉管顶部加强管接头与上尾管焊接，材质均为TP321H，规格Φ33.4×3.4 mm，焊口102道，焊接时要注意以下六点：(1)在组对及焊接前，要对坡口及其母材内外表面20 mm范围内进行打磨处理，尽可能的减少或者避免氧化物、油污、毛刺、熔渣等有害杂质的产生，清洁后要使得金属表面具有光泽感，同时还要保证不可出现裂纹或者夹层等现象。(2)下列环境须采取有效防护措施:①钨极氩弧焊风速大于2 m/s；②相对湿度≥90%；③雨、雪天气；(3)焊丝使用前，将焊丝表面的油污、有害杂质清理干净；(4)在焊接完一层焊道后要保证层间的整洁性，可以采用砂轮机进行熔渣等物质的清洁，每一层焊道都要以相同的方式和标准进行作业；(5)特别需要注意的是在坡口或者母材表面不可进行引弧和试验电流，最大限度的避免电弧对母材的伤害；(6)对于母材的厚度情况也要根据具体情况具体分析，科学合理的选择填充金属层数。

2.2.2 炉管与下集合管焊接

底部炉管TP321H与下集合管16MnR焊接，规格Φ159×8 mm，焊口102道，焊接时要注意以下七点：(1)组对及焊接前，清除坡口及其母材内外表面20mm范围内要开展有效的清洁工作，清洁的标准为出现金属光泽；(2)下列环境须采取有效防护措施：①钨极氩弧焊风速大于2 m/s，焊条电弧焊风速大于8 m/s；②相对湿度≥90%；③雨、雪天气；(3)焊接时宜采用多层多道焊，焊条摆动幅度：不大于焊条直径的3倍，每层焊道的厚度宜控制在3 mm范围内；(4)焊丝使用前，将焊丝表面的油污、有害杂质清理干净，在使用焊条时，必须严格按照相关的规则和步骤进行使用，保证操作的娴熟性和质量性，与此同时，100～150 ℃的烘干恒温箱也是重中之重。除此之外，焊工应使用保温筒领用焊条，放置时间不超过4 h；(5)每一层的焊道都要采用砂轮机进行干净彻底的清洁，从而为下一道工序奠定良好的基础保障；(6)不得在坡口之外的母材表面引弧和试验电流，并防止电弧擦伤母材；(7)根据实际母材厚度情况进行科学合理的分析，准确把握金属层数的填充。

2.2.3 下集合总管与余热锅炉焊接

下集合总管(16 MnR)与余热锅炉(15C rMoR)焊接，规格Φ960×30 mm，焊口1道，焊接时要注意以下七点：(1)组对及焊接前，清除坡口及其母材内外表面20 mm范围内的氧化物、油污、毛刺、熔渣等有害杂质，直至露出金属光泽，不得有裂纹、夹层等缺陷；(2)下列环境须采取有效防护措施：①钨极氩弧焊风速大于2 m/s，焊条电弧焊风速大于8 m/s；②相对湿度≥90%；③雨、雪天气；(3)焊接时宜采用多层多道焊，焊条摆动幅度:不大于焊条直径的3倍，每层焊道的厚度宜控制在3 mm范围内；(4)焊丝使用前，将焊丝表面的油污、有害杂质清理干净，焊条使用的过程中，工作人员必须确保使用流程的准确性，并按照相关标准进行烘干，恒温箱的温度应控制在100～150 ℃之间。焊工应使用保温筒领用焊条，放置时间不超过4 h；(5)每焊接完一层焊道都必须用砂轮机将层间的熔渣清理干净，为下一步的工作的顺利进行提供保障；(6)不得在坡口之外的母材表面引弧和试验电流，并防止电弧擦伤母材；(7)根据实际母材厚度情况选择填充金属层数。

3 焊接质量控制

3.1 焊接参数选择

焊接质量的控制与焊接参数的选择有着密切的联系，因此在焊接工作之前就要做好焊接参数选择的准备工作，严格按照相关的要求，同时结合实际的情况和当前的需求对氩弧焊进行科学合理的把控[3]。(1)加强管接头与上尾管焊接焊材选用H0Cr20Ni10Ti规格2.5 mm，焊接方法GTAW，正面及背面保护气体种类及流量(L/min)99.99%Ar/10～12，层/道间温度(℃)≤100 ℃。焊接电流90～120 A，电弧电压 15～20(V)，焊接速度5～8(cm/min)；(2)炉管与下集合管焊接焊材选用ERNiCr-3/ENiCrFe-3规格2.5/3.2 mm，焊接方法GTAW/SMAW，正面及背面保护气体种类及流量(L/min)99.99% Ar/10～12，层/道间温度(℃)≤100 ℃。焊接电流90～110/90～120 A，电弧电压 12～18/18～25 V，焊接速度(cm/min)6～10/10～24；(3)下集合总管与余热锅炉焊接焊材选用ER55-B2/E8018-B2(R308)规格2.5/3.2mm，焊接方法GTAW/SMAW，正面及背面保护气体种类及流量(L/min)99.99%Ar/10～12，预热温度≥200 ℃层/道间温度(℃)≥200 ℃。焊接电流80～120/90～150 A，电弧电压 12～14/20～30 V，焊接速度6～10/6～12 cm/min，热处理温度650～700 ℃，恒温时间≥1.5 h，自由升温至300 ℃后，加热速度按照5125/T(℃/h)计算，且不大于220 ℃/h，冷却速度按照6 500/T(℃/h)计算，且不大于260 ℃/h，冷却至300 ℃后自然冷却。

3.2 施工应具备的条件及施工准备

首先，施工前要对方案进行进一步确认，做好一系列的施工准备工作，图纸汇审和设计交底工作必须落实到位。施工人员需要进一步加强对工作的执行力度，加强对图纸的领悟能力，严格按照图纸和施工规范进行作业，科学合理的把控施工的进度和质量，促进施工技术的进步。其次，管理者要加强自身的责任意识，提高各个工序的安全性，且要进一步加强和落实焊接工艺评定的实施，加强对作业人员的管理。与此同时，对于焊工的准入标准也需要进一步提高和明确，这将关系到整个作业环节的质量和效率。例如重视特殊工种人员是否持有相关操作证书，亦或者利用考核制度进行择优选择，只有这样才能够更好地确保质量问题得到解决。最后，要重视材料问题，使用焊材一方面要符合施工方案及规范要求的相关标准；另一方面，要满足炉管焊接工艺评定的需要，也需要对所使用的焊材进行复验和检查，并做好相关的资料报验。

3.3 焊接措施

焊接的过程中所采取的措施也对焊接质量的控制有着极大的影响，因此要做好总结。做好各个环节的工作以及加强突发对应的措施方案，坡口清洗以及PT检测是大部分焊接工作中所忽略的一个重点问题。与此同时也要加强焊接口的检查，避免管内发生严重的氧化现象，并采取相应的防氧化措施。组队的间隙要严格按照图样要求进行操作，最大程度地避免错口的问题。

焊接的过程需要一定的专业性，要求工作人员在专业技能和感官认知上加以提高。若在焊接过程中发现质量问题，必须第一时间内处理，若质量问题严重的情况下，必须进行返修。返修的过程中，检查和记录工作是必不可少的，并将焊接的表面进行深度的清理，保证焊接表面的平整性和整洁性。与此同时，X射线检测返锈次数在原则上小于等于两次。在一系列检查工作完成后，则需进行打底焊的工作流程，在此过程中，电流的大小也对焊接的质量有着极为重要的影响因素，将电流控制在90～105 A范围内取得的焊接效果最为理想。若电流过大，焊接在治疗以及就会发生严重的问题，从而导致凹形较深，弱电流过小，不仅在速度上有着较大的弊端，也不利于焊接质量的优质性，容易导致未焊透的现象发生。

3.3.1 组对及定位焊

通过采用v形坡口并合理控制坡口的角度，与此同时要加强坡口表面的PT检验，检验通过后才能进行组对。在组对过程中，首先要将坡口的表面进行充分的打磨，在此过程中要注意方式和方法的把控，可以选择采用砂轮的方式，其范围要控制在20 mm内，出现金属光泽即可。其次，可以选择采用搭桥式的方式，通过两点定位实施定位焊，在焊接结束后要注意去除焊点，这点是至关重要的，除此之外，需要特别注意的是在焊前需要将焊口封好，并进行冲氩。