韓 冰 馮 偉 魏 濤

抗硫高壓分離器UNS N06625堆焊工藝與腐蝕試驗(yàn)

韓 冰1馮 偉2魏 濤2

(1．中石化南化公司化機(jī)廠，南京210048;2．機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所 哈爾濱150028)

分析了高含H2S，CO2的產(chǎn)出物的特性，確定了井口分離器采用低合金鋼堆焊625合金的結(jié)構(gòu)形式，并選擇合適的焊接工藝方法，對(duì)625合金的焊接性進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)工藝試驗(yàn)，摸索出合適的焊接工藝參數(shù)，進(jìn)行了單層電渣堆焊、焊條電弧焊堆焊和小管內(nèi)孔自動(dòng)氬弧焊堆焊3種焊接方法評(píng)定，并進(jìn)行了晶間腐蝕、氯化鎂應(yīng)力腐蝕和模擬分離器工況條件的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕和動(dòng)態(tài)腐蝕評(píng)價(jià)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果合格，滿(mǎn)足技術(shù)要求，并據(jù)此完成了設(shè)備制造。

鎳基合金 堆焊 工藝評(píng)定 腐蝕試驗(yàn)

0 序 言

高含H2S，CO2的天然氣田在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，氣井產(chǎn)出物除高含硫、天然氣外，還含有殘酸、水、單質(zhì)硫等懸浮物雜質(zhì)。這些雜質(zhì)會(huì)對(duì)井口設(shè)備及下游設(shè)備和管道產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，因而在井口需要相應(yīng)的分離器對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行有效分離，以阻止腐蝕介質(zhì)進(jìn)入正常的輸送管道，保障輸送安全。因此，抗硫高壓分離器是氣田安全高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備之一。此前設(shè)備全部依賴(lài)進(jìn)口，價(jià)格昂貴，供貨周期長(zhǎng)，影響了高含硫氣田的高效開(kāi)發(fā)，通過(guò)對(duì)進(jìn)口同類(lèi)設(shè)備的了解和分析，逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

1 抗硫高壓分離器結(jié)構(gòu)及堆焊方法的選擇

考慮到在高含硫天然氣的地面上腐蝕性相對(duì)較強(qiáng)，環(huán)境惡劣的情況下，應(yīng)該采用耐蝕金屬［1］。最終確定設(shè)備結(jié)構(gòu)形式為:基層材質(zhì)選用低合金鋼Q345R，內(nèi)壁全部堆焊5 mm厚的UNS N06625合金(以下簡(jiǎn)稱(chēng)625合金)。堆焊需要解決高鎳合金的稀釋、堆焊方法的選擇等問(wèn)題。

大面積堆焊不可能采用生產(chǎn)效率較低的手工方法，因此可供選擇的方法有埋弧焊和電渣焊。對(duì)于625合金，埋弧焊稀釋率一般達(dá)到18%，而電渣焊只有10%［2］，所以理論上最好選用電渣焊。結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，文中使用帶極電渣堆焊、焊條電弧堆焊和小管內(nèi)孔自動(dòng)氬弧焊堆焊3種焊接方法，并對(duì)其進(jìn)行工藝評(píng)定，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)腐蝕試驗(yàn)，以驗(yàn)證堆焊的625合金能否滿(mǎn)足GB/T20972《石油天然氣工業(yè)油氣開(kāi)采中用于含硫化氫環(huán)境的材料》相關(guān)要求。

2 625合金焊接性分析

625合金是一種高鎳的Ni-Cr-Mo系合金材料，鎳基合金在凝固過(guò)程中，焊縫金屬中由于柱狀晶的成長(zhǎng)使剩余液態(tài)金屬中溶質(zhì)元素含量增加，凝固最后階段在柱狀晶形成低熔點(diǎn)液態(tài)薄膜，由于液態(tài)金屬薄膜的強(qiáng)度較低，且變形能力極差，容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。而結(jié)晶裂紋的敏感性與焊縫金屬結(jié)晶溫度區(qū)間的大小、合金元素及雜質(zhì)的含量、凝固過(guò)程施加的應(yīng)變及冷卻速度的快慢有關(guān)。當(dāng)待焊母材表面含有油、污、氧化物等雜質(zhì)時(shí)，Ni與S，P等雜質(zhì)在焊接過(guò)程中就很容易形成低熔點(diǎn)共晶物而產(chǎn)生熱裂紋，因此625合金具有較高的焊接熱裂紋敏感性。如果母材表面含Pb時(shí)，在S和Pb污染物的聯(lián)合作用下，也很容易形成S或Pb的脆化物［3－5］。鎳基合金在焊接過(guò)程中要嚴(yán)格限制熱輸入的大小，高熱輸入焊接鎳基耐蝕合金會(huì)造成過(guò)度的偏析、碳化物的沉淀或其他的有害的冶金現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)在熱影響區(qū)產(chǎn)生一定程度的退火及晶粒的長(zhǎng)大。另外，鎳合金的金屬流動(dòng)性較差，潤(rùn)濕鋪展性較弱，熔池淺，焊縫的稀釋率低，焊接成形不容易控制，對(duì)待堆焊面的粗糙度要求高。使用增大焊接電流的方法也不能改進(jìn)焊縫金屬的流動(dòng)性，反而起著有害的作用，這是因?yàn)樵龃蠛附与娏鞑粌H會(huì)造成熔池過(guò)熱，增大熱裂紋的敏感性，而且會(huì)使焊縫金屬中的脫氧劑蒸發(fā)，導(dǎo)致氣孔的出現(xiàn)。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接規(guī)范，減少過(guò)熱，并避免過(guò)大的焊接應(yīng)力。

3 625合金堆焊工藝評(píng)定

在鐵基母材上堆焊鎳基合金，必須考慮稀釋的問(wèn)題。由于設(shè)備要求堆焊層最小厚度為5 mm，如果使用常規(guī)單層電渣堆焊，一般堆焊厚度為mm，厚度無(wú)法滿(mǎn)足要求;如果堆焊兩層，又會(huì)由于鎳基材料的流動(dòng)性差，焊道成形不好，在保證堆焊外觀質(zhì)量的前提下，堆焊厚度達(dá)到8 mm左右，這樣會(huì)大大地提高了成本;如果堆焊一層不銹鋼過(guò)渡層和一層625合金耐蝕層，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，其化學(xué)成分和抗腐蝕性能均無(wú)法達(dá)到技術(shù)要求。因此，三種堆焊工藝評(píng)定的重點(diǎn)是試驗(yàn)開(kāi)發(fā)單層帶極電渣堆焊，使堆焊厚度直接達(dá)到5 mm。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，最終確定出合適的焊接規(guī)范，并通過(guò)理論計(jì)算，提出焊帶化學(xué)成分的控制要求，特別是C，F(xiàn)e，Nb，Mo的含量。在滿(mǎn)足化學(xué)成分的前提下，嚴(yán)格控制Fe的含量，即把Fe對(duì)鎳基合金的稀釋控制在最低水平，這是因?yàn)檫^(guò)多的Fe容易使堆焊層的耐腐蝕性能降低，并引發(fā)焊接裂紋。

工藝評(píng)定均選用進(jìn)口焊材，焊帶為EQNiCrMo－3，焊劑為 INCOFLUX ESS5，焊條為 EQNiCrMo－3(φ4 mm)，焊絲為 EQNiCrMo－3(φ1．2 mm)。其中，焊帶的化學(xué)成分見(jiàn)表1(復(fù)驗(yàn)值)。所選用的焊接參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 EQNiCrMo－3焊帶的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊接工藝參數(shù)

針對(duì)625合金的焊接特性，采取的工藝控制措施主要有:①焊接前必須徹底清理焊接區(qū)，保證焊面潔凈、露出金屬光澤，減少焊接氣孔、裂紋的產(chǎn)生;②在焊條電弧焊堆焊和氬弧焊堆焊時(shí)，都需要采用小幅度的擺動(dòng)焊，處理熔池金屬流動(dòng)性不好的問(wèn)題;③嚴(yán)格控制道間溫度不超過(guò)100℃;④?chē)?yán)格控制焊接電流、電壓和焊接速度，控制稀釋率;⑤電渣堆焊需加磁控裝置。

試板堆焊完畢后，進(jìn)行模擬設(shè)備的焊后熱處理，并對(duì)評(píng)定試板進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果如下:①外觀檢查:堆焊表面未發(fā)現(xiàn)裂紋、凹陷等缺陷，經(jīng)外觀檢查合格;②無(wú)損檢測(cè):堆焊層表面100%PT和堆焊層缺陷、不貼合度100%UT，均按JB/T 4730Ⅰ級(jí)合格;③側(cè)彎試驗(yàn):大側(cè)彎、小側(cè)彎，其中2件垂直于堆焊方向，2件平行于堆焊方向，彎曲后在堆焊層和熔合線(xiàn)上均無(wú)裂紋，合格;④硬度測(cè)量:測(cè)量表面硬度HRC≤22，斷面顯微硬度≤248 HV，具體見(jiàn)表3;⑤宏觀低倍:在焊道搭接處取剖面，剖面經(jīng)拋光、侵蝕后用5倍放大鏡觀察，未見(jiàn)層下裂紋、夾渣、未熔合等缺陷出現(xiàn)，剖面測(cè)堆焊層厚度≥5 mm;⑥化學(xué)成分分析:表層下2 mm處化學(xué)成分分析見(jiàn)表4，滿(mǎn)足技術(shù)要求。

表3 硬度測(cè)試結(jié)果

表4 堆焊層化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

4 腐蝕試驗(yàn)

4．1 晶間腐蝕

對(duì)堆焊試板按ASTM A262 C法進(jìn)行5個(gè)周期的試驗(yàn)，要求5個(gè)周期的平均腐蝕率不大于0．075毫米·月－1。試驗(yàn)結(jié)果表明，3種堆焊方法均滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，見(jiàn)表5。其中，氬弧堆焊最低，平均腐蝕率0．047毫米·月－1。

表5 晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果 毫米·月－1

4．2 氯化鎂應(yīng)力腐蝕

按照標(biāo)準(zhǔn)YB/T 5326—2006《黃血鹽鈉水不溶物的測(cè)定方法》對(duì)堆焊層進(jìn)行了氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)。負(fù)荷應(yīng)力243 MPa，試驗(yàn)溶液為42%的沸騰氯化鎂溶液，試驗(yàn)2個(gè)周期，每周期96 h。第一周期后，用10倍放大鏡檢查均無(wú)裂紋;第二周期結(jié)束后，試樣同樣均無(wú)裂紋，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4．3 抗硫化氫應(yīng)力腐蝕

為進(jìn)一步驗(yàn)證焊接熔敷金屬的抗腐蝕能力，對(duì)3種焊接方法的焊接試板模擬井口殘酸分離工況條件(表6)，按GB/T4157《金屬在硫化氫環(huán)境中抗特殊形式環(huán)境開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)》的規(guī)定進(jìn)行了硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)(SCC)。使用GB/T15970．2《金屬與合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)第2部分:彎梁試樣的制備和應(yīng)用》規(guī)定的四點(diǎn)彎曲試樣，從堆焊在金屬基板上的焊材熔敷金屬表面向下3 mm處取SSC試樣，試樣長(zhǎng)度方向平行焊道方向，試驗(yàn)周期為720 h。試驗(yàn)結(jié)果表明，在模擬工況條件下，未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂;去除腐蝕產(chǎn)物前的試樣如圖1所示，可以看到試樣表面附著一層的污物，這層污物應(yīng)與取試樣時(shí)溶液進(jìn)入氧氣使得部分金屬Fe粒子沉淀有關(guān)。如圖2所示，將表層污物用酒精棉花擦除后，發(fā)現(xiàn)試樣仍然保持金屬光澤，說(shuō)明腐蝕輕微，氬弧堆焊試樣表面好于其它兩個(gè)試樣，所有試樣表面沒(méi)有觀察到宏觀應(yīng)力腐蝕裂紋，滿(mǎn)足技術(shù)要求。

表6 井口殘酸分離工況條件

圖1 去除腐蝕產(chǎn)物前的堆焊試樣

圖2 去除腐蝕產(chǎn)物后的堆焊試樣

4．4 動(dòng)態(tài)腐蝕評(píng)價(jià)

在3種焊接方法的堆焊試板的熔敷金屬上切取腐蝕掛片，掛片尺寸為50 mm×10 mm×3 mm，同時(shí)模擬普光氣田井口殘酸分離工況條件(表6)進(jìn)行腐蝕失重試驗(yàn)，試驗(yàn)周期168 h。圖3為失重腐蝕試樣的表面形態(tài)，由圖3a可見(jiàn)試樣表面略微呈現(xiàn)金黃色，說(shuō)明腐蝕非常輕微，稱(chēng)重后的數(shù)據(jù)同樣表明腐蝕速率較低，均小于0．01 mm/a。3種試樣的腐蝕數(shù)據(jù)見(jiàn)表7，其中，氬弧堆焊試樣的腐蝕速率最低，為0．005 3 mm/a。

圖3 失重腐蝕試樣表面形態(tài)

表7 焊接試板模擬工況條件動(dòng)態(tài)腐蝕速率

5 結(jié) 論

(1)在低合金鋼母材上進(jìn)行625合金電渣堆焊、焊條電弧堆焊、自動(dòng)氬弧焊堆焊的工藝評(píng)定，評(píng)定結(jié)果合格，滿(mǎn)足技術(shù)要求。

(2)經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)與論證，確定了鎳基合金單層帶極電渣堆焊厚度≥5 mm的堆焊技術(shù)。

(3)3種堆焊焊縫在所測(cè)試的試驗(yàn)環(huán)境下具有良好的抗晶間腐蝕、失重腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能，均滿(mǎn)足技術(shù)要求。其中，氬弧焊堆焊焊縫的抗腐蝕性能最好，堆焊金屬抗腐蝕能力滿(mǎn)足天然氣開(kāi)采中含硫化氫環(huán)境的使用。針對(duì)高含硫氣田特性開(kāi)發(fā)的井口高壓抗硫分離器，按照評(píng)定合格的焊接工藝施焊并制造出廠，現(xiàn)已在普光氣田使用。

［1］ 梁 峰，陳 震，李明義，等．高含硫氣田腐蝕特征以及腐蝕控制技術(shù)［J］．工業(yè)，2015(2):140－140．

［2］ 王金光．大面積UNS N06625電渣帶極堆焊技術(shù)研究［J］．石油化工設(shè)備，2011，40(6):64 －66．

［3］ 周兵風(fēng)．抗硫高壓分離器Inconel625的帶極電渣堆焊［C］．北京:壓力容器先進(jìn)技術(shù)－第八屆全國(guó)壓力容器學(xué)術(shù)會(huì)議，2013．

［4］ 秦 建，王 麗，黑鵬輝，等．Inconel625堆焊接頭組織與性能分析［J］．機(jī)械制造文摘——焊接分冊(cè)，2015(1):16－19．

［5］ 成炳煌．焊接手冊(cè)(2)焊接材料［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

TG455

2017－03－01

韓 冰，1970年出生，學(xué)士，高級(jí)工程師。主要從事壓力容器制造工作。