采用异种钢焊接工艺修复合成氨中置式废热锅炉
责任编辑：chineselng 浏览：2448次 时间： 2008-04-05 21:29:21
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摘要:孙 斌 陈兆兵 孟新东 胡育华 胡祖汉 张限莲(湖南金信化工有限责任公司设计院) 摘要：10MoWVNb材质的中置废热锅炉的现场焊接修复,采用了异种钢焊接工艺,即部分0Cr18Ni9Ti材料与原10MoWVNb材料焊接,并采取了特别的焊接工艺,修复取得了成功。它避免了采用抗腐0..
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孙 斌 陈兆兵 孟新东 胡育华 胡祖汉 张限莲 (湖南金信化工有限责任公司设计院) 摘要：10MoWVNb材质的中置废热锅炉的现场焊接修复,采用了异种钢焊接工艺,即部分0Cr18Ni9Ti材料与原10MoWVNb材料焊接,并采取了特别的焊接工艺,修复取得了成功。它避免了采用抗腐06焊条焊接修复时,需要较苛刻的焊前、焊后热处理工艺措施等困难,为10MoWVNb耐热抗氢设备的现场检修提供了借鉴。 关键词：废热锅炉 修复 珠光体耐热钢 奥氏体不锈钢 焊接工艺 换热器 1 问题的提出 我公司现年产合成氨18万t。为回收氨合成反应热,降低合成氨综合能耗,公司在Φ1000氨合成塔的一次出口与二次进口之间设置了DN1800mm×7000mm、F=100m2的废热回收器(又称中置式废热锅炉),吸收氨合成的反应热,吨氨副产2 5MPa的饱和蒸汽0 7t左右,年创经济效益125万元以上。中置锅炉投入生产系统正常运行后,近年来发现该中置锅炉管束部件(见图1)的换热管(弯管)与上联箱的角焊缝处多处严重泄漏。停车检查发现,在上联箱与弯管的角焊缝上存在横向裂纹,裂纹起源于焊趾A终止于焊趾B(见图2)。肉眼可见的裂纹就有几十处,高温、高压气体从裂缝中冲出来,说明裂纹已贯穿整个焊缝。该中置锅炉是合成氨生产系统中的重要节能设备,因此必须尽快焊接修复,以投入系统生产。 中置锅炉的管束部件中,联箱规格为Φ240×60,换热管规格为Φ24×6,由于它们 z长期在高温(T=360℃)、高压(P=31 4PMa)和临氢条件(联箱和换热管内的介质为H2、N2、NH3、CH4、Ar等)下工作,即符合高温高压氢腐蚀或高温高压氢氮氨腐蚀的工艺介质条件,因此换热管和联箱的材料设计时选用了我国自主开发的特种抗氢腐蚀用珠光体耐热钢———10MoWVNb。按照通常的修复原则,只要将10MoWVNb材质的联箱上产生裂纹部位的焊缝清除,换上一节新的10MoWVNb换热管弯管,重新焊接就可以了。可正是因为这种特殊的钢材,给中置锅炉的现场焊接修复提出了难题。 10MoWVNb这种珠光体耐热钢由于含碳及合金元素较多,焊接时在焊缝及热影响区容易出现淬硬组织,为了保证焊接接头的使用性能,除选择合适的焊接材料外,还必须采取预热(250～300℃)、保温、缓冷、焊后高温回火(730～750℃)等焊接工艺措施,以改善焊缝组织、降低焊接残余应力、保持接头低氢状态。根据我公司的咨询了解,10MoWVNb的焊接材料为抗腐06焊条,全国仅有上海某公司生产,因制造厂工艺改进,大多采用不锈钢材料,因此需要量很少,故无现货供应;如果需这种焊材，必须满足足够的购货量要求才愿意生产；而我公司中置锅炉的修接修复，焊材需求量远低于供应商的定货要求。更为严重的是，10MOWVNb材料的现场焊接修复,热处处理难度大，只有使用某高校的专有技术进行高温回火，才能达到工艺要求。不难看出,该中置锅炉的修接修复采用同材质的10MOWVNb焊接修复方案不符合经济性要求,因而不得不舍弃。 为了避免上述的现场热处理和焊材供应的困难,经过充分的调查和研究,我们采用了珠光体+奥氏体钢异种钢焊接修复中置锅炉的方案,即:①将10MoWVNb材质的上联箱上的所有角焊缝清除;②从图1所示的A-A处至上联箱的弯管切除,并分别以新的同规格的0Cr18Ni9Ti弯管替换;③将0Cr18Ni9Ti弯管分别与原10MoWVNb材质的换热管和上联箱焊接。 2 中置锅炉修复焊接工艺/ 2 1 可焊性分析 采用0Cr18Ni9Ti材料的奥氏体不锈钢弯管与原10MoWVNb材质的珠光体钢换热管和上联箱焊接的方案,可以不进行现场热处理,其焊接材料采购也很方便。但是这种异种钢的焊接,其可焊性也是较差的,主要存在的问题分析如下: (1)10MoWVNb珠光体钢母材对焊缝的稀释。珠光体钢与奥氏体钢焊接时,焊缝金属是由两种不同类型的母材以及填充金属熔合而成的。由于珠光体钢母材合金元素含量较低,它对整个焊缝金属的合金成分具有稀释作用,使焊缝的奥氏体形成元素含量不足,结果焊缝可能出现马氏体组织,从而恶化接头质量,甚至可能引起裂纹。 (2)10MoWVNb母材在熔合区形成碳扩散层。在焊接过程中,特别是该焊接接头长期处于高温运行的工况,10MoWVNb内含量较高的碳,容易从母材一侧通过熔合线向奥氏体焊缝扩散。结果在靠近熔合线的珠光体钢母材上,形成了铁素体脱碳层而软化,在奥氏体焊缝一侧,则形成了高硬度的增碳层。这样将引起接头的应力集中,从而降低接头高温持久强度和塑性,使接头可能沿熔合区产生破坏。 (3)焊接接头应力状态不均。由于10MoWVNb珠光体钢与0Cr18Ni9Ti奥氏体钢线膨胀系数差别较大,焊接时常产生较大的残余应力,而这种应力并不能通过热处理消除(只能引起重新分布);另外,热物理性能差异较大的异种钢接头在高温运行时,也会产生较大的热应力。因此这种焊接接头的应力不均,也容易引起接头破坏。 2 2 焊接工艺的制订 针对10MoWVNb珠光体钢与0Cr18Ni9Ti奥氏体钢可焊性差的问题,我们在制订焊接工艺时,相应地采取了如下对策: 2 2 1 焊接方法的选择 焊缝的成分与组织除与填充金属有重要关系外,与熔合比也有较大关系。为降低10MoWVNb珠光体钢母材对焊缝的稀释,焊接时要尽量减少熔合比。由于手弧焊时熔合比较小,而且操作方便灵活、不受工件形状的限制,所以我们将其列为本次焊接修复的主要方法。此外,结合现场 24×6接管对接焊接接头的特点,还采用了手工钨极氩弧焊打底,由于高合金焊丝电阻较大,焊接时只使用较小的电流,而且焊丝的熔点又较低,所以该焊接法的熔合比也是较小的。 2 2 2 焊接材料的选择 为保证接头的性能,根据可焊性分析,我们从以下4个方面着眼来选择填充材料: (1)克服10MoWVNb珠光体钢母材对焊缝的稀释。为克服珠光体钢的稀释作用,减少焊缝中马氏体脆性层的宽度,必须增加焊缝中奥氏体形成元素的数量。根据舍夫勒组织图,选用镍含量大于12%的奥氏体不锈耐热钢作为填充材料。 (2)抑制熔合区中碳的扩散。提高填充材料的奥氏体化能力,是抑制熔合区中碳扩散最有效的手段,且随着焊接接头工作温度的升高(350～450℃),阻碍碳扩散的镍含量也必须相应提高。按照相关文献的要求,填充材料的镍含量应在10%～19%之间。 (3)改善接头的应力分布。珠光体与奥氏体钢的线膨胀系数不一,所以接头的焊接应力及高温热应力不可避免。由于珠光体钢通过塑性变形降低应力的能力较弱,所以工作时高温应力集中在奥氏体钢一侧比较有利,因此必须选择接近于珠光体钢的镍基焊接材料。 (4)提高焊缝金属抗热裂的能力。如果为了避免焊缝稀释、碳的扩散而选择含镍较高的焊接材料,则焊缝组织可能是热裂纹倾向较大的单相奥氏体。为避免接头工作时出现热裂纹,最好使焊缝中含有3%～5%的铁素体,为此应选择含有一定量铁素体形成元素的填充材料。 综合以上考虑,手工电弧焊时,我们采用E1-23-13(A302)和E00-23-13(日本NC-39L)型焊条;氩弧焊打底焊时,由于焊缝熔合比较大,采用瑞典Sandvik公司的25-22-2LMN型焊丝,以特别增加焊缝奥氏体形成能力。 2 2 3 焊接工艺要点 选择焊接规范时,为尽量降低熔合比,选择了较小的焊条和焊丝直径,并尽可能地选择了较小的焊接电流、较高的焊接电压和较快的焊接速度。为防止冷裂纹的产生,弯管与联箱焊接时,联箱侧须预热至100～150℃才能点焊和施焊,层间温度维持在100～150℃。手工焊时接头形式对熔合比也有较大影响,为减小熔合比、降低焊缝稀释,尽量增加了焊缝层数,并设计了较大的坡口尺寸。 新0Cr18Ni9Ti弯管与原10MoWVNb换热管对接焊接接头参见图3。联箱(10MoWVNb)与管束(0Cr18Ni9Ti弯管)焊接接头参见图4。 2 4 焊接工艺评定 2 4 1 焊接旧管检查分析 为分析修复价值和采取有效的工艺措施,修复前截取4节旧管进行检测分析。其基本情况是: (1)管内壁腐蚀情况,未发现明显的腐蚀坑; (2)旧管尺寸检测,管外径为24～24 1mm,管壁厚5 5～5 7mm; (3)金相组织检查,主要是铁素体+珠光体,晶粒度10级,未发现异常组织,沿晶界分布有碳化物; 4)拉力试验,利用焊接工艺评定测得两组试管的抗拉强度为510MPa; (5)化学成分分析,见表1。 以上情况表明,原换热管管束可以进行修复利用。  2 4 2 焊接工艺评定 为验证拟定的焊接工艺能否确保焊接接头的各项性能满足要求,分别采用新、旧的10MoWVNb与0Cr18Ni9Ti管进行焊接工艺评定,旧管10MoWVNb从修复设备上截取。试管焊接时完全按照实际情况设置障碍管,按照JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》进行试验、检验和评定。其基本结果如下: (1)射线探伤结果。12根试管进行100%射线探伤,按JB4730-1994《压力容器无损检测》进行检测,除旧管试件有1根为Ⅱ级片外,其余均为Ⅰ级片,探伤结果为合格。 (2)拉伸试验。每组评定取2根试管进行拉伸试验,结果见表2。由表2可知,试管的抗拉强度值均大于10MoWVNb母材标准的下限,所有试样均断于10MoWVNb母材,旧管试样强度高于新管。由此可见旧管在长时间使用过程中有所强化。  (3)弯曲试验。每组评定2个面弯和2个侧弯试验,结果见表3。  两组评定的弯曲试验结果均满足JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》标准的要求。旧管试件背弯试验有1个试样有1 2mm的开裂缺陷,说明旧管焊缝塑性比新管差。 (4)金相检查结果。两组评定试样的金相检查结果表明,新、旧试管焊缝组织没有大的区别,焊缝组织均为柱晶奥氏体+少量δ铁素体;10MoWVNb侧熔合线附近的增碳带很窄,过热区为铁素体+少量魏氏组织的铁素体。新管10MoWVNb过热区奥氏体晶粒度为6级,旧管为8级。 以上结果表明,该中置锅炉焊接修复工艺评定通过。 3 焊接修复过程 本修复的重要过程包括四大部分。 (1)旧管切除、联箱与设备分离。主要内容为: ①9排旧管(共153根管子)从A-A切割线(参见图1)至联箱角焊缝段用气割割除; ②对旧管进行检查并做工艺评定试验; ③封头侧旧管端用砂轮磨掉气割热影响区,按图3修复坡口,同时管内清除油污,露出金属光泽。 (2)联箱检验、加工及回位固定。它们包括: ①车床加工去除原角焊缝焊肉; ②角焊缝部位探伤检验:焊缝车至与母材齐平,着色探伤发现原焊缝部位有180多条裂纹; ③联箱重新上车床加工外沿,消除所有裂纹缺陷; ④联箱壁厚整体减薄4mm,因变形,局部减薄至8mm左右,进行着色检查,缺陷全部消除; ⑤按图4逐个加工联箱上所有坡口; ⑥联箱重新回位待焊,联箱中心线位置与原位置组对误差小于20mm。 (3)不锈钢弯制、预制。主要内容为: ①替换管采用0Cr18Ni9Ti, 24×6,须符合GB13296-1991《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》标准要求,逐根探伤合格。该批材料的化学成分及性能见表4;  ②管子各取长短后,车床加工坡口。对接端加工按图3,角接端加工按图4; ③利用胎模具弯管,放1:1样逐根检查圆弧段尺寸是否符合要求; ④弯管逐根进行着色检查,排除缺陷; ⑤弯管酸洗待用。 (4)组焊。主要内容包括: ①转动管束使联箱轴线垂直地面; ②组对第1排第1根管,控制对口错边量和组对间隙; ③依次组焊第1排所有对接接头,第1排对接焊缝100%射线探伤; ④射线探伤合格后,弯管与联箱点焊,注意弯管小头插入 15 5孔才能点固; ⑤依次组焊第1排所有角焊缝,第1排角焊缝100%着色探伤; ⑥探伤合格后,按上述顺序依次组焊2、3排→4、5排→6、7排→8、9排。 (5)水压试验。组焊和探伤合格后,进行水压试验。按照相关规定,本设备修复后试验压力为48MPa。 4 修复结果及评价 该中置废热锅炉按照经过焊接工艺评定的焊接修复工艺修复,顺利完工。自投入系统运行以来,一直运行正常。经多次检验,未发现不良现象。它表明,采用不锈钢与珠光体钢异种钢焊接工艺,在现场修复10MoWVNb这种耐热抗氢钢锅炉设备取得了成功。它避免了采用抗腐06焊条焊接修复时,需要较苛刻的焊前、焊后热处理工艺措施,为10MoWVNb耐热抗氢设备的现场检修提供了可以借鉴的经验。 参考文献 [1] 周振丰,等.金属熔焊原理及工艺(下)[M].北京:机械工业出版社,1987. [2] JB4708-2000.钢制压力容器焊接工艺评定[S]. [3] JB4730-1994.压力容器无损检测[S]. [4] GB13296-1991.锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管[S]. |
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