废热锅炉中Cr20Ni32管道焊接技术

何志军 尹学明 王洪志

（1.辽阳石化分公司设备检修部 辽宁辽阳 2.辽阳石油化纤工程有限公司 辽宁辽阳）（3.中国石油管道公司沈阳龙昌管道检测中心 沈阳）

一、基本情况

公司炼油厂加氢裂化装置所用废热锅炉维修，需要将废热锅炉与转化炉之间的连接管再焊接。焊接部位管外径426 mm，管壁厚度36 mm，材料为Cr20Ni32钢的进口管，该管材用钢的成分 C≤0.12，Si≤1.5，Mn≤2，P≤0.035，S≤0.03，Cr19%～22%，Ni31%～33%。焊接部位见图1。

主要焊接难点：（1）旧管和新废热锅炉焊接易产生热裂纹和晶间腐蚀。（2）废热锅炉的大小头和旧管的厚度、直径不一致，易产生错边、未熔合、未焊透等缺陷。（3）管壁厚，焊条药皮不易浮出焊接熔池，易产生夹渣缺陷。（4）氩弧焊打底焊接，内部充氩困难，焊缝质量难以保障。

图1 焊接位置简图

二、Cr20Ni32钢焊接特点分析

Cr20Ni32钢的焊接接头可能发生热裂纹和气孔，易受到残余应力及温度的影响。在热影响区焊接接头发生了铬的碳化物沉淀，从而降低耐蚀性或耐热性，并且在接头内有较大的残余应力。在铁素体含量较高时，在350～500℃温度区长时间停留，易出现475℃脆性。σ相析出脆化，降低金属的塑性和韧性，产生晶间腐蚀。

1.焊接接头的耐蚀性

（1）焊缝的晶间腐蚀。Cr20Ni32钢在多层焊缝的前层，焊缝热影响区达到敏化温度的区域在晶界上容易析出铬的碳化物，形成贫铬的晶粒边界，焊缝和热影响区将产生晶间腐蚀。防止产生焊缝晶间腐蚀，可选用含Ti和Ni的稳定奥氏体焊接材料。在焊接工艺上选用较低线能量焊接、快速冷却的焊接工艺。

（2）焊接接头的应力腐蚀破裂。影响Cr20Ni32钢焊接接头应力腐蚀的因素有焊接区的残余拉应力、焊缝铸造组织以及接头碳化物的析出等。应力腐蚀破裂均发生在接触介质的工作面，然后扩展直至断裂。防止应力腐蚀的措施有适当减少坡口角度，短段焊道施焊，采用较低的焊接线能量，合理布置焊缝的位置和焊接次序以及适当的焊后锤击焊缝等，来降低残余应力水平。

2.防止应力腐蚀的措施

（1）适当减少坡口角度，短段焊道施焊，采用较低的焊接线能量，合理布置焊缝的位置和焊接次序，以及适当的焊后锤击焊缝等，来降低残余应力水平。

（2）采取预热及直流反接焊接工艺，有利气体逸出，防止产生气孔，降低应力集中。

三、焊接工艺确定

1.焊接方法

由于奥氏体不锈钢具有优良的焊接性，所有熔焊方法都可以焊接。但从经济、实用和技术性方面考虑，最好采用手工钨极氩弧焊打底、焊条电弧焊盖面的方法，工艺规程见表1。

表1 Cr20Ni32钢氩弧焊打底电焊盖面工艺规程

（1）手工钨极氩弧焊是焊接奥氏体不锈钢较为理想的焊接方法，采用热熔纸密封外部冲充氩，因为氩气保护效果好，合金元素过渡系统系数高，焊缝成分易于控制；由于热源较集中，又有氩气的冷却作用，其焊接热影响区较窄，晶粒长大倾向小；焊后不需清渣，可以全位置焊接。

（2）焊条电弧焊热量比较集中，热影响区小，焊接变形小；能适应各种焊接位置与不同板厚工艺要求。

2.焊接材料

通常是根据不锈钢材料、工作条件（工作温度、接触介质）和焊接方法来选用焊接材料。原则是选用使焊缝金属的成分与母材相同或相近的焊接材料。焊丝焊条化学成分见表2。

（1）手工钨极氩弧焊的焊接材料是保护气体、填充焊丝、和电极。由于用惰性气体保护，焊接过程合金元素很少被烧损，填充焊丝的成分与母材相同或相近即可，所以，选取焊丝CN82。

（2）焊条电弧焊的选用焊条应选用在保证焊缝金属具有与母材化学成分大致相同，对于废热锅炉工作温度在300℃以上，应选用含有Ti或Ni稳定元素的或超低碳的焊条。所以，选取CN182焊条。

表2 焊材化学成分 %

3.焊接工艺要点

（1）焊接所需的热输入比碳钢低20%～30%。采用小电流、低电压（短弧焊）和窄焊道快速焊可使热输入减小，采用必要的急冷措施可以防止接头过热的不利影响。

（2）焊前必须对焊接区表面（坡口及其附近）作彻底的清理，清除全部污染物，用砂轮机将坡口磨成前图形状，将焊缝两侧20～30 mm范围内用丙酮擦净。

（3）弧长一般控制在2～3 mm，直线焊不作横向摆动，为的是减少熔池热量，防止铬等有利元素烧损。多层焊时层间温度不宜过高，可等到60℃以下再清理渣和飞溅物，然后再焊。

四、焊前准备

坡口经着色检验无裂纹等缺陷。将焊丝用丙酮擦干净,除去表面的水、锈、油污。焊条放在烘干箱内烘干温度达到300℃保温2 h，然后放在100℃的恒温箱内保温存放，施工现场用焊条筒装焊条，并接通电焊把线进行保温，随用随取，以免从大气中再度吸收水分，使焊缝产生气孔。

为防止产生错口，对口时将焊口均匀组对点固，沿周向点4～6点，每点长20～30 mm，工艺同打底焊一样。考虑到焊接收缩变形，组对时焊接间隙焊口底部为2.5 mm，焊口上部为3.2 mm。

五、焊接过程

1.第一层采用氩弧焊打底

首先将焊缝内部充氩气进行保护，采用手工钨极氩弧焊，直流正接。由于氩气保护作用好，氩弧的温度高、热量集中而且有氩气流的冷却作用，焊缝的热影响区和焊件变形量小，焊接时无溶渣，焊后无夹渣的缺陷，因此能获得质量良好的焊缝。氩弧焊规范见表3。

2.焊接方法

以管子的垂直中心线为准，将环形焊口分成对称的两个半圆形焊口，按照仰、立、平的焊接顺序，各进行仰焊、立焊、平焊，在仰焊及平焊处形成两个接头。由于明弧焊接易于观察熔池，熔深也容易控制。

表3 氩弧焊规范

3.操作过程

（1）在超过仰焊中心线约210°处（图2）的坡口边缘上引弧，然后移至焊缝间隙内起焊处迅速压短电弧进行施焊，在仰焊及斜仰焊位置焊接时，必须保证半打穿焊接，观察熔池保证焊透，至斜立焊及平焊位置要防止塌陷，在保证焊透的基础上，采取快速少加焊丝的方法；在平焊位置的终焊点必须超过管子的中心线约340°处。在焊接另一半时，底部接头处用砂轮机将接头磨成斜坡保证根部焊透。为了减少焊接应力和防止产生热裂纹，采取的有效措施是对称施焊，（如有可能，两人同时对称焊接效果更佳）。焊完第一层后采取着色检验，检查是否有裂纹，如没有裂纹，等层间温度降到60℃以下时再焊第二层。

（2）二层及填充层采用手工电弧焊，直流反接。坡口侧壁和焊道层间的清渣对于防止夹渣的形成是非常重要的。为了便于清渣，焊接时要求焊道表面光滑，向坡口侧壁圆滑过渡。为防止焊接接头在危险敏感温度范围内（550～650℃）停留时间过长而产生晶间腐蚀，并防止接头过热而产生热裂纹，采取快速焊和多层焊的方法。焊条最好不作横向摆动，一次焊成的焊缝的宽度不宜超过焊条直径的1.5倍。多层焊每层焊缝的厚度不应＞3 mm，收弧时填满弧坑，防止产生凝固裂纹。

（3）多层焊时，每焊完一层须彻底清除熔渣，采用薄片砂轮和不锈钢钢丝刷清理焊缝表面及夹角，并对焊缝进行仔细检查，确认无缺陷，并且等到层间温度＜60℃时，再进行下一层的焊接，以减少热裂纹。

（4）为防止过热而产生晶间腐蚀，条件允许时，焊后可采取强制冷却措施。不得在焊缝外的母材上随便引弧，以免损伤焊件表面，影响耐腐蚀性能。

（5）盖面层的焊接，采用Φ4 mm的焊条，电弧压低，两边停留时间稍长一点，中间停留时间稍快一点，以获得优质的焊接接头。

图2 坡口边缘

六、结束语

焊缝经过X射线探伤检验，合格率100%无一返修，经过一个周期的生产运行，质量完全符合要求，没有出现任何焊接质量问题。