蒸汽过热炉微合金炉管焊接技术标准与工艺分析

王 泓

（甘肃一安建设科技集团有限公司炼化工程公司，甘肃 兰州 730060）

蒸汽过热炉是工业生产的重要设备，可以为反应器提供过热蒸汽，满足装置运转需要。蒸汽入口和出口温度分别是133 ℃、833 ℃，入口压力0.19 MPa，出入口温差较大，所以炉管焊接难度较大。蒸汽过热炉通常是自然通风的立式方箱炉，双辐射炉膛共用一个对流段，基于烟筒挡板来动态调整炉膛负压，以此来保证蒸汽过热炉充分燃烧。蒸汽过热炉的微合金炉管具有较强的抗氧化性能、抗渗碳性能以及抗高温蠕变断裂强度等性能，在蒸汽过热炉中应用可以有效抵御高温和腐蚀影响，在石油化工行业广泛应用。但同时，此种材料电阻率大、导热性差，很容易出现焊接裂纹，影响到蒸汽过热炉正常运转。因此，需要结合蒸汽过热炉微合金管特性，现场组对、焊接以及无损探伤一系列处理活动，但工作空间限制，对于炉管焊接工艺质量标准提出了新的要求。综合分析研究蒸汽过热炉微合金管焊接工艺相关标准，有助于高效完成焊接任务，避免裂纹出现，为后续相关工作开展提供参考经验。

1 蒸汽过热炉微合金炉管概述

蒸汽过热炉的出入口温度变化大，炉管材质多样，加强炉管施工质量标准控制十分必要。炉管组对、焊接、无损探伤以及热处理各环节需要紧密联系，充分契合技术标准来高质量处理。但在这个过程中，工作空间存在很大的局限性，加之多种材料焊接，如果焊接工艺选择不合理，后期蒸汽过热炉运行中可能会出现炉管开裂，影响到蒸汽过热炉正常运行使用。蒸汽过热炉的炉管多数已经在厂家预制生产，现场焊接则需要结合炉管实际情况按标准焊接。

2 可焊接标准

由于微合金炉管特性，热裂纹敏感，线膨胀系数大，在局部冷却和加热条件下，焊接接头位置在高温区域停留时间过长，焊缝金属和近缝区高温承受的拉伸应力和拉伸应变力较高，不可避免地产生热裂纹。炉管热裂纹出现，有诸多的低熔点金属共晶物与非金属共晶物，尤其是磷、硫共晶物熔点较低，焊接时可能出现低熔点共晶物液态膜在晶界区残留，焊接时出现较大的应力。同时，在收缩应力作用下可能发生开裂问题，影响到蒸汽过热炉正常使用。所以，应该加深热裂纹性质认知和理解，对于辐射段焊口主要选择小电流多层多道焊，不摆动操作，控制层间温度不超过100 ℃，并充分清理干净层间杂质，接头相互错开。

3 蒸汽过热炉微合金炉管焊接标准与工艺要点

3.1 焊接方法

结合蒸汽过热炉炉管焊接施工需要，可以采用钨极氩弧焊打底、填充与盖面，跨越管同样选择钨极氩弧焊打底以及手工电弧焊焊接处理。在焊接的同时，炉管内部充满氩气提供保护作用。如果需要更换炉管，应该保证炉管接头焊接达到保准，及时修复焊接缺陷。对于微合金炉管材质而言，热膨胀系数较高，导热率不高，所以焊接中很容易出现焊接裂纹，影响到整体焊接质量。

3.2 焊接准备

在蒸汽过热炉微合金炉管焊接前期准备阶段，需要确保焊接人员专业知识和技能达到相关标准，实践操作水平较高，同时必须具备焊接合格证。焊接前编制焊接工艺卡，充分技术交底，并且在管道具体焊接前加强技术培训与考核，提升焊接人员专业能力。

为了保证焊接质量达到标准，增强焊缝高温持久性能，应该选择和母材相近的焊材，这样才能确保焊缝与母材的耐高温性能相一致。所选择的焊接材料需要有合格证明，评定焊接工艺合格后方可投入使用。对焊材化学成分、使用条件和力学性能等要素综合考量，同时保证选用的焊接材料强度、耐腐蚀性与耐高温性符合要求；线膨胀系数差异，高温环境下是否会出现体积永久性改变；焊接裂纹。

焊接材料需要配备专人负责管理，依据焊接工艺要求进行烘干、保管、取用，堆放焊接材料的库房要保持干燥，相对湿度在60%以下，同时在焊接材料取用前充分清理干净油污和锈迹，尽可能避免环境因素对焊接材料性能产生不良影响，否则会造成不必要的材料损耗。

3.3 焊接环境

焊接过程中，容易受到环境因素影响，损害焊接材料性能，出现焊接缺陷。焊接过程中，如果出现异常情况，应制定合理有效的保护措施予以处理，否则应停止焊接。具体包括风速、钨极氩弧焊超过2 m/s、手工电弧焊则在8 m/s以上；空气相对湿度在90%以上。

3.4 焊接工艺参数

蒸汽过热炉的炉管焊接过程中，应明确工艺参数，如表1。

表1 焊接工艺参数

3.5 坡口加工和检查

（1）对于HP40和800HT焊缝金属，液态浸润性与流动性较差，熔深小，破口角度和对口间隙应该适当的增加，减少钝边。采用70～80°V型坡口，间隙1.6±0.6 mm，钝边1.5±0.5 mm。

（2）机械切割管道和加工坡口，充分打磨凹凸不平区域，保证管道焊接区域平整。在加工后仔细检查坡口外观，避免出现分层、裂纹和夹渣等质量缺陷。

（3）焊接前，制定合理措施，在坡口两侧100 mm区域安全防护，规避焊接飞溅物污染，如，防飞溅涂料；800HT焊件坡口处理中，去除油脂，坡口表面则选择丙酮全面清洗，基于此种方式来规避焊接时发生渗碳问题。

（4）组对和定位焊接。在此阶段，焊接人员应该在组对前清理干净焊接内外表面杂质，坡口边缘25 mm内禁止有毛刺、油污和氧化物等杂质，规避对焊接质量产生不良影响。组对前后，仔细检查炉管直线度，在180°急弯弯管两端保持平齐状态，炉管长度差距不超过2.0 mm。组对过程中，控制炉管内壁错变量，在0.25 mm以内，其他区域则是在0.5 mm以内。定位焊焊接工艺在实际应用中，主要是采用氩弧焊定位焊，并充满氩气保护炉管；禁止定位焊缝强力组对，主要是为了规避附加力的出现；沿着炉管周围促使定位焊缝分布均匀，至少在3点以上，并且在焊接前将定位起焊点设置在两定位焊缝之间，焊缝溶透且没有焊瘤质量缺陷，如果在焊接时发现有裂纹应该第一时间清理，并重新焊接。如果采用组对卡具，优先选择不锈钢的卡具，卡具材料应尽可能同母材花絮成分相近，与正式焊接等同。

（5）氩气保护措施。焊接同时应该做好充氩保护，控制氩气纯度在99.99%以上。活动口焊接实行整体充氩方式，充氩时候封堵炉管两端，并使用医用胶布充分密封处理，焊接同时揭开；固定口焊接使用局部充氩的方式，如图1。

图1 局部充氩

流量适当的增加，充分排空炉管内部空气后方可焊接；焊接开始后，流量逐步减小，规避氩气流量过大导致未焊透情况出现。

（6）焊接要求。焊接过程中，确保焊透，焊缝质量符合技术标准，尽可能规避热裂纹出现几率。可以选材短电弧以及小线能量方式进行操作；控制城建温度，小电流多层多道焊，使用红外线测量仪，控制各层温度不超过100 ℃；多层多道焊接中，各层焊接头错开布设，每层清理干净后注意检查，检查合格后方可进行下一层焊接。焊接后及时清理干净飞溅的熔渣，保证平面整洁；焊接过程中只能在坡口内引弧，禁止坡口外引弧，否则可能出现电弧擦伤，影响到焊接表面质量；焊接电源线在管端固定，不允许接地线在炉管表面布置；炉管焊接需要借助砂轮机支持，降低转速，避免打磨过程中热量过高出现热裂纹。

（7）焊后热处理。在此环境，焊后热处理焊口是800HT+HP40Nb，控制热处理的温度在950±25 ℃左右；加热温度控制，不超过300 ℃自由升温，在达到300 ℃后，按照5125/δ℃/h进行计算，不超过220℃/h；控制恒温时间，对于焊口稳定化处理，大概为120 min左右；在恒温状态下，按照6500/δ℃/h计算冷却速度，不超过260 ℃/h，在达到300 ℃后自然冷却即可，400 ℃以上则控制冷却速度在260℃/h以下。

（8）焊后检查。在对炉管焊接后，应进行全方位的检查，确保焊接质量符合要求。在外观检查中，焊缝表面处理符合要求后，采用无损检测方法，控制焊接表面质量；表面禁止出现夹渣、气孔以及裂纹等质量缺陷，焊缝和母材之间是圆滑过渡；炉管表面不允许出现凹陷和咬边等缺陷；炉管焊缝表面余高控制在1.6 mm。采用无损检测方式，需要在坡口外观检查符合要求后方可进行渗透检测，一个工序检测合格后方可进行下一道工序。通过对HP40静态铸造弯头坡口PT检测，坡口外侧母材如果有圆形缺陷和条形缺陷，缺陷要及时打磨处理，促使打磨区域和未打磨区域之间平滑过渡，同时控制打磨深度在公称尺寸下偏差范围，如果超出这一范围则需要第一时间补焊。100%渗透检测焊缝表面和焊缝底层焊道质量；炉管对接焊口进行射线检测，并且保证射线检测技术等级在AB级以上。

如果检查发现焊接缺陷，应及时返修，同一位置返修次数不超过2次，否则会影响到焊接质量，浪费资源。依据技术标准，严格控制炉管表面缺陷打磨深度在炉管允许最小壁厚20%，或是单个缺陷面积在62.5 cm2情况下是不允许补焊的，控制弯头打磨深度在壁厚20%，或是挖槽面积在65 cm2以上时不允许补焊；补焊后应及时渗透检验，检验结果符合标准后方可投入使用。对于管线焊接缺陷，可以使用不锈钢砂轮片充分打磨干净，保证焊接表面质量。

此外，积极引进现代化技术手段建立焊接缺陷检测系统，发挥先进技术优势及时发现和解决焊接缺陷。焊接缺陷检测是基于X射线探伤机检查，获取底片，通过肉眼即可观察到焊接缺陷，以此标准为依据来评估环节质量。对于一些压力检测率较高的锅炉重要焊接结构，质量检测工作量大，周期长、成本高，检测水平高低受检测者主观意识影响较大。目前国内外对于焊缝缺陷自动检测研究重视程度逐步提升，并取得了可观成果，在实际应用中可以有效提升焊接质量检验成效。如，哈尔滨工业大学研发的微型机焊接缺陷自动检测系统，可以实现X射线底片自动化识别分析，但实际应用范围存在很大的局限性。同时，相关单位对焊接缺陷算法研究中，涌现出很多新式算法，自动化识别质量大大提升。甘肃工业大学建立的焊缝X射线探伤实时成像自动评片系统，主要是在以往的X射线实时成像系统基础上，进一步整合模式识别、缺陷分割、图像处理以及图像数据库等先进技术，形成了较为可靠的自动平片系统。该系统优势鲜明，可以实现X射线实时成像，获取探伤图像，缺陷检测和识别以及自动评片等，并依据收集的相关数据信息，自动化生成探伤报告。基于此种方式，可以实现焊接缺陷检测全过程自动化。

4 结论

综上所述，蒸汽过热炉是石油化工生产的重要装置，运行稳定直接关乎到工业生产效率和效益。在蒸汽过热炉微合金炉管焊接中，需要收集相关数据信息选择最佳的焊接工艺，依据炉管材质和装置运行环境选择最佳的焊接材料，并对焊接全过程严格把控，以便于及时发现和解决焊接缺陷，促进焊接工艺水平发展，为后续关联工作开展提供支持。