浅谈导热油炉油管与管板焊接

【摘要】：导热油炉因炉体材质为Q235B，内外层炉管的设计材质12Cr2MoG，炉管管板材质有12Cr2Mo1，探讨不同材质部位焊接工艺参数及焊接技术分析。

【关键词】：导热油管管板12Cr2MoG12Cr2Mo1焊接工艺

中图分类号：P755.1文献标识码： A 文章编号：

概述

我公司于河南顺成集团施工的8万吨/年粗苯加氢精制项目已投运近两年时间，近日出现了炉区工段导热油炉工作压力不稳的问题，经设备厂家检查判断为内部导热油管道可能发生了泄露，急需更换管道，否则继续使用将会发生爆炸的严重事故，业主经与我方商讨，在不影响正常生产的情况下需紧急停车一天将管道更换完毕。此项工作涉及到炉膛内部油管道的拆装与管道管板间的焊接工作。

导热油炉各项设计参数

炉体设计材质为Q235B，内、外、中层炉管的设计材质为12Cr2MoG，集箱与弯头设计材质为12Cr2MoG，炉管管板材质为12Cr2Mo1。

经现场对导热油炉炉膛切割后检查，导热油管由于腐蚀情况严重发生了裂纹，尤其是管弯头部位应力大，管弯头部位及管板已经开裂，需将断裂部位切割更换新的管道及弯头。对炉体管道管板材质进行了解后，焊接前对材质性能进行分析后更好控制焊接过程。

312Cr2MoG与12Cr2Mo1性能简介

3.1化学成分及力学性能

12Cr2MoG和12Cr2Mo1钢合金元素的总质量分数均为3﹪~5﹪，属于低合金耐热钢。12Cr2MoG钢的化学成分见表1，其抗拉强度Rm=420MPa，下屈服强度ReL=340MPa，50mm最小伸长率32﹪，断面收缩率71﹪,433℃时的下屈服强度ReL=220MPa。12Cr2Mo1钢的化学成分见表2，其抗拉强度Rm=510~680MPa，下屈服强度ReL≥310MPa，断后伸长率A ≥18﹪，室温断面收缩率Z≥45﹪，-18℃夏比冲击功（V型缺口）3个试样平均值不小于55J（其中1个试样Akv≥48J），高温下屈服强度RteL≥235MPa，硬度136~201HB。

表112Cr2MoG换热管化学成分（质量分数）

合金元素Cr能够形成致密的氧化膜，提高钢的抗氧化性，而钢的抗蠕变强度则随含Cr量的增加而降低。Mo是耐热钢中的强化元素，其形成碳化物的能力比元素Cr的弱，优先溶入固溶体，强化固溶体。Mo的熔点高达2625℃，固溶后可提高钢的在结晶温度，并有效的提高钢的高温强度和抗蠕变能力。12Cr2MoG和12Cr2Mo1钢采用了固溶强化、稳定碳化物相以及晶界强化等多种强化手段，使钢具有高的热强性。经过正火加回火处理后，两种钢的组织为贝氏体，具有良好的综合力学性能、工艺性能和相当高的持久强度，抗氧化性能好，组织稳定性好。

3.2焊接性

12Cr2MoG与12Cr2Mo1钢均属于低合金耐热钢，具有以下特点：①这些钢按其含合金量的不同具有不同程度淬硬倾向。在焊接热循环决定的冷却速度下，焊缝金属和热影响区内可能形成对冷裂纹敏感的显微组织。②耐热钢中含有Cr、Mo、V、Nb和Ti等强碳化形成元素，从而使焊接接头的过热区具有不同程度的再热裂纹（亦称消除应力裂纹）敏感性。③当有害的残余元素总量超过允许极限时，耐热钢的焊接接头会出现回火脆性或长时脆变。因此，12Cr2MoG与12Cr2Mo1钢焊接中存在的主要问题是冷裂纹，热影响区的硬化、软化以及焊后热处理或高温长期使用中的消除应力裂纹（SR裂纹）。如果焊接材料选择不当，焊缝中还有可能产生热裂纹。钢的淬硬性取决于含碳量、合金成分及其质量分数。低合金耐热钢中的主要合金元素Cr和Mo等都能显著地提高钢的淬硬性。其作用机理是延迟了钢在冷却过程中的转变，从而提高了过冷奥氏体的稳定性，对于成分一定的合金钢，其最高淬硬性则取决于奥氏体的冷却速度。如果焊接热输入过小，热影响区易出现淬硬组织，热影响区晶粒会明显粗化。淬硬性大的12Cr2MoG与12Cr2Mo1钢焊接中可能出现冷裂纹，裂纹倾向一般随着钢中Cr、Mo质量分数的提高而增大。实际焊接中，正确选定预热温度和焊后回火温度对防止冷裂纹是非常重要的。12Cr2MoG与12Cr2Mo1钢焊接接头的再热裂纹（亦称消除应力裂纹）主要取决于钢中碳化物形成元素的特性及其质量分数以及焊接热规范。通常以裂纹指数PSR来粗略地表征某一种钢的再热裂纹敏感性。

PSR可取钢的实际合金成分的质量分数按下式计算：

PSR=w（Cr）+w（Cu）+2w（Mo）+10w（V）+7w（Nb）+5w（Ti）—2

当PSR≥0时就有可能产生再热裂纹。但在实际的结构中，再热裂纹的形成还与焊接热规范、接头的拘束应力以及热处理的制度有关。经计算，12Cr2MoG与12Cr2Mo1钢的PSR≥0，因此，其具有较大的再热裂纹敏感性，需要采取一定的措施来防止再热裂纹。采取的主要措施有以下几种。

⑴严格控制母材和焊材中加剧再热裂纹的合金成分，应在保证刚才热强性的前提下，将V、Ti、Nb等合金元素的质量分数控制在最低的允许范围内。

⑵选用高温塑性由于母材的焊接填充材料。

⑶适当提高预热温度和层间温度。

⑷采用低热输入焊接方法和工艺，以缩小焊接接头过热区的宽度，控制晶粒长大。

⑸选择合理的热处理规范，尽量缩短在敏感温度区间的保温时间。

⑹合理设计接头的形式，以降低接头的拘束度。

3.3回火脆性（长时脆变）

12Cr2MoG与12Cr2Mo1钢及其焊接接头在370~565℃长期运行过程中发生渐变的脆变现象称为回火脆性或长时脆变，产生这种脆变的主要原因是由于在回火温度范围内长期加热后，钢中的微量元素P、As、Sb和Sn延晶界的扩散偏析而引起的晶界脆化。其综合影响可以脆变指数X来表征。对于焊缝金属，可按下式计算：X=[10w（P）+5w（Sb）+4w（Sn）+w（As）]/100（×10-6）

X不应超过20。对于母材，还应当考虑Si、Mn等元素的影响，并且引用J指数来评定钢材的回火脆性。J=[ w（Mn）+w（Si）]×[ w（P）+w（Sn）]×104

如J指数超过150，则说明该种钢具有明显的回火脆性。

经过计算，12Cr2MoG与12Cr2Mo1耐热钢的X＞20，J＞150，说明其具有明显的回火脆性。减少12Cr2MoG与12Cr2Mo1耐热钢的焊缝金属回火脆性倾向最有效的措施是降低焊缝金属中的O、Si和P的质量分数。

4 焊接工艺

12Cr2Mo1管板与12Cr2MoG换热管的焊接工艺试验包括焊接方法的焊接、焊接材料的选用、焊前准备、焊前预热和焊后热处理以及焊接工艺参数的选定。

4.1焊接方法

钨极氩弧焊具有热量集中、保护效果好、熔池体积易于控制以及焊缝和近缝区均不易过热的特点，可有效地防止热裂纹和渗透裂纹。因此，本试验12Cr2Mo1Ⅳ管板与12Cr2MoG换热管之间采用钨极氩弧焊焊接。

4.2焊接设备

本加热管对管板焊接时采用的设备是逆变式WS-400手工TIG焊机

4.3焊接材料

焊接材料的选配原则是焊缝金属的合金成分与强度性能基本符合母材标准规定的下限值或应达到产品技术条件规定的最低性能标准。根据换热管与管板的化学成分及力学性能，考虑母材与焊材的匹配，选用ER90S-B3焊丝，规格为φ2.5mm×1000mm。该焊丝熔敷金属的化学成分见表3，室温抗拉强度Rm=660MPa，下屈服强度ReL=595MPa，50mm最小伸长率为20﹪,433℃高温下屈服强度ReL=308MPa。

表3焊丝ER90S-B3化学成分（质量分数） ﹪

4.4焊接工艺参数

为了获得优良的力学性能，根据管板孔的坡口形式，换热管与管板手工TIG焊采用4层的焊接方式，第一层采用自熔TIG焊，焊接电流100~110A。电源极性为直流正接。确定电弧电压实际实际就是控制电弧的长度，由于氩弧焊机没有电压控制钮，应尽量使电弧短一些，电弧电压控制在10~12V。

焊接速度影响焊接热输入，也影响熔深与熔宽。通常根据母材厚度来选择焊接速度。换热管与管板的焊接，以换热管的壁厚为准，试验用换热管厚度为2.77mm，焊接速度为10~12m/h。采用纯度99.97﹪的氩气作为保护气体，喷嘴孔径以及氩气体积流量通常根据电流的种类、大小和极性来选择，这里第一焊层的氩气体积流量为5L/min，第2~第4焊层氩气体积流量7L/min。经过焊接工艺评定和生产现场应用确定出的焊接工艺参数见表4。

表4焊接工艺参数

5 焊接

5.1焊前准备

用不锈钢丝刷将待焊管头部位的表面及附近清理干净至出现金属光泽，然后用丙酮液清洗干净，确保管头焊接部位无油污、杂质。换热管与管板焊接接头型式见图1。

图1

5.2焊前预热

焊接前须进行预热，预热采用履带式电热带在管板侧面缠绕、正面摆放，侧面、正面外侧用陶纤毡包裹，预热温度200~250℃。焊接时用热电偶配合手持式测温仪测量管板正面预热温度，合格后方可焊接。

5.3焊接操作要点

为了便于观察熔池及填加焊丝，焊接时应保证焊枪与管板的夹角为10°~20°，焊丝与换热管的夹角70°~80°。第1层自熔，第2~第4层采用填丝焊接。第1层焊接完毕质检员用放大镜逐个对管头进行检查，合格后方可继续焊接。

5.4检验

焊接完成后，对焊接接头进行100﹪渗透检测，管头应无熔损、气孔、裂纹，Ⅰ级合格。将焊接工艺评定用试件沿换热管中心线切开2个焊接接头，每个焊接接头的两个剖面成90°，用10倍放大镜对其中4个剖面的8个观察面进行宏观检查，一个取自焊接收弧部分剖面，管头未发现熔伤、气孔、裂纹及未融合等缺陷。所有受检查剖面角接接头不小于6mm

5.5焊后消除应力热处理

换热管与管板的焊接合格后，采用履带式电热带在管板侧面缠绕、正面摆放，侧面、正面外侧用陶纤毡包裹对管板管头焊缝热处理，热处理规范为（690±14）℃，保温2h。

按照以上焊接工艺我们将管道及管板进行了焊接，并进行了检验，焊接外观检查符合规范要求，经过耐压试验和气密性检查，导热油炉炉管各项指标均满足要求，证明了按照焊接工艺的可行性。24小时后，导热油炉投入了使用，运行平稳，完全满足使用要求。

附录：

1.GB150-1998，钢制压力容器

2.国家质量监督检验检疫总局，固定式压力容器安全技术监察规程

3.JB4726-2000，压力容器用碳素钢和低合金钢锻件

4.JB/T4730.1-4730.6-2005，承压设备无损检测

参考文献：

[1]压力容器适用技术丛书编写委员会. 压力容器制造和修理[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

[2]蒋跃宁. 在用钢制球形液态烃储罐开裂原因分析及修复[J]. 石油化工设备，2009.