乙烯裂解爐對流段p91爐管焊接工藝評定及其應(yīng)用1

1、化 工 設(shè) 備 與 管 道 第 4 1 卷 l}乙烯裂解 爐對 流 段 P91 爐管 焊接 工藝評 定及 其應(yīng) 用 邱毅強 陳孫藝( 中國石化茂名石化機械廠， 茂名 5 2 5 0 2 4 )摘 要 對于P 9 1 鋼 ， 焊前預熱是必要的， 通過試驗研究了焊接線能量對 P 9 1 鋼焊接接頭沖擊韌性的影響， 焊接線能量控制在l 2 ～1 5 k J ／ e r a以內(nèi)， 控制層問溫度 ， 能獲得 良好的焊接接頭。 根據(jù)焊接接頭的力學

2、性能檢驗 ， 規(guī)定 回火參數(shù)[ P] 等于 2 1 是合理的。 并依此制定工藝， 成功地完成 了該鋼種在三臺乙烯裂解爐中的焊接應(yīng)用。關(guān)鍵 詞 裂解爐 P 9 1 焊接工藝l前 言 我廠承制的乙烯裂解爐對流段其中一組爐管采 用 了P 9 1 ( A S MES A 3 3 5P 9 1 ) ， 規(guī)格為 1 6 8 × 2 4 。 其 設(shè)計壓力為 1 3 ． 1 MP a ， 設(shè)計溫度為 5 4 0 ~ C 。P 9 1 是 9

3、C r 一1 M0 鋼的一種改進型鋼種 ，屬于馬氏體耐熱 鋼， 它具有 良好的抗高溫氧化性 、 較高的高溫強度和優(yōu)良的耐腐蝕性能。另外 ， 在 同樣 的工作條件下 ，P 9 1 鋼與 P 2 2 、 P1 1 等不同類型的傳統(tǒng) C r —MO鋼相 比， 它由于 自身強度高而所需的設(shè)計壁厚較小 ， 可以減輕結(jié)構(gòu)的整體重量。P 9 1 這種材料 目 前在國外已逐步取代 T P 3 0 4 不 銹鋼及 1 2 C r Mo V鋼等管材 ， 作

4、為奧氏體耐熱鋼的換 代材料廣泛用于高溫領(lǐng)域 ，但國內(nèi)在石化裝置上應(yīng) 用剛起步。由于 P 9 1 合金元素含量高 ， 淬硬性大 ， 可焊性差， 焊接難度大， 為保證焊接接頭使用性能的可靠性 ， 本文對其焊接工藝進行了全面研究。2材料焊接性分析 試驗用材料采用從 E l 本進 口 P 9 1 鋼管 ，規(guī)格為1 6 8 × 2 4 ， 其化學成分見表 1 ， 力學性能見表 2 。表 1P 9 1 的化學成分 ( ％)IIClMnIS

5、 iIPSC rN ilM0VIN bfA 1INI 標 準 值 l o ． 0 8 ～ 0 ． 12 I o ． 3 0 一 o ． 6 0 ] 0 ． 2 0 ～ o ． 5 0 l ≤ o ． 0 2≤ 0 ． O l8 ． 0 — 9 ． 5≤ o ． 4 0 ] 0 ． 8 5 ～ 1 ． 0 50 ． 1 8 ～ o ． 2 5 1 0 ． 0 6 ～ 0 ． 1 0 I ≤ o ． 4 0 ] 0 ． 0 3 ～ o ．

6、0 7I 復 檢 值 fo ． 0 9fo ． 4 5fo ． 3 6Io ． 0 1 60 ． 0 0 48 ． 8 90 ． 1 5f1 ． 0 1o ． 2 1fo ． 0 8J— lo ． 0 4 5表 2P 9 1 的力學性能 ／ 1 Ⅵ P ad I ／ 1 Ⅵ P a5HBA h／ J ( 2 0 ℃)標準值 ≥5 8 5≥4 l 5≥2 0≤2 5 0≥4 l復檢值 7 5 66 l 22 92 2 08 72 ．

7、1 熱 裂性 熱裂紋產(chǎn)生的主要原因是焊縫中低熔點的硫 、磷共晶物和低熔點的金屬共晶物在晶界區(qū)的析出形 成液態(tài)膜殘留下來 ，受到焊接收縮應(yīng)力的作用而發(fā) 生的。 從 P 9 1 的化學成分來看， 雖然其雜質(zhì)元素硫和 磷的含量較低 ，但應(yīng)考慮因合金元素的偏析和焊材 成分可能帶來的不利影響 ， 同時， 管壁較厚引起拘束 度的增大， 而可能使其產(chǎn)生一定的熱裂傾向。2 ． 2冷裂性 P 9 1 鋼的 c r 、 MO 等合金元素的含量較高 ， 按碳

8、 當量公式計算求得其碳當量 C e q 值 ：～C e q =C+Mn ／ 6 +( C r +MO +V ) ／ 5 +( Ni +C u ) ／ 1 5( ％)得 出 C e q =2 ． 1 9 ％ 可見它的淬硬性較大， 冷裂傾向也大 ； 從它的焊 接連續(xù)冷卻 C C T圖上可知 ， 焊縫的金相組織為馬氏體 ， 這種組織容易導致產(chǎn)生冷裂紋。焊接 P 9 1 鋼時，由于焊縫區(qū)擴散氫與焊接殘余應(yīng)力的共 同作用 ， 焊 縫金屬和熱影響區(qū)

9、都極容易產(chǎn)生冷裂紋。而且裂紋 表現(xiàn)出氫致延遲裂紋的形式 ，可在焊后幾小時甚至 數(shù)天產(chǎn) 生。2 ． 3 再 熱裂紋 ( 消除應(yīng) 力裂紋 ) 傾 向 再熱裂紋的傾向與鋼中碳化物形成元素的特性 及其含量有關(guān) ，它一般產(chǎn)生于焊接熱影響區(qū)的粗晶維普資訊 http://www.cqvip.com · 4 6·化 工 設(shè) 備 與 管 道 第 4 1 卷 4 8 小時放置 ， 用著色探傷檢查焊縫表面和用低倍光 學顯微鏡觀察其斷面，

10、其表面裂紋率和斷面裂紋率 如表 4 。裹 4 抗裂性試驗結(jié)果 I 預 熱 溫 度℃I 常 溫1 0 01 5 0I2 0 0l2 5 0l3 0 0I 表 面 裂 紋 率％I1 0 04 0010l010l 斷 面 裂 紋 率％I1 0 02 5 ． 52 ． 510f0l0根據(jù)試驗結(jié)果 ， 焊前預熱溫度 2 5 0 R C 可滿足要 求。P 9 1 鋼管壁較厚， 采用多層多道焊 ， 在焊接過程 中隨著焊道數(shù)的增加 ， 焊縫金屬的擴散氫

11、量也增加 ，為避免氫的聚集產(chǎn)生裂紋，焊接過程中必須保持與預熱溫度相同的層間溫度。3 ． 5 焊接熱 輸入量的選 擇 為了研究焊接熱輸入對焊接接頭韌性 的影響，分別采用 1 0 — 4 0 k J ／ c m以每 1 O l c J ／ c m 一個級別共四種不同的焊接線能量對焊接試件進行施焊 ，焊前預 熱溫度為 2 5 0 ％， 焊后進行 7 6 0 ~ C ／ 2 h 的高溫回火處 理。焊縫和熱影響區(qū)分別在 一4 02 0 ％不同的溫

12、度 下進行 V 型缺 口沖擊試驗。 根據(jù)結(jié)果綜合考慮 ， 焊接 熱輸入的上下限值選擇在 1 21 5 k J ／ e r a ， 滿足下限配 合預熱措施 ， 不出現(xiàn)冷裂紋， 滿足上限保證較好的韌 性。3 ． 6后熱處理及焊后熱處理 ( 1 ) 后熱處理 延遲裂紋產(chǎn)生的主要原因是氫 ，為了防止延遲 裂紋的產(chǎn)生， 僅僅預熱和保持層間溫度是不夠的， 特 別是對厚度較厚的結(jié)構(gòu)來說 ，還必須對焊件在焊后 立即進行后熱處理， 即消氫處理。后熱溫度越

13、高 ， 則 所需 的后熱時間可縮短。對耐熱鋼 ，只要加熱到3 0 0 ~ C 左右 ， 鋼內(nèi)的擴散氫幾乎能全部逸出“ 】 。 P 9 1 鋼 焊后的消氫溫度 3 0 03 5 0 ％， 保溫時間 1 小時可滿 足要求。( 2 ) 焊后熱處理 焊接是一個不均勻 的加熱過程 ，鋼材要產(chǎn)生熱 脹冷縮， 在焊接區(qū)產(chǎn)生殘余應(yīng)力 ； 同時， 從高溫快速 冷卻下來的焊接區(qū)也不可避免要產(chǎn)生淬硬組織。焊 接殘余應(yīng)力和淬硬組織的存在是一種不穩(wěn)定狀態(tài) ，對它

14、們進行緩和與消除 ，焊后熱處理是必不可少 的。其 目的是為了改善焊縫金屬及其熱影響區(qū)的組 織 ， 降低焊接接頭的硬度 ， 提高焊接接頭的韌性 、 高溫蠕變強度、 變形能力以及消除焊接應(yīng)力。 對 C r — M o鋼 ， 回火參數(shù) 【 P 】 變化最佳的范圍為 1 9 ． 52 2 ． 0 m。至于對某種具體的鋼種 ， 則有一個最佳的[ P 】 值。【 P】 = T( 2 0 + l o gc ) ×1 0 一 ’式中T 一 回

15、火絕對溫度 ( K ) ；‘ 一保溫時間( h ) 。本文用相同焊接條件焊接的試樣分別在 7 1 O ℃、7 6 o ℃和 7 9 o ℃不同的溫度進行高溫回火處理 ， 保溫 時間都為兩個小時 ， 再進行焊接接頭性能檢驗， 相應(yīng) 的[ P 】 值見表 5 。( 3 ) 接頭硬度檢驗 為了便于對比，增加一組焊態(tài)下的試樣的硬度 檢驗 。檢驗方法是在切于熔合線底部劃一條硬度測 定線進行測定。四種狀態(tài)下接頭的硬度分布規(guī)律如圖 2 所示 。焊 態(tài)

16、硬 度最 高 ，其最 高硬 度 已接近 H V 4 0 0 ，這主要是焊接過程中形成的淬硬組織所致 ，可見焊縫焊后必須進行 回火處理 ， 否則 ， 硬度過高的焊接接頭直接投入使用是很危險的。另外試驗結(jié)果 還說明不同的熱處理規(guī)范下將獲得不同的接頭組織 和性能 ， 7 6 0 — 7 9 o ℃范圍內(nèi)回火后， 硬度曲線趨于平 緩， 淬硬組織得到了軟化 ， 焊態(tài)下粗大的馬氏體得到了部分的改變 ， 并且隨著回火溫度的升高 ， 接頭的硬 度趨于降