辐射集合管拔口处异种铬钼钢的焊接和热处理技术

黄峰

(中化泉州石化有限公司 福建 泉州 362103）

1 概述

图1 炉管与集合管连接示意图

某连续重整装置反应进料加热炉为箱式炉，每台箱式炉设有独立的辐射室炉膛，每个炉膛内布置“倒U”型管排，在辐射炉底通过进口、出口集合管与反应器的转油线相连。辐射炉管材质为ASTMA335 P9，规格为Φ141.3×6.55mm；集合管材质为ASTM A691 1.25Cr-0.5Mo，主管规格为Φ1270×28mm；与炉管连接位置为热拔口形式的管嘴，凸出高度40mm，相邻两个管嘴接口中心间距254mm。

图2 集合管拔口的管嘴示意图

2 施工特点分析

P9和1.25Cr-0.5Mo分别是中、低合金铬钼钢，材料的淬硬性高，且化学成分不一致，易产生冷裂纹和再热裂纹，但对裂纹的敏感性不一致；焊接和热处理工序复杂，对预热、层间温度、后热、热处理和无损检测都有较高要求；拔口位置壁厚变化大，且存在制造偏差，炉管与拔口处对接难度大；现场焊接位置在集合管的拔口处，且炉管之间的焊接空间狭小，需要对焊工进行侧方障碍焊考核；热处理难度大，对接焊口位置距离主管近，电加热带在焊口处不便缠绕紧密；集合管的内部空间大，易产生穿堂风，需要加大热处理的保温范围和加固措施。

针对以上的特点，首先是按照设计文件和规范要求指导现场施工作业，其次要根据作业特点，在满足质量要求的情况下，制定更加合理的措施，确保施工的本质质量。

3 焊接性能分析

3.1 材料特点分析

加热炉辐射炉管的集合管操作温度高，采用合金耐热钢在高温下有较好的化学稳定性和足够的强度。P9和1.25Cr-0.5Mo材质都属于珠光体耐热钢，主要是Cr、Mo合金元素，以及其他微量元素。由于材料中的碳元素和Cr、Mo等合金元素共同作用，在焊接时容易形成淬硬组织，焊接时还易产生冷裂纹和再热裂纹，可焊接性差。对焊材和焊接工艺的确定，焊接和热处理过程要加强管控，严格预热、层间温度控制，焊接完成后及时进行后热或热处理等关键环节，在热处理完成后24小时进行100%的RT和PT检测，硬度检测。

3.2 焊材选择和焊接工艺

对于P9和1.25Cr0.5Mo这两种材料的成分差别大、裂纹敏感性不同，按照就低不就高的原则，确定焊材和焊接工艺。焊接采用氩弧焊打底，电焊盖面；焊接材料选择：焊丝CHG-55B2R，焊条E8016-B2。

表1 材料的主要合金化学成分表（%）

焊接前，做好焊接环境的确认和工机具准备；检查坡口，清理表面油污、铁锈等，并进行100%的PT检测。焊接过程，应采取小电流、多层多道焊，不摆动或小幅度摆动焊条。在打底焊接时，尤其要做好充氩保护，防止由于熔池流动性差导致未焊透，或者在高温下氧化而影响焊接质量。

表2 焊接工艺参数表

3.3 焊工考核要求

由于拔口位置空间狭窄，且炉管之间距离小，对于从事本次焊接的焊工除按照规范要求取得相应的GTAW+SMAW-6G/F3J的焊接项资质，还应在现场进行侧方障碍焊接的考核，经考核合格方可上岗。

3.4 焊口壁厚处理和组对

由于集合管与辐射管对接的管嘴采用热拔工艺制造，管嘴从内到外的壁厚逐渐减薄。在焊口组对前，应对管嘴的外径尺寸、壁厚进行测量，对于偏差大于1mm的管嘴应进行壁厚、坡口修磨，并采取过渡措施，以保证两边焊口壁厚尽量相同。修磨后的坡口进行100%PT检测。

为减少组对应力，组对前，应先确定进出口集合管的轴线位置、平行度和间距符合图纸要求。辐射炉管的U型弯与直管已焊接完成，现场组对时应将两个直管与集合管的管嘴同时进行组对；对于炉管的管口和集合管管嘴，应进行尺寸的比对，确保两者的圆度、壁厚偏差基本一致。

图3 炉管与集合管管嘴对口示意图

3.5 焊接的防护措施

针对集合管管径大，不能整体充氩保护，可以采取局部充氩方式进行打底焊接的保护，保护措施可以与预热和热处理的防护措施同时考虑。具体实施方法如下：在焊口组对前，在炉管侧内部填充入稍大于管内径的圆筒型硅酸铝保温材料，并保证于管壁的紧密贴合；在集合管侧，制作与集合管内径相当的硅酸铝保温圆筒，长度以800mm为宜，可以将与需要焊接的焊口及相邻两个管嘴内部的集合管全部填满。炉管与集合管内的保温棉，可以作为充氩保护的密封层，还可以作为预热和热处理时的保温层，确保热量不流失，也防止穿堂风。

图4 炉管和集合管管嘴使用可溶纸密封充氩示意图

集合管内部的穿堂风是影响焊接的主要因素，一是对集合管焊接的外部大环境采用苫布进行全覆盖，形成局部封闭的小环境；其次，在集合管焊口贴好可溶纸后，再增加背部保温棉防护，减少热量损失和透风；第三，检查集合管上其他未焊接的管嘴用塑料盖封堵，与转油线的接口在焊接时封堵严密。

3.6 焊接顺序

考虑到炉管间的焊接空间小，相邻炉管之间焊接位置受限，因此在组对时应从一侧依次向另一侧进行，确保焊口一侧的自由焊接空间，也便于焊接质量的检查。在焊接时，宜从中间位置开始起弧，向受限侧方向焊接，收弧位置离开受限面。焊丝和焊条可以弯曲后伸入到受限面进行焊接，弯曲时注意保护药皮不能脱落。

4 热处理工艺分析

热处理包括预热、后热、焊后热处理的三个程序。

4.1 焊口的预热

预热的目的是为了提高焊口区域母材的表面温度，以减小焊材与焊缝、热影响区的温差，降低焊接接头的冷却速度，减少温差造成的焊接应力和组织淬硬，是预防产生冷裂纹的有效措施。规范要求宜采用电加热对焊口表面进行预热，但由于该位置在集合管拔口处一侧不便于电加热绳的缠绕，采用常规的电加热进行预热反而不能达到很好的效果。在工程中，经过实践检验，采用火焰加热能达到更好的预热效果。

采用火焰加热的范围以焊口为中心、向两侧不小于100mm为加热区，坡口两侧均匀进行，防止局部过热；加热区外做好保温，集合管做好防护；加热时间应适当延长，在距对口中心50～100mm范围内用红外线测温仪进行测量。预热温度按照合金成分较高的P9炉管侧材质确定，同时也考虑集合管侧面积大，容易散热，预热温度为330～350℃。

4.2 焊口的后热

焊接应一次连续完成，焊接期间的层间温度不低于预热温度。焊接过程因故中断或焊接完成后，不能立即进行焊后热处理的，应立即进行后热处理。后热温度为330～350℃、时间为30分钟，然后采用保温缓冷至室温。对于中断焊接的焊口再次开始焊接时，应先对焊缝进行PT检测，确认无缺陷后按照原焊接工艺开始焊接。

4.3 焊口的焊后热处理

4.3.1 焊后热处理温度的确定

规范要求P 9材质的焊后热处理温度是750～780℃，1.25Cr-0.5Mo材质的焊后热处理温度是700～750℃。在进行第一次的焊接工艺评定时，对于这两种材料焊接接头的热处理温度为750℃，时间1个小时，检测结果符合要求。

根据该参数，在现场对焊口进行热处理，但热处理后对焊口进行硬度检测，满足不了规范要求，经过原因分析，认为750℃是兼顾P9材质的要求下限和1.25Cr0.5Mo材质的要求上限，这个温度在试验室环境对焊口进行热处理，可以满足规范的需求。但现场环境复杂，且炉管与集合管管嘴接口位置特殊，易散热，保温难度大，存在壁厚不均匀的问题，应适当的提高热处理温度。

在现场适当提高焊后热处理温度和时间（恒温温度为765℃±10℃，1.5个小时），热处理后24小进行RT检测和硬度检测，结果符合规范要求。对照这个热处理参数，再次进行焊接工艺评定，其他参数不变，经过评定检验，焊接接头的各项性能指标符合要求。

表3 热处理工艺参数表

4.3.2 热处理操作要求

热处理加热方法采用使用10Kw或5Kw的绳式加热器进行加热，加热范围应为以焊缝中心为基准、两侧各不小于100mm的区域，加热区以外的300mm范围应予以保温，特别是集合管内部做好严格封闭，防止穿堂风。测温点应设置在加热区内布置三点（P9炉管侧放1个，集合管面对称位置各布置1个），热电偶焊接固定在热影响区，热处理完成后打磨干净，并进行PT检测。在加热过程中，应保证均匀加热，恒温时加热区内任意两点温度差低于10℃，且不超过热处理的温度范围。热处理完成后，在原始曲线上标明热处理的时间、管线号、焊口号、规格、材质及工号，做好操作记录。检查热处理自动记录曲线，热处理曲线应连续，无异常断点。

热处理后进行硬度检测：在同一截面上的焊缝、热影响区及母材上各取一点测定硬度值，每道口应至少取3处截面位置，以平均值为准；焊缝及热影响区所测硬度值应符合，对于P9材料HB≤241为合格，对于1.25Cr-0.5Mo材料HB≤225为合格。

5 结束语

对于辐射集合管拔口处狭小空间下，集合管与辐射管异种铬钼钢的焊接和热处理虽然有其他文章研究过相似的内容，但是，通过本次工程，我们对于该位置处的具体焊接工艺确定和焊材选用，焊工考核，焊接充氩保护，焊口预热方案，焊后热处理温度和时间等关键内容都做出了新的实践，并经过了工程检测和装置运行的实际检验，取得了良好的效果，也为同类装置施工提供了很好的借鉴。