乙烯裂解炉炉管的焊接指导

乙烯裂解炉辐射段炉管的焊接

前言

中原石化总厂十万吨裂解炉，辐射段炉管所用材料为（Cr35Ni45+微合金），辐射段出口材料为20Cr32NiNb。Cr35Ni45的合金系统较之以前的Cr25Ni35有了较大的发展，增加了Cr、Ni元素含量，相应提高了耐高温性能。炉管采用离心浇铸的方法生产，其原始铸态表面为均匀分布有颗粒状凸起的“珍珠”表面，这种表面不仅有利于热交换，而且对抗氧化和抗燃气腐蚀有利。管子的内表面有很薄一层疏松组织，炉管的基体组织相当致密，主要由沿半径方向分布的柱状晶组成，内部没有气孔、夹杂及缩孔等铸造缺陷。管件（包括180º弯头、90º吊耳弯头、Y型管等）为静态浇铸法生产，合金成分不均匀，存在较大成分偏析，焊接时易产生裂纹。

1 焊接性分析

1.1 化学成分分析

炉管材料Cr35Ni45的化学成分见表1。

表 1Cr35Ni45的化学成分

化学成分 (%)

C Si Mn P S Cr Ni Mo W Nb Cu Al

0.4~ 0.6 1.2~

1.8

≤

1.5

≤

0.03

≤

0.03

30~

37

40~

47

≤

0.5

≤

0.30

0.5~

1.5

≤

0.25

≤

0.05

为了深刻认识炉管中主要元素及微量元素的作用，查阅了一些文献，并对其在耐热铸钢中的作用进行了分析。

C：C与Cr、Mo、Ti、V、Nb等形成一次碳化物M7C3和NbC。在高温时效过程中，基体中的过饱和固溶碳以细小弥散的M23C6析出，提高了钢的强度。另外增加碳含量还能抑制б相析出。但碳含量过高，二次碳化物大量析出，会降低合金的韧性、恶化焊接性。因此Cr35Ni45合金含碳量不超过0.60%，但Si是促进б相析出元素，加入量过多，使焊接性恶化、降低持久强度。裂解炉管硅含量一般控制在1.50%~2.00%。

Mn:它能改善焊接性能，但固熔强化促进б相析出，加入量过多能降低合金的抗氧化性能。一般控制在1.5%以下。

Cr：它是合金中主要的固溶强化元素和碳化物形成元素。它在材料表面形成致密的Cr2O3保护膜，

对合金的抗氧化、强度、抗渗碳性能起着决定性作用。但Cr含量过高会导致б相析出，因而降低合金的强度和韧性。

Ni：它是形成和稳定奥氏体，提高抗渗碳、抗氧化、高温强度和韧性的主要元素。对于裂解炉来说，其抗渗碳性能的优劣是十分重要的，也是影响裂解炉寿命的主要因素。由于裂解炉在运行过程中管内壁会产生渗碳，渗碳层的出现一方面在管内壁会产生附加应力，另一方面渗碳也使炉管材料的组织和性能发生变化，结果会使炉管局部开裂或腐蚀穿孔。

W、Mo、Nb都是固溶强化元素，能提高合金的高温强度，抑制碳的扩散速度，但是加入过量则会影响合金的抗氧化性能，并促进б相析出，降低合金的强度和韧性。

Nb、Ti、V它们形成碳氮化物，改变晶界碳化物形态，细化M23C6，使其均匀弥散分布，延迟碳化物粗化过程，从而提高合金的高温蠕变强度

Al：它在奥氏体不锈钢中形成AlN，促进长期蠕变时б相形成和粗化，降低蠕变寿命。因此认为Al在奥氏体耐热钢铸管中是有害元素，其含量应严格控制。

1.2 焊接性分析

炉管材料为铁基高铬镍合金，焊接性较差，焊接工艺措施稍有不当，便会出现问题，表现如下：

1.2.1 由于合金元素含量较多，导热性差，焊缝与母材容易过热，造成晶粒粗大，使接头力学性能和耐蚀性能下降；

1.2.2 焊接时易出现热裂纹及再热裂纹；

1.2.3 对应变时效敏感。焊后如果残余应力较大，在时效过程或工作温度高于时效温度时，易产生“应变时效”裂纹；

1.2.4 对焊道熔池裂纹较敏感；

1.2.5 焊接熔池液态金属流动性差，铁水发粘，熔深小，易出现焊口根部的熔合不良及促使凝固裂纹的产生。

2 焊接方法及焊接材料的选取

焊接方法：主要考虑小的热输入及小的熔合比，故采用手工钨极氩弧焊。

焊接材料：因炉管用在高温条件下，所以高温强度，蠕变强度要求高，因此，炉管本体焊接材料选取与母材相匹配的高碳同质焊材：牌号XTM，其公称成分为35Cr45Ni，具体化学成分见表2。

辐射段炉管出口材料为20Cr32NiNb，与辐射段炉管Cr35Ni45相焊时，焊接材料选择Inconel 82，该焊材为镍基焊材，塑性较好，其化学成分见表3。

表2 焊丝XTM的化学成分

C Si Mn P S Cr Ni Ti Zr Nb

0.42~ 0.48 0.5~

1.8

1.0~

2.5

≤

0.015

≤

0.015

34~

37

43~

47

0.05~

0.15

0.05~

0.10

0.5~

1.0

表3 焊丝Inconel 82的化学成分

化学成分 (%)

C Si Mn P S Cr Ni Ti Nb+Ta

≤0.10

≤

0.50

2.5~

3.5

≤

0.03

≤

0.015

18.0~

22.0

≥

67

≤

0.75

2.0~

3.0

3 焊接

在焊接工艺评定的基础上，针对现场的实际情况，制定了现场的焊接工艺技术措施。

3.1 坡口型式

由于炉管材料的液体金属流动性不如一般钢铁材料，焊接工艺不良时很容易发生未熔合现象。如果加大焊接电流以增大高温合金熔池金属的流动性，不但效果不大，而且还会造成过热的不良影响。

3.2

焊材牌号规格

(mm)

焊接电流

(A)

电弧电压

(V)

焊接速度

(cm/min)

氩气流量

(L/min)

XTM InconeI82 2.4×2.4

Ф2.5

80~100 11~13 8~10 10~15

3.3 焊接

3.3.1 对口要求

管道对口应做到内壁平齐，如有错口，不得大于0.5mm，对口时不得采用强力组对，应做到无应力对口；

3.3.2 焊接工艺要点

图1