轉(zhuǎn)化爐催化劑管G 4859型不銹鋼的焊接

申飛

（中石化服務(wù)建設(shè)有限公司，廣州510000）

1 工程概況

阿布扎比魯維斯煉油擴(kuò)建項(xiàng)目中，轉(zhuǎn)化爐由施密特&克萊門斯公司負(fù)責(zé)設(shè)計，意大利ITT公司負(fù)責(zé)預(yù)制。催化劑管與下集合管連接的350道焊口是整個轉(zhuǎn)化爐焊接的核心和難點(diǎn)所在。在廠家提供的預(yù)制口焊接工藝評定的基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求，項(xiàng)目做了G4859的焊接工藝評定。工藝評定各項(xiàng)試驗(yàn)均取得了良好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是焊接過程中，3道首口全部在打底完成后產(chǎn)生了焊接裂紋。因此，專門對G4859的焊接性能和整個焊接工藝進(jìn)行了細(xì)致分析，以求找出裂紋出現(xiàn)的原因，從根本上杜絕裂紋的產(chǎn)生。

2 G 4859焊接性能分析

G4859型鋼化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 G 4859的化學(xué)成分%

G4859型不銹鋼是在一種鑄造奧氏體鐵合金中加入32%的鎳、20%的鉻和鈮。本合金的主要合金元素是鎳，因此，含碳量雖低，卻有十分穩(wěn)定的奧氏體組織，有足夠的抗破壞強(qiáng)度，良好的抗熱沖擊應(yīng)力和對脆性不敏感。G4859型不銹鋼使用于中等強(qiáng)度應(yīng)力和具有一定塑性和抗熱沖擊性能的地方，可用于1000℃以下的大氣中[1]。G4859焊接過程中可能出現(xiàn)以下問題。

2.1 焊接熱裂紋

鉻對提高焊縫的淬透傾向比較強(qiáng)烈，焊態(tài)焊縫金屬的硬度隨鉻含量而逐漸提高，且可以提高低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度，因此，對焊接是不利的。

硅元素會引起固溶強(qiáng)化和二次相系數(shù)，導(dǎo)致焊縫金屬變脆。另外，由于硅合金元素含量較高，溶解度有限，容易形成硅化物共晶體，從而造成焊縫和母材近縫區(qū)域產(chǎn)生熱裂紋。

另外，成分偏析易造成20Cr32Ni Nb材料焊接接頭出現(xiàn)熱裂紋和點(diǎn)蝕。一方面，Si含量的增加使焊接時易形成硅化物共晶，造成晶見偏西，加大凝固裂紋的產(chǎn)生。另一方面，耐點(diǎn)蝕成分Cr的偏析，使焊縫中的不完全混合區(qū)容易出現(xiàn)點(diǎn)蝕，如果焊材選擇不當(dāng)，即使采用與母材同質(zhì)焊絲，焊縫中心部位也會有點(diǎn)蝕產(chǎn)生。

2.2 坡口裂紋

根據(jù)廠家提供的設(shè)計說明書，G4859的產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝有熔模鑄造、靜態(tài)鑄造和離心鑄造。相對于其他鑄造工藝，靜態(tài)鑄造更容易產(chǎn)生缺陷。項(xiàng)目在接收到的催化劑管坡口上發(fā)現(xiàn)了一定數(shù)量的裂紋也印證了這一推測。

在此基礎(chǔ)上必須制訂更合理的焊接工藝配合以無損檢測，以提高一次合格率。

3 G 4859焊接工藝及焊接控制

3.1 焊材

焊材選用時，應(yīng)考慮提高鎳的含量，減少微觀偏析，控制由于硅元素產(chǎn)生的化學(xué)偏析，同時，使晶軸中鉻的負(fù)偏析顯著減少，從而減少熱裂紋和點(diǎn)蝕的形成；另一方面，考慮母材的稀釋作用，以保證足夠的合金容量，滿足材料的耐高溫性能。結(jié)合廠家的推薦，選用焊材ERNi Cr-3焊絲，所使用焊絲的主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。

表2 焊絲的主要化學(xué)成分%

3.2 焊接工藝評定

焊接工藝評定過程應(yīng)嚴(yán)格參照ASME IX-焊接和釬焊評定執(zhí)行。

焊接工藝評定采用13.33cm G4850管道，壁厚為13.6mm，2G位置焊接。焊接采用全氬焊接方式，控制最大層間溫度低于150℃。背面充99.99%氬氣，流量為22L/Min。具體焊接參數(shù)如表3所示。

表3 焊接參數(shù)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求對工藝評定試件做2組拉伸試驗(yàn)，斷裂于母材上，斷裂值分別為546N/mm2和496N/mm2，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。4組彎曲試驗(yàn)全部合格，硬度和金相試驗(yàn)也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（均為奧氏體基）[2]。

3.3 現(xiàn)場焊接

現(xiàn)場焊口均為2G位置焊接，但是接頭形式為帶墊板形式，墊板材質(zhì)為ASTM B407。示意圖如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場焊口示意圖

3.3.1 接頭準(zhǔn)備

催化劑管在預(yù)制時已經(jīng)填充了耐火材料，根據(jù)廠家要求，對催化劑管進(jìn)行焊接之前需要先進(jìn)行24h，150℃的烘烤，以確保烘干水分，保證焊接質(zhì)量。與工藝評定所不同的是，每道焊口均有厚4.5mm，材質(zhì)為ASTM B407的墊板。根據(jù)ASME IX，對氬弧焊接而言，增加墊板不構(gòu)成重要變量，因此，所做的焊接工藝評定可以覆蓋現(xiàn)場的焊接。

G4859的焊接，對接頭清潔程度十分敏感，接頭的不清潔極易造成焊接缺陷。仔細(xì)清理以后發(fā)現(xiàn)與下集合管相連接的大小頭坡口面上存在最長1.5cm的裂紋。為了保證母材的完好性，每道焊口組對以前先對坡口進(jìn)行著色檢查，對出現(xiàn)裂紋的坡口進(jìn)行打磨并再次檢查，直至裂紋被完全磨除。

由于墊板的存在，墊板與管之間的間隙不可避免。若部分區(qū)域間隙過大，背面無氬氣保護(hù)會出現(xiàn)氧化，影響探傷結(jié)果。并且，焊接熔化金屬會與耐火材料接觸，焊接過程中發(fā)現(xiàn)大量氣泡從間隙處涌出，對焊接產(chǎn)生極大影響。因此，組對時要求盡量保證墊板與管之間的間隙均勻。

3.3.2 焊接控制

確認(rèn)接頭具備焊接條件以后，應(yīng)做好防風(fēng)措施。由于焊接空間受限，由技能出眾的焊工在參加完專項(xiàng)培訓(xùn)以后，方可進(jìn)行催化劑管的焊接。焊接層間溫度必須嚴(yán)格控制在150℃以下，每道焊口的焊接由焊接檢查員旁站確認(rèn)。

3.3.3 焊接裂紋的控制

根據(jù)廠家檢試驗(yàn)計劃要求，打底完成后應(yīng)進(jìn)行著色檢查。3道首口均在著色檢查時出現(xiàn)了裂紋。所產(chǎn)生裂紋屬于環(huán)向裂紋，位于焊道正中位置。通過對裂紋位置和類型的分析，運(yùn)用戴明環(huán)進(jìn)行了全面的排除檢查。

由于G4859熱導(dǎo)率小，膨脹系數(shù)大，焊接接頭在冷卻過程中會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力[2]。焊工在具體操作過程中，打底后進(jìn)行一次填充，填充厚度可能不夠，此時停下來進(jìn)行著色檢查極易產(chǎn)生裂紋。因此，經(jīng)過廠家許可，打底完成后，允許2遍填充，厚度達(dá)到3~4mm后再停下做著色檢查，成功地解決了裂紋的問題。

4 結(jié)論

使用科學(xué)的焊接工藝可以保證G4859的焊接合格率。但是針對現(xiàn)場的不同情況，必須有針對性地制定相應(yīng)的控制措施，尤其是在接頭準(zhǔn)備和打底厚度控制方面，必須進(jìn)行細(xì)節(jié)和準(zhǔn)確的控制。