制氫轉(zhuǎn)化爐爐管焊接質(zhì)量控制策略

柴東，秦富亮(中石化第四建設(shè)有限公司，天津 300270)

0 引言

現(xiàn)階段，制氫轉(zhuǎn)化爐爐管使用較多的材料主要是HP40Nb，具有高溫蠕變斷裂強(qiáng)度和高溫韌性。爐管冶煉工藝，離心澆筑工藝，機(jī)械加工精度，焊接質(zhì)量，檢測工藝是保證轉(zhuǎn)化爐質(zhì)量的重要措施。

1 概述

本次滄州煉化檢修改造制氫轉(zhuǎn)化爐爐管更新及部分材質(zhì)升級，原設(shè)計(jì)56根，擴(kuò)能改造增加46根，共計(jì)102根，除主要材質(zhì)為HP40Nb外，上部與上法蘭相連接的一段爐管材質(zhì)為P11，與上尾管相接的加強(qiáng)接頭材質(zhì)為F11，現(xiàn)將該段爐管材質(zhì)提升為HP40Nb，相應(yīng)的將加強(qiáng)接頭材質(zhì)改為與上尾管材質(zhì)(TP321H)相一致，即F321H。下集合管更換5根，4根支管與主管的連接方式統(tǒng)一改為法蘭連接，下集合總管與轉(zhuǎn)化氣余熱鍋爐的連接方式保持不變(焊接)，材質(zhì)(16MnR)不變。

2 轉(zhuǎn)化爐管系結(jié)構(gòu)

2.1 轉(zhuǎn)化爐管系結(jié)構(gòu)

眾所周知，轉(zhuǎn)化爐結(jié)構(gòu)的核心要素是管系，管系的構(gòu)成也極為復(fù)雜，具有多樣性的特點(diǎn)，主要有上集氣管、上尾管、 轉(zhuǎn)化管、(下尾管)、下集氣支管、下集氣總管六種。下集氣總管要根據(jù)所需的需求量進(jìn)行規(guī)模的確定，按制氫的需求量多少對規(guī)模做出有效的調(diào)整，通常情況下，轉(zhuǎn)化爐管系結(jié)構(gòu)通常使用熱漿集合管和冷壁集合管兩種方式。與此同時(shí)，制氫的規(guī)規(guī)模不同，也要采取不同的措施，因此要根據(jù)具體情況進(jìn)行具體的分析。當(dāng)規(guī)模較小時(shí)，對于下尾管的設(shè)計(jì)要求較低，難度較小，且內(nèi)出口集合管膨脹量也會(huì)大大降低，針對上述情況則需要采用熱壁集合管的方式進(jìn)行。當(dāng)規(guī)模大的情況下，集合管的膨脹量則會(huì)出現(xiàn)明顯的提高，也會(huì)對下尾管的設(shè)計(jì)要求加以提高，且在此過程中也會(huì)由于熱應(yīng)力的因素導(dǎo)致位移問題的發(fā)生，尾管問題的斷裂現(xiàn)象屢見不鮮，必須予以充分的重視[1-2]。

2.2 焊接工藝

2.2.1 加強(qiáng)管接頭與上尾管焊接

102根爐管頂部加強(qiáng)管接頭與上尾管焊接，材質(zhì)均為TP321H，規(guī)格Φ33.4×3.4 mm，焊口102道，焊接時(shí)要注意以下六點(diǎn)：(1)在組對及焊接前，要對坡口及其母材內(nèi)外表面20 mm范圍內(nèi)進(jìn)行打磨處理，盡可能的減少或者避免氧化物、油污、毛刺、熔渣等有害雜質(zhì)的產(chǎn)生，清潔后要使得金屬表面具有光澤感，同時(shí)還要保證不可出現(xiàn)裂紋或者夾層等現(xiàn)象。(2)下列環(huán)境須采取有效防護(hù)措施:①鎢極氬弧焊風(fēng)速大于2 m/s；②相對濕度≥90%；③雨、雪天氣；(3)焊絲使用前，將焊絲表面的油污、有害雜質(zhì)清理干凈；(4)在焊接完一層焊道后要保證層間的整潔性，可以采用砂輪機(jī)進(jìn)行熔渣等物質(zhì)的清潔，每一層焊道都要以相同的方式和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行作業(yè)；(5)特別需要注意的是在坡口或者母材表面不可進(jìn)行引弧和試驗(yàn)電流，最大限度的避免電弧對母材的傷害；(6)對于母材的厚度情況也要根據(jù)具體情況具體分析，科學(xué)合理的選擇填充金屬層數(shù)。

2.2.2 爐管與下集合管焊接

底部爐管TP321H與下集合管16MnR焊接，規(guī)格Φ159×8 mm，焊口102道，焊接時(shí)要注意以下七點(diǎn)：(1)組對及焊接前，清除坡口及其母材內(nèi)外表面20mm范圍內(nèi)要開展有效的清潔工作，清潔的標(biāo)準(zhǔn)為出現(xiàn)金屬光澤；(2)下列環(huán)境須采取有效防護(hù)措施：①鎢極氬弧焊風(fēng)速大于2 m/s，焊條電弧焊風(fēng)速大于8 m/s；②相對濕度≥90%；③雨、雪天氣；(3)焊接時(shí)宜采用多層多道焊，焊條擺動(dòng)幅度：不大于焊條直徑的3倍，每層焊道的厚度宜控制在3 mm范圍內(nèi)；(4)焊絲使用前，將焊絲表面的油污、有害雜質(zhì)清理干凈，在使用焊條時(shí)，必須嚴(yán)格按照相關(guān)的規(guī)則和步驟進(jìn)行使用，保證操作的嫻熟性和質(zhì)量性，與此同時(shí)，100～150 ℃的烘干恒溫箱也是重中之重。除此之外，焊工應(yīng)使用保溫筒領(lǐng)用焊條，放置時(shí)間不超過4 h；(5)每一層的焊道都要采用砂輪機(jī)進(jìn)行干凈徹底的清潔，從而為下一道工序奠定良好的基礎(chǔ)保障；(6)不得在坡口之外的母材表面引弧和試驗(yàn)電流，并防止電弧擦傷母材；(7)根據(jù)實(shí)際母材厚度情況進(jìn)行科學(xué)合理的分析，準(zhǔn)確把握金屬層數(shù)的填充。

2.2.3 下集合總管與余熱鍋爐焊接

下集合總管(16 MnR)與余熱鍋爐(15C rMoR)焊接，規(guī)格Φ960×30 mm，焊口1道，焊接時(shí)要注意以下七點(diǎn)：(1)組對及焊接前，清除坡口及其母材內(nèi)外表面20 mm范圍內(nèi)的氧化物、油污、毛刺、熔渣等有害雜質(zhì)，直至露出金屬光澤，不得有裂紋、夾層等缺陷；(2)下列環(huán)境須采取有效防護(hù)措施：①鎢極氬弧焊風(fēng)速大于2 m/s，焊條電弧焊風(fēng)速大于8 m/s；②相對濕度≥90%；③雨、雪天氣；(3)焊接時(shí)宜采用多層多道焊，焊條擺動(dòng)幅度:不大于焊條直徑的3倍，每層焊道的厚度宜控制在3 mm范圍內(nèi)；(4)焊絲使用前，將焊絲表面的油污、有害雜質(zhì)清理干凈，焊條使用的過程中，工作人員必須確保使用流程的準(zhǔn)確性，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行烘干，恒溫箱的溫度應(yīng)控制在100～150 ℃之間。焊工應(yīng)使用保溫筒領(lǐng)用焊條，放置時(shí)間不超過4 h；(5)每焊接完一層焊道都必須用砂輪機(jī)將層間的熔渣清理干凈，為下一步的工作的順利進(jìn)行提供保障；(6)不得在坡口之外的母材表面引弧和試驗(yàn)電流，并防止電弧擦傷母材；(7)根據(jù)實(shí)際母材厚度情況選擇填充金屬層數(shù)。

3 焊接質(zhì)量控制

3.1 焊接參數(shù)選擇

焊接質(zhì)量的控制與焊接參數(shù)的選擇有著密切的聯(lián)系，因此在焊接工作之前就要做好焊接參數(shù)選擇的準(zhǔn)備工作，嚴(yán)格按照相關(guān)的要求，同時(shí)結(jié)合實(shí)際的情況和當(dāng)前的需求對氬弧焊進(jìn)行科學(xué)合理的把控[3]。(1)加強(qiáng)管接頭與上尾管焊接焊材選用H0Cr20Ni10Ti規(guī)格2.5 mm，焊接方法GTAW，正面及背面保護(hù)氣體種類及流量(L/min)99.99%Ar/10～12，層/道間溫度(℃)≤100 ℃。焊接電流90～120 A，電弧電壓 15～20(V)，焊接速度5～8(cm/min)；(2)爐管與下集合管焊接焊材選用ERNiCr-3/ENiCrFe-3規(guī)格2.5/3.2 mm，焊接方法GTAW/SMAW，正面及背面保護(hù)氣體種類及流量(L/min)99.99% Ar/10～12，層/道間溫度(℃)≤100 ℃。焊接電流90～110/90～120 A，電弧電壓 12～18/18～25 V，焊接速度(cm/min)6～10/10～24；(3)下集合總管與余熱鍋爐焊接焊材選用ER55-B2/E8018-B2(R308)規(guī)格2.5/3.2mm，焊接方法GTAW/SMAW，正面及背面保護(hù)氣體種類及流量(L/min)99.99%Ar/10～12，預(yù)熱溫度≥200 ℃層/道間溫度(℃)≥200 ℃。焊接電流80～120/90～150 A，電弧電壓 12～14/20～30 V，焊接速度6～10/6～12 cm/min，熱處理溫度650～700 ℃，恒溫時(shí)間≥1.5 h，自由升溫至300 ℃后，加熱速度按照5125/T(℃/h)計(jì)算，且不大于220 ℃/h，冷卻速度按照6 500/T(℃/h)計(jì)算，且不大于260 ℃/h，冷卻至300 ℃后自然冷卻。

3.2 施工應(yīng)具備的條件及施工準(zhǔn)備

首先，施工前要對方案進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)，做好一系列的施工準(zhǔn)備工作，圖紙匯審和設(shè)計(jì)交底工作必須落實(shí)到位。施工人員需要進(jìn)一步加強(qiáng)對工作的執(zhí)行力度，加強(qiáng)對圖紙的領(lǐng)悟能力，嚴(yán)格按照圖紙和施工規(guī)范進(jìn)行作業(yè)，科學(xué)合理的把控施工的進(jìn)度和質(zhì)量，促進(jìn)施工技術(shù)的進(jìn)步。其次，管理者要加強(qiáng)自身的責(zé)任意識(shí)，提高各個(gè)工序的安全性，且要進(jìn)一步加強(qiáng)和落實(shí)焊接工藝評定的實(shí)施，加強(qiáng)對作業(yè)人員的管理。與此同時(shí)，對于焊工的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)也需要進(jìn)一步提高和明確，這將關(guān)系到整個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量和效率。例如重視特殊工種人員是否持有相關(guān)操作證書，亦或者利用考核制度進(jìn)行擇優(yōu)選擇，只有這樣才能夠更好地確保質(zhì)量問題得到解決。最后，要重視材料問題，使用焊材一方面要符合施工方案及規(guī)范要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，要滿足爐管焊接工藝評定的需要，也需要對所使用的焊材進(jìn)行復(fù)驗(yàn)和檢查，并做好相關(guān)的資料報(bào)驗(yàn)。

3.3 焊接措施

焊接的過程中所采取的措施也對焊接質(zhì)量的控制有著極大的影響，因此要做好總結(jié)。做好各個(gè)環(huán)節(jié)的工作以及加強(qiáng)突發(fā)對應(yīng)的措施方案，坡口清洗以及PT檢測是大部分焊接工作中所忽略的一個(gè)重點(diǎn)問題。與此同時(shí)也要加強(qiáng)焊接口的檢查，避免管內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，并采取相應(yīng)的防氧化措施。組隊(duì)的間隙要嚴(yán)格按照圖樣要求進(jìn)行操作，最大程度地避免錯(cuò)口的問題。

焊接的過程需要一定的專業(yè)性，要求工作人員在專業(yè)技能和感官認(rèn)知上加以提高。若在焊接過程中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，必須第一時(shí)間內(nèi)處理，若質(zhì)量問題嚴(yán)重的情況下，必須進(jìn)行返修。返修的過程中，檢查和記錄工作是必不可少的，并將焊接的表面進(jìn)行深度的清理，保證焊接表面的平整性和整潔性。與此同時(shí)，X射線檢測返銹次數(shù)在原則上小于等于兩次。在一系列檢查工作完成后，則需進(jìn)行打底焊的工作流程，在此過程中，電流的大小也對焊接的質(zhì)量有著極為重要的影響因素，將電流控制在90～105 A范圍內(nèi)取得的焊接效果最為理想。若電流過大，焊接在治療以及就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的問題，從而導(dǎo)致凹形較深，弱電流過小，不僅在速度上有著較大的弊端，也不利于焊接質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)性，容易導(dǎo)致未焊透的現(xiàn)象發(fā)生。

3.3.1 組對及定位焊

通過采用v形坡口并合理控制坡口的角度，與此同時(shí)要加強(qiáng)坡口表面的PT檢驗(yàn)，檢驗(yàn)通過后才能進(jìn)行組對。在組對過程中，首先要將坡口的表面進(jìn)行充分的打磨，在此過程中要注意方式和方法的把控，可以選擇采用砂輪的方式，其范圍要控制在20 mm內(nèi)，出現(xiàn)金屬光澤即可。其次，可以選擇采用搭橋式的方式，通過兩點(diǎn)定位實(shí)施定位焊，在焊接結(jié)束后要注意去除焊點(diǎn)，這點(diǎn)是至關(guān)重要的，除此之外，需要特別注意的是在焊前需要將焊口封好，并進(jìn)行沖氬。