馬兵邦

中石化集團(tuán)第五建設(shè)有限公司 廣東廣州 510145

哈氏合金(Hastelloy-C-276)管道的TIG焊接

馬兵邦

中石化集團(tuán)第五建設(shè)有限公司 廣東廣州 510145

通過對哈氏合金(Hastelloy-C-276)進(jìn)行化學(xué)成分、焊接性能分析及焊接工藝評定，制定了正確的焊接施工工藝，保證了哈氏合金（C-276）管道的焊接質(zhì)量，可作為制定類似材料焊接工藝的參考。

哈氏合金(Hastelloy-C-276)焊接方法（GTAW） 焊材ERNiCrMo-4 焊接工藝

由中國石化集團(tuán)第五建設(shè)公司承建的蘭州石化丙烯酸及脂(AA/AE)工程中有哈氏合金C-276管線157m，管道介質(zhì)為：丙烯酸丁脂、丙烯酸二聚物、丙烯酸三聚物[1]。管子、管件、焊材均由國外進(jìn)口，管線規(guī)格為φ34～114mm，共計(jì)焊縫218道，焊后要求100%射線檢測，Ⅱ級合格。為此，我們在管道焊接前，通過對該材料焊接性能分析，制定出焊接工是藝，并針對焊接過程中可能產(chǎn)生的問題采取了相應(yīng)的工藝措施，順利完成了哈氏合金不銹鋼管道的焊接任務(wù)。

1 材料簡介

超低碳型鎳基哈氏合金 (Hastelloy-C-276)國內(nèi)牌號NS334[2]，是一種含鎢的鎳-鉻-鉬鍛造的合金，其特點(diǎn)是熔點(diǎn)高、耐熱、耐腐蝕、強(qiáng)度高，具有良好的抗氧化性能、力學(xué)性能和加工性能（見表1、表2），在200～1090℃范圍內(nèi)能耐各種腐蝕介質(zhì)的侵蝕，被認(rèn)為是“萬能的抗腐蝕合金”。因此，近幾十年以來在苛刻的工作環(huán)境中，如化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，解決一般不銹鋼和其他金屬、非金屬材料無法解決的介質(zhì)腐蝕問題[2]。

2 C-276焊接性分析

2.1 焊接要求

表2 Hastelloy-C-276力學(xué)性能[3]

2.1.1 線能量控制

采用高線能量焊接鎳基耐蝕合金會產(chǎn)生不利影響。在熱影響區(qū)（HAZ）產(chǎn)生一定程度的退火和晶粒長大。高熱輸入會產(chǎn)生過度的偏析、碳化物的沉淀或其他有害的冶金現(xiàn)象，就會引起熱裂紋或降低耐蝕性。避免在1200～1300℃高溫區(qū)和550～900℃中溫區(qū)的敏化溫度區(qū)間停留過長時(shí)間可以防止晶間腐蝕。因此，選擇小的焊接線能量和避免在敏化溫度區(qū)間停留時(shí)間過長，是保證獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的有效措施。

2.1.2 焊件清潔度要求

焊件表面的清潔度是成功地焊接鎳基合金的一個重要要求。焊件在組對、打磨過程中,表面容易產(chǎn)生氧化物質(zhì),這些物質(zhì)在焊接中容易結(jié)合形成氧化皮，形成夾渣或細(xì)小的不連續(xù)氧化物。這類氧化物不連續(xù)特別細(xì)小，一般用射線探傷和著色滲透也檢查不出來。此外，有些有害元素，如：S、P、Pb、Sn、Zn、Bi、Sb和As等，經(jīng)常存在于制造過程中所用的記號筆、油漆筆、以及油脂等材料中，焊接過程匯總會和Ni形成低熔點(diǎn)共晶。因此，在焊接前必須完全清除這些雜質(zhì)。

表1 Hastelloy-C-276化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[2] %

表3 ERNiCrMo-4焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[1] %

清理的方法取決于被清理物質(zhì)的種類，表面污物、油脂可用蒸汽脫脂或用丙酮及其他溶液去除。對不溶于脫脂劑的漆和其他雜物，可用氯甲烷、堿等清洗劑或特殊專用合成劑清洗。

2.1.3 鎳基材料焊接時(shí)其他注意事項(xiàng)

鎳基合金材料焊接過程中的層間溫度不宜過高，一般要求在50℃以下；該材料焊接一般不需要預(yù)熱和后熱處理。

接頭拘束應(yīng)力也是該材料焊接過程中需要注意的一個方面，采用合理的裝配和焊接順序及方向；拼接焊縫的焊接、同時(shí)存在收縮量大和收縮量小的焊縫時(shí)應(yīng)先焊收縮量大的焊縫；對工作時(shí)受力較大的焊縫應(yīng)先焊交叉焊縫的焊接等可以有效緩解接頭拘束應(yīng)力和接頭變形。

2.2 焊接缺陷

2.2.1 焊接熱裂紋

由于合金C-276焊縫具有樹狀組織，在粗大晶粒的邊界上，集中了一些低熔點(diǎn)共晶物和呈薄膜狀態(tài)分布的低熔點(diǎn)金屬，在晶界之間，大大削弱了晶界間的分子力，在拘束應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生熱裂紋。

熱裂紋分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和高溫失塑裂紋。結(jié)晶裂紋最容易發(fā)生在焊道弧坑，形成火口裂紋。結(jié)晶裂紋多半沿焊縫中心縱向開裂，也有些垂直于焊波。液化裂紋多出現(xiàn)在緊靠熔合線的熱影響區(qū)中，有的還出現(xiàn)在緊靠熔合線的熱影響區(qū)中。高溫失塑裂紋既會發(fā)生在熱裂紋中，也會發(fā)生在焊縫中。各種熱裂紋常常伴隨有微觀裂紋，但有時(shí)僅有微觀裂紋。熱裂紋發(fā)生在高溫狀態(tài)，常溫下不再擴(kuò)展。

2.2.2 氣孔

從合金相圖及合金元素分配的特點(diǎn)上反映出，固、液兩相之間溫度間距小，流動性偏低，在焊接快速冷卻凝固結(jié)晶條件下，氣體來不及逸出，殘留在焊縫中便生成了氣孔。

2.2.3 焊縫內(nèi)凹

焊接時(shí)對焊縫表面的要求更為嚴(yán)格，焊接時(shí)一定要焊成凸形焊道。焊接完成后出現(xiàn)開裂的大部分案例是由于凹形焊道的應(yīng)力集中造成的。因此,在施焊過程中,注意焊縫的成型及飽滿度，通常要求焊縫高度高于母材表面1～2mm。

鎳基合金焊縫金屬不同于普通碳鋼的焊縫金屬那樣容易濕潤展開，即使增大焊接電流也不能改進(jìn)焊縫金屬的流動性，反而起著有害作用，這是鎳基耐蝕合金的固有特性。因此為獲得良好的焊縫成形，采用小擺動工藝，同時(shí)，焊工在擺動到每一側(cè)極限位置時(shí)，要稍停頓一下，以便有足夠的時(shí)間使熔化的金屬填滿咬邊。

2.3 焊后耐蝕性能

對于大多數(shù)鎳基耐蝕合金，焊接完成后焊縫對耐蝕性能并沒有多大影響。通常在選用焊接材料時(shí)應(yīng)根據(jù)焊接材料的化學(xué)成分、焊材的可焊性能選用與母材相匹配的焊材進(jìn)行焊接。這樣焊縫金屬的強(qiáng)度和耐腐蝕性能相當(dāng)或接近于母材的性能，滿足用戶使用要求。

3 焊接材料

3.1 保護(hù)氣體

為保證良好的焊接性能和優(yōu)良的焊接接頭，保護(hù)氣體采用99.99%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的純氬氣。

3.2 鎢極

焊接時(shí)采用φ2.5mm的鈰鎢極，把鎢極頭磨成錐形。通常使用的圓錐角為30°～60°，尖端磨平，直徑約為0.4mm。

3.3 焊絲

根據(jù)哈氏合金（C-276）的焊接特性，打底焊、填充、蓋面均采用TIG焊接。選用的焊絲型號為ERNiCrMo-4（見表3、表4）。

表4 ERNiCrMo-4焊絲力學(xué)性能[4]

4 焊接工藝

4.1 管道切割

管道切口表面應(yīng)平整、無裂紋、重皮、毛刺、凹凸、縮口、熔渣、氧化物及鐵屑等，切口斷面傾斜偏差不應(yīng)大于管子外徑的1%，且不超過3mm。必須用磨光機(jī)磨去影響焊接質(zhì)量的表面層，并將凹凸不平處打磨平整。

4.2 坡口加工

采用機(jī)械加工的方法加工坡口成“V”型：坡口角度、坡口鈍邊、組對間隙等參數(shù)詳見圖1。由于機(jī)械加工會帶來加工硬化，因此對機(jī)械加工的坡口處進(jìn)行焊接前要進(jìn)行必要的打磨。焊前將坡口內(nèi)外壁50mm范圍內(nèi)用丙酮清洗坡口表面。

4.3 管道組對、定位焊

焊縫組對時(shí)，應(yīng)使內(nèi)壁平齊，其錯邊量不得超過壁厚的10%且不超過3mm。然后進(jìn)行定位焊。定位焊的數(shù)量不應(yīng)少于3點(diǎn),一般根據(jù)管道直徑確定，一般為10～30mm，并應(yīng)焊透且無任何缺陷；同時(shí)，要注意將定位焊的焊縫兩端打磨成帶斜坡的凹槽，以便于正式焊接時(shí)接頭部位能良好的熔合。打底焊時(shí)，管道背面要進(jìn)行充氬保護(hù)。

4.4 焊接

采用φ2.5mm的鈰鎢極，鎢極伸出長度3～5mm，層間溫度≤50℃，噴嘴直徑φ10mm。正式焊接前，應(yīng)先將管道內(nèi)部的空氣用氬氣置換干凈。焊件保護(hù)方式見圖2。

焊接時(shí)，采用高頻引弧，焊把在焊接時(shí)要盡量垂直焊件，這樣能更好地控制熔池大小，而且可使噴嘴氬氣均勻保護(hù)熔池而不被氧化。采用小電流、快的焊接速度，降低熱輸入，防止熱量集中產(chǎn)生裂紋。

焊接前和層間之間必須進(jìn)行坡口處理，每一層焊道完成后均應(yīng)徹底清除焊道表面的熔渣并進(jìn)行檢查，消除各種表面缺陷，檢查合格后方可焊接下一層。嚴(yán)禁采用普通砂輪片進(jìn)行修磨，以免坡口處理不干凈，雜質(zhì)熔入熔池。

鎢極端部離焊件距離2mm左右，焊絲要順著坡口沿著管子的切線方向進(jìn)行焊接。焊絲的端部要始終在保護(hù)氣體中，防止氧化而生成雜質(zhì)。

在填絲過程中，焊絲不能與鎢極直接接觸或直接深入電弧的弧柱區(qū)，否則會造成焊縫夾鎢和破壞電弧穩(wěn)定。若焊絲端頭在高溫過程中脫離了氬氣保護(hù)區(qū)域，容易在空氣中被氧化，因此當(dāng)再次焊接時(shí)應(yīng)及時(shí)清理被氧化部分。

起焊和收弧的上下接頭要超過中心線5～10mm，要注意坡口邊緣不要被電弧擦傷，以備蓋面層的焊接。

蓋面時(shí)，應(yīng)在坡口邊緣稍作停頓，以保證熔池與坡口更好熔合，保證蓋面層焊縫和邊緣熔合整齊、美觀。

收尾處打磨成斜坡狀，焊至斜坡時(shí)暫停送絲，先用電弧的熱量把斜坡處預(yù)熱并熔化成熔孔時(shí)，再迅速送絲。

收弧時(shí)要注意填滿弧坑，同時(shí)注意要將焊嘴在收弧處放置10～20sec。

焊縫表面嚴(yán)禁有電弧擦傷，且不得在焊件表面引弧或試弧，在焊接中確保起弧的質(zhì)量，收弧時(shí)應(yīng)在弧坑點(diǎn)焊幾點(diǎn)，將弧坑填滿，使弧坑不會急速冷卻，防止弧坑熱裂紋。多層焊的層間接頭應(yīng)相互錯開，每條焊縫應(yīng)一次連續(xù)焊完。

4.5 焊接工藝參數(shù)（見表5）

4.6 焊后經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

（1）在焊前認(rèn)真清理焊縫表面，應(yīng)嚴(yán)格控制母材、焊材中的硫、磷等雜質(zhì)的含量，以及焊接工藝參數(shù)、環(huán)境溫度、濕度。焊接時(shí)選用較小的線能量，焊絲前端（受熱端）必須一直處于氣體保護(hù)之中，嚴(yán)禁斷續(xù)送絲，采用短弧焊接，控制好層間溫度，收弧時(shí)將弧坑填滿，利用焊機(jī)氣體延時(shí)進(jìn)行保護(hù)，避免收弧處在高溫條件下被大氣污染氧化。

（2）誘發(fā)氣孔產(chǎn)生的因素主要有：坡口表面油脂，氧化物、在下料過程中記號筆的痕跡等異物沒有清理干凈，氣體保護(hù)不當(dāng)、氣體純度不高、流量不夠。避免上述情況的存在，可減少氣孔生成的機(jī)率。

（3）保證合適的焊接速度。速度慢，焊縫金屬線能量較大，使焊縫金屬合金元素?zé)龘p較多，熱影響區(qū)產(chǎn)生過熱組織，導(dǎo)致晶粒粗大，焊接接頭物理性能下降。速度快，熔池保護(hù)不好，熔池金屬未得到充分的冶金反應(yīng)，焊縫溫度偏低，焊縫邊緣熔合不好，容易產(chǎn)生裂紋。

4.7 焊接結(jié)果

在實(shí)際焊接過程中，哈氏合金(Hastelloy-C-276)管道共有218道焊接接頭，焊縫表面質(zhì)量檢查100%達(dá)到合格要求。拍片416張，有4張片子存在未熔合、夾鎢缺陷，焊接一次合格率為99.0%。焊接完成的管道，水壓強(qiáng)度試驗(yàn)全部一次成功，無一處發(fā)生變形、泄漏現(xiàn)象。

實(shí)踐證明，在丙烯酸及脂 (AA/AE)工程中哈氏合金(Hastelloy-C-276)管道采用鎢極氬弧焊焊接工藝是可行的，焊縫性能可以得到保證。項(xiàng)目自2008年投產(chǎn)至今，運(yùn)行良好。哈氏合金C-276不銹鋼管道焊接的成功為今后同類材質(zhì)的焊接積累了經(jīng)驗(yàn)。

表5 Hastelloy-C-276（4”×SCH.10S）管材焊接工藝參數(shù)[5]

1 SH 3501—2002,石油化工有毒、可燃介質(zhì)管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

2 中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊第二卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

3 ASME鍋爐及壓力容器委員會材料分委員會.ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范Ⅱ 材料B篇 非鐵基材料[M].北京：中國石化出版社.2001.

4 GB/T13814-92,鎳及鎳合金焊條[S].

5 H 2007—03,中國石化集團(tuán)第五建設(shè)公司焊接工藝評定[J].

TG47

B

1672-9323（2013）01-0074-03

2012-12-01)