合成氨轉化爐爐管焊接技術的創新

于世行，郝丁華，劉 鵬，凌開學，王小輝

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750021）

合成氨一段轉化爐（101-B）是二化肥合成氨裝置重要設備，爐管與集氣管連接焊縫在運行過程中發生開裂泄漏，立即停車檢修。通過對爐管進行全面檢測，發現原焊縫裂紋比上一次又新增了12 道，裂紋焊縫有增多趨勢（裂紋的焊縫是爐管與集氣管凸臺連接焊縫），如果更換所有爐管需投入8 千多萬元，本著既要恢復生產，又要節約資金支出的原則，公司決定更換集氣管、集氣管凸臺及向上500 mm 長的爐管段（可節約資金5 000 多萬元），在同行業中屬于創新檢修。

合成氨101-B 一段轉化爐集氣管的更換檢修任務交給中石油某建設公司承擔，檢修中爐管焊縫位置為“垂直固定”，新制作的集氣管段與原爐管段進行對接安裝，焊接安裝過程中，8 根Φ141×18 的上升爐管全部發生裂紋，爐管的焊接開裂直接影響轉化爐的檢修進度（見圖1）。

圖1 上端爐管與下端新制作的集氣管組對焊接示意圖

爐管裂紋發生后，針對爐管裂紋情況進行了解、試焊，試焊過程中發現原爐管端金屬晶粒粗大，裂紋發生在焊縫底層、填充層、蓋面層等位置。通過分析，引起裂紋的主要原因是：原管端金屬組織粗大；焊材含碳量過高；焊接順序不正確；層間溫度檢測不準確；坡口角度偏小等原因。不正確的焊接操作會使焊接應力與爐管內應力快速集中，熔池結晶過程中，受應力的影響，部分晶界已處于裂紋發生狀態或接近屈服極限，當應力大于爐管的屈服極限時，立即發生慣穿性裂紋，直接造成爐管焊縫的破壞。

1 現場情況調查

轉化爐爐管材質為ZG45Ni35Cr25NbM，屬鎳基耐蝕合金（也稱高溫合金），有耐高溫氧化和耐氯離子介質的應力腐蝕性能，焊接性良好，電阻率較高，約為碳鋼的4～5 倍，線膨脹系數大，導熱率低，所以焊接接頭中會產生較大的焊接應力，在焊接時容易產生熱裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷。

1.1 爐管開裂情況

合成氨裝置一段轉化爐共有8 根集氣管，348 根爐管。其中每根集氣管上部有1 根Φ141×18 上升爐管，其余為Φ108×10.5 爐管。設計溫度996 ℃，設計壓力3.3 MPa，管內介質為工藝氣（氫氣+甲烷+一氧化碳）。更換的500 mm 管段與上端舊爐管組對焊接由外委單位實施，施焊后8 根上升爐管焊縫全部發生貫穿裂紋，出現了嚴重的焊接質量問題。

1.2 爐管材質及坡口情況

101 -B 爐 管 材 質 為 ZG45Ni35Cr25NbM 即（25.35.4CNb），采用手工鎢極氬弧焊打底、填充、蓋面，焊絲材質為ZG45Ni35Cr25NbM 即（25.35.4CNb），上升爐管開V 型坡口，坡口角度60°，焊縫位置為垂直固定，焊接順序為由下向上排列焊接（見圖2 左）。

2 裂紋原因分析

轉化爐爐管材質是ZG45Ni35Cr25NbM （即25.35.4CNb），屬鎳基合金（也稱高溫合金），高溫合金基本都有焊接熱裂紋傾向，爐管為鑄造成型，鑄造合金比鍛造合金有更大的裂紋傾向，產生的熱裂紋主要有焊縫結晶裂紋和近縫液化裂紋兩種。

首先是焊縫中產生結晶裂紋既有冶金因素，又有應力因素，冶金因素就是高溫合金中成分復雜、合金含量多，易在晶界形成低熔點共晶物，如644 ℃時形成的Ni-S，880 ℃時形成的Ni-P 等，沿晶界形成液化膜，削減晶粒間的結合力，當焊接時產生較大的熱應力、拉應力超過晶粒之間的承受力時就會產生結晶裂紋。所以控制結晶裂紋，就必須減少熱輸入，減小熱應力、拉應力，實施中采用了提高焊接速度，改變焊接順序等控制方法。

另一個是近縫區產生的液化裂紋也是由晶間產生液態薄膜和熱應力較大引起的。近縫區產生液化裂紋主要是由合金晶界上的碳化物引起的。這是因為當焊接加熱溫度達到一定值時，碳化物等擴散不充分在晶界形成低熔點共晶物，所以含碳量越高，液化裂紋傾向越嚴重，為了控制液化裂紋，實施中原焊絲更換成含碳量低的焊絲，采用小焊接參數、短段焊、多道焊、控制焊接區域溫度等方法。

2.1 新爐管與舊爐管之間的差異

通過試焊新爐管側未發現異常變化，焊接舊爐管側時，發現熔合區內金屬晶粒粗大、熔融不暢的現象，由此看出舊爐管金屬內部已有滲碳和晶粒粗大的變化。這是爐管在960 ℃高溫長期運行后，管材組織發生變化的結果。

2.2 焊接材料的差異

兩種焊接材料對比，爐管首次施焊的焊絲含碳量遠遠高于攻關采用的焊絲含碳量。焊縫打底焊后發現原焊絲25.35.4CNb 的收縮間隙是0.2～0.5 mm，后用焊絲ERNiCr82 的收縮間隙是0.5～1 mm。說明原焊絲的含碳量高、塑性差，裂紋傾向大。

表1 爐管首次施焊焊絲25.35.4CNb 的化學成分

表2 創新采用的ERNiCr-3 焊絲化學成分

表3 爐管首次施焊的25.35.4CNb 焊絲力學性能

表4 創新采用的ERNiCr-3 焊絲力學性能

2.3 焊接順序的應用

攻關前焊接順序是由下向上排列焊，使焊接應力在焊縫上側不斷聚集，加劇了產生裂紋的傾向。攻關時焊接順序是由上向下排列焊接，使焊接應力在焊縫上側逐步消減，避免了裂紋的發生（見圖2）。

圖2 101B 爐管焊縫焊接順序圖

2.4 改變坡口角度

原坡口制備角度為60°，不符合鎳基合金材料焊接坡口角度的要求，熔合比減小，裂紋傾向增大，所以改變坡口角度為65～70°（見圖3）。

圖3 101B 爐管焊縫坡口圖

2.5 層間溫度的控制

攻關前焊接層間溫度只控制焊縫區，熱影響區溫度沒有檢測，無法了解這些區域的溫度，形成空白?？刂茖娱g溫度改為控制焊接區域溫度（焊縫區+熱影響區溫度）（見圖4）。

圖4 控制焊縫區+熱影響區溫度

3 創新措施

（1）更換焊接材料，采用ERNiCr82 焊絲，焊絲直徑Φ2.0；（2）改變101B 爐管焊縫坡口角度為65～70°；（3）改變焊接順序：使焊接順序由上向下排列焊接，把焊縫上側的焊接應力逐步減少，避免應力集中；（4）控制層間溫度改為控制焊接區域溫度（焊縫區+熱影響區溫度）；（5）采用合理的焊接工藝參數。

4 焊接實踐

（1）焊接工藝順序：開坡口-打磨-坡口PT 檢測-丙酮清理-手工鎢極氬弧焊組對點固-手工鎢極氬弧焊打底、填充、蓋面。

（2）選用逆變焊機Zx7-400STG 氬弧焊機，使用坡口機制備V 型坡口，坡口角度65～70°，并用磨光機將焊縫內外兩側20 mm 范圍內打磨出金屬光澤，嚴格清理坡口兩側20 mm 范圍處的氧化膜、油、銹、污物等雜質，再用丙酮清理坡口及兩側，并對坡口進行100 %PT 檢測。

（3）管口內部充氬氣保護，組對焊縫點焊采用全焊透焊法，定位焊長度10～15 mm，焊點寬4～6 mm，共3點。隨后用磨光機磨薄焊點兩端，便于接頭。

（4）焊接工藝參數（見表5）。

（5）手工鎢極氬弧焊打底焊接，內部充氬并有氣體吹出感時，在坡口內采用高頻引弧，從管口第4 點位置開始引弧焊接，焊矩傾斜角度為70°左右，操作焊槍稍做擺動，使坡口兩邊形成熔孔，熔孔前面不斷熔化，后面不斷熔合成形并前行，形成底部焊縫。

表5 焊接工藝參數

新的測溫方法，控制層間溫度改為控制焊接區域溫度，焊接區域溫度（焊縫中心溫度為50～60 ℃，焊縫上熔合線溫度是70℃，焊縫向上50mm 處溫度是90℃），焊縫向上150 mm 處溫度是105 ℃），焊接區域溫度得到有效的控制，避免了高溫熱量聚集，減少了應力集中。

圖5 坡口焊接順序圖

新制定的焊接順序（見圖2 右），采用倒排焊接法，先從坡口上側排列焊接，逐步向下坡口焊接轉移，最后在下坡口上完成焊接、收弧。均勻分布焊接起弧、收弧點（見圖5），從管口第4 點位置開始引弧焊接，第2 道從點焊3 位置開始焊接，第3 道從點焊2 位置開始焊接，第4 道從點焊1 位置開始焊接，以此類推，起施焊點與收弧焊點在焊道上均勻分布，焊接溫度均勻分布，避免了應力集中。手工鎢極氬弧焊的填充、蓋面，引燃電弧，熔化母材、焊絲，焊絲均勻不斷遞進，焊接熔池在焊槍的作用下，不斷熔合、前移，形成焊縫。采用多層多道焊接，每一道的寬度為4～6 mm，使用鋼絲刷清理道間污物，使道與道之間相連，層與層之間相接，焊接過程中，提高焊接速度，焊縫焊后顏色為白色、黃白色，最后獲得了較好的焊縫。

5 結語

通過現場情況調查，分析焊縫裂紋原因，制定了正確的焊接工藝措施，使焊接實踐順利進行，獲得了良好的焊縫，所施焊的焊口經PT、RT 射線檢驗100 %一次合格，解決了轉化爐爐管裂紋問題，實現了轉化爐按期投用的目標，創造出新的高溫合金爐管焊接工藝。

［1］ 中國機械工程學會焊接學會編.焊接手冊［M］.北京：機械工業出版社，2008.