引言

N10276是一種鎳-鉻-鉬抗腐蝕合金,也稱哈氏合金C-276,可以適應(yīng)多種復(fù)雜的腐蝕環(huán)境,對局部腐蝕有很強(qiáng)的抵抗能力。鎳合金常用來制造石油化工設(shè)備,因此鎳合金復(fù)合板便得到了廣泛的應(yīng)用。某公司承接一厚壁鎳基復(fù)合板塔式容器項(xiàng)目,基層材料o345R,復(fù)層材料Ss-575N10276,最大厚度(125B3)＋＋,容器總重量90+,長度10520＋＋,設(shè)計(jì)圖紙要求焊后整體消除應(yīng)力熱處理。容器焊接分為三大部分:基層、過渡層、復(fù)層,基層板較厚,過渡層、復(fù)層焊接要考慮對材料腐蝕的影響,焊接難度大。

分析:基層材料o345R常規(guī)焊后消除應(yīng)力熱處理溫度為(620±20)m,如果采用此溫度進(jìn)行熱處理,復(fù)層N10276會迅速敏化,耐腐蝕性能嚴(yán)重下降。當(dāng)選擇降溫?zé)崽幚頃r,按照容器熱處理標(biāo)準(zhǔn),保溫時間又大幅增加,將導(dǎo)致基層焊縫抗拉強(qiáng)度下降,甚至不合格。因此選擇合理的焊后熱處理溫度、時間和基層焊接材料尤為重要,既要保證基層焊縫強(qiáng)度,又要保證復(fù)層耐腐蝕性能。筆者通過查閱相關(guān)資料和標(biāo)準(zhǔn),并選擇不同的焊接材料進(jìn)行試驗(yàn),制訂了嚴(yán)格的焊接工藝參數(shù),成功解決了這一問題。

1容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要參數(shù)

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):Gs150.1~150.4—2011《壓力容器》。設(shè)計(jì)壓力:7.0MPa:設(shè)計(jì)溫度:195℃:最低設(shè)計(jì)金屬溫度:-15℃:容器類別:Ⅲ類。上封頭厚度(82B3)＋＋:筒體厚度(122B3)＋＋:錐體分為三段,厚度分別為(125B3)＋＋、(84B3)＋＋、(52B3)＋＋(圖1)。設(shè)計(jì)圖紙要求制備產(chǎn)品焊接試板。

2母材焊接性分析

2.1基層材料Q345R

o345R鋼板符合Gs713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn),主要化學(xué)成分如表1所示。o345R是低合金高強(qiáng)鋼,焊接性良好,鋼中含有少量的合金元素。薄板焊接不易產(chǎn)生裂紋,厚板焊接時,焊接工藝不合理會產(chǎn)生裂紋,焊接裂紋分為冷裂紋和熱裂紋。

2.1.1焊接冷裂紋

形成焊接冷裂紋的三大要素:淬硬、焊接應(yīng)力、擴(kuò)散氫。

(1)o345R碳當(dāng)量Cep≤0.40%,在焊接過程中基本無脆硬傾向,正常情況下冷裂紋傾向小,但當(dāng)母材厚度≥25＋＋時,應(yīng)考慮焊前預(yù)熱和焊后立即后熱消氫處理。

(2)焊接過程中不均勻的加熱和冷卻都會產(chǎn)生不同的拘束應(yīng)力,板厚越大,所造成的拘束度也越大,導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋的傾向也就越大。o345R厚板焊接時,選擇合理的焊接坡口,采用合理的焊接工藝可以降低焊接應(yīng)力,減小焊接冷裂紋風(fēng)險。

(3)降低焊縫中氫的措施有:選擇低氫型焊接材料、降低焊縫冷卻速度、板厚≥50＋＋焊后立即后熱消氫處理。

2.1.2焊接熱裂紋

o345R板厚較大時,特別是焊縫成型系數(shù)較小時(熔池窄而深),焊縫中的S、P等雜質(zhì)易形成低熔點(diǎn)共晶物,焊縫金屬在拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋。熱裂紋有兩個重要因素:冶金因素和力的因素。減少焊接熱裂紋的有效措施有:選用Si、Mn型焊接材料,使焊縫中S與Si、Mn結(jié)合形成穩(wěn)定化合物:制定合理的焊接順序和焊接工藝以減小焊接應(yīng)力。

2.2復(fù)層哈氏合金C-276

Ss-575N10276符合美國標(biāo)準(zhǔn)ASMEⅡs篇《非鐵基材料》,主要化學(xué)成分如表2所示。

鎳及鎳合金獲得成功焊接最重要的是清理,焊前要嚴(yán)格將焊接坡口及兩側(cè)15＋＋范圍內(nèi)清理干凈,尤其要去除表面的氧化層,因?yàn)楹附舆^程中Ni能與P、S、Pb、Al或低熔點(diǎn)的物質(zhì)形成脆化元素。由于氧化物(一般在540℃以上形成)的熔點(diǎn)高(2040℃)而鎳的熔點(diǎn)為1400℃,因而會造成未熔合。另外,在鎳及鎳合金焊接中的主要有害雜質(zhì)鋅(Zn)、硫(s)、碳(C)、鋼(Bi)、鉛(Pb)、鎘(Cd)等能增加鎳基合金的焊接裂紋傾向。氧、氫、一氧化碳等氣體在熔化的鎳中溶解度極大,而在固態(tài)下溶解度大大減小,溶解度的變化是在熔化焊中引起氣孔的主要原因。

鎳合金焊材所形成的熔池十分黏稠,不可用加大電流的方法增加熔池流動性,加大電流的直接后果是會導(dǎo)致熔池溫度過高,使未來的焊縫中出現(xiàn)氣孔,同時過熱的溫度會使焊材中一些補(bǔ)償性元素意外被蒸發(fā)或氣化,造成焊縫出現(xiàn)缺陷。應(yīng)該采用輕微擺動的方法來攪動熔池,以利于溶解氣體逸出。

鎳合金氬弧焊熔深較小,不足碳鋼的一半,為奧氏體不銹鋼的2/3左右,因此接頭設(shè)計(jì)時,應(yīng)加大坡口、減小鈍邊厚度、適當(dāng)加大根部間隙,在操作中應(yīng)注意防止未焊透和根部缺陷。

3焊接工藝評定

焊接工藝評定按NB/T47014一2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》要求進(jìn)行試板制備、焊接、理化試驗(yàn)等。

3.1焊接工藝選擇

3.1.1熱處理溫度和時間

分析:容器需要整體消除應(yīng)力熱處理,符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T30583一2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》,鎳合金材料熱處理時,要考慮溫度和時間對母材敏化的影響。美國Haynes公司關(guān)于鎳合金的資料中有一張圖表,是時間一溫度一敏化曲線圖(圖2),很有指導(dǎo)意義。

GB/T30583一2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》規(guī)定o345R最低保溫溫度為600℃,且標(biāo)準(zhǔn)允許降溫?zé)崽幚?但降溫?zé)崽幚頃r,熱處理時間應(yīng)按表3規(guī)定執(zhí)行。

容器最大厚度(125＋3)mm,若參考基層o345R焊后熱處理常規(guī)溫度(620±15)℃,按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算最短保溫時間約為2.8h。由圖2可以看出,當(dāng)復(fù)層哈氏合金C-276在620℃熱處理時,保溫0.2h出現(xiàn)敏化,如果選擇(620±15)℃熱處理溫度對復(fù)層C-276耐腐蝕性影響較大,此熱處理溫度不合適,需重新選擇。參考表3降溫?zé)崽幚砼c最低保溫時間關(guān)系進(jìn)行分析,選擇降溫80℃進(jìn)行熱處理時,保溫時間過長,基層母材抗拉強(qiáng)度會降低太多,影響產(chǎn)品使用安全。綜合考慮熱處理溫度和時間對基層強(qiáng)度、復(fù)層敏化的影響,選擇降溫55℃,按表3計(jì)算,熱處理時間最低約為302min,筆者認(rèn)為容器進(jìn)行555EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(0℃/302~310min焊后熱處理比較合理。

3.1.2焊接材料

基層采用焊條電弧焊或焊條電弧焊＋埋弧焊兩種方法,焊條選用低氫型E5015(J507),埋弧焊選用氟堿型焊劑。容器需要進(jìn)行5個多小時熱處理,焊接工藝評定熱處理時間應(yīng)考慮3個熱循環(huán),工藝評定熱處理時間為16h,考慮到長時間熱處理會對焊縫抗拉強(qiáng)度影響較大,采購焊接材料時,要求焊材廠家做焊縫金屬模擬焊后熱處理。焊接材料選擇:GB/T5117一2012《非合金鋼及細(xì)晶粒鋼焊條》中的E5015(J507),小4.0mm:埋弧焊絲和焊劑分別選擇標(biāo)準(zhǔn)GB/T5293一1999《埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑》中的焊絲H10Mn2、焊劑F5P2-H10Mn2(sJ101),美國標(biāo)準(zhǔn)AsMEsFA-5.17《埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑標(biāo)準(zhǔn)》中的焊絲EH14、焊劑F48P2-EH14(sJ101),焊絲直徑小4.0mm。

焊材采購前要求至少兩家焊材供應(yīng)商分別做焊縫金屬模擬焊后熱處理試驗(yàn),試驗(yàn)要求:

手工電焊條:熔敷金屬s、P含量≤0.015%,進(jìn)行555EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(0℃保溫16h模焊處理,熔敷金屬夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)的KV2(-20℃)值≥54J。

埋弧焊絲和焊劑要求滿足:熔敷金屬s、P含量≤0.015%,進(jìn)行555EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(0℃保溫16h模焊處理,熔敷金屬夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)的KV2(-20℃)值>41J。

兩家焊材廠家反饋焊縫金屬成分及模擬焊后熱處理結(jié)果,如表4所示。

由表4可以得出結(jié)論:焊條E5015化學(xué)成分、機(jī)械性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求,焊絲H10Mn2配合焊劑F5P2-H10Mn2焊縫金屬化學(xué)成分、沖擊指標(biāo)合格,但抗拉強(qiáng)度452MPa、460MPa過低,不符合標(biāo)準(zhǔn)最低480MPa要求。EH14焊絲配合F48P2-EH14焊劑化學(xué)成分、機(jī)械性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。分析埋弧焊焊材組合F5P2-H10Mn2不合格原因:長時間熱處理導(dǎo)致焊縫金屬抗拉強(qiáng)度下降。而F48P2-EH14組合由于EH14焊絲含Mn量稍高,Mn是提高金屬強(qiáng)度的重要因素,即使經(jīng)過長時間模擬熱處理,試驗(yàn)結(jié)果仍合格。A、B焊材廠家焊條E50l5(J507)、埋弧焊絲EHl4配合埋弧焊劑F48P2-EHl4化學(xué)成分、機(jī)械性能都可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,從經(jīng)濟(jì)性考慮選擇B廠家焊條、埋弧焊絲和焊劑。

復(fù)層耐蝕堆焊采用機(jī)械、手工鎢極氬弧焊或其組合方法,過渡層、復(fù)層焊絲分別選用美國牛津oxford公司生產(chǎn)的ERNiCrMo-3、ERNiCrMo-4。氬弧焊焊絲符合美國標(biāo)準(zhǔn)AsMEsFA-5.l4《鎳和鎳合金光填充絲和焊絲標(biāo)準(zhǔn)》,質(zhì)量保證書中焊絲主要化學(xué)成分如表5所示。

3.2基層Q345R焊接工藝評定

分析:封頭采用瓜瓣冷成型方式加工,封頭廠定位拼接好,回公司焊接拼縫,與主筒體焊接后隨容器做整體消應(yīng)力熱處理。因此,根據(jù)容器厚度,基層焊接工藝評定做一項(xiàng),焊條電弧焊(sMAW)＋埋弧焊(sAW):555℃消應(yīng)力l6h,板厚44mm,焊縫金屬厚度各22mm(正面sMAW,背面sAW),焊接工藝參數(shù)如表6所示。

工藝評定試板進(jìn)行l(wèi)00%RT檢測,按NB/T47013.2一2015《承壓設(shè)備無損檢測第2部分:射線檢測》,Ⅰ級合格。

理化試驗(yàn)結(jié)果:

(1)拉伸2件,抗拉強(qiáng)度(Rm)分別為5l2MPa、5l8MPa:斷裂位置:焊縫。

(2)側(cè)彎4件,彎曲l80o無裂紋。

(3)焊縫、熱影響區(qū)-20℃沖擊各2組(上、下各1/4T處,KV2,單位:J)。焊縫(上l/4T):96,88,l02:焊縫(下l/4T):86,92,98:熱影響區(qū)(上1/4T):76,90,82:熱影響區(qū)(下l/4T):72,80,86。

試驗(yàn)結(jié)果合格。

3.3復(fù)層耐蝕堆焊焊接工藝評定

復(fù)層堆焊采用機(jī)械鎢極氬弧焊(機(jī)械GTAW)和手工鎢極氬弧焊(手工GTAW),焊絲直徑分別為1.2mm、2.4mm,過渡層焊絲ERNiCrMo-3,復(fù)層焊絲ERNiCrMo-4,工藝評定2項(xiàng),焊接工藝參數(shù)如表7所示。

(1機(jī)械GTAW:555℃消應(yīng)力l6h,板厚26mm,過渡層焊l層,復(fù)層焊3層:

(2)手工GTAW:555℃消應(yīng)力l6h,板厚26mm,過渡層焊l層,復(fù)層焊3層。

工藝評定試板復(fù)層進(jìn)行l(wèi)00%PT檢測,按NB/T470l3.5一20l5《承壓設(shè)備無損檢測第5部分:滲透檢測》,I級合格。

理化試驗(yàn)結(jié)果:側(cè)彎各4件,彎曲l80o無裂紋。

熔合線以上2.5mm、3mm分別取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表8所示。

由表8可以看出,機(jī)械GTAW試板熔合線以上2.5mm取樣位置,Cr含量l7.2%,高于標(biāo)準(zhǔn)的l4.5%~l6.5%,Mo含量l4.5%,低于標(biāo)準(zhǔn)的l5%~l7%,試驗(yàn)結(jié)果不合格。機(jī)械GTAW試板熔合線以上3.0mm取樣、手工GTAW試板熔合線以上2.5mm和3.0mm取樣試驗(yàn)結(jié)果合格。堆焊層經(jīng)美國材料協(xié)會mATMG28《鍛造鎳基含鉻材料腐蝕試驗(yàn)》m法,硫酸鐵-硫酸腐蝕24h,腐蝕率分別為:機(jī)械GTmw堆焊4.05mm/a:手工GTmw堆焊3.88mm/a,均小于12mm/a,腐蝕試驗(yàn)結(jié)果合格。

4容器焊接

4.1焊前準(zhǔn)備

根據(jù)焊接工藝評定(P0R)編制專用焊接工藝規(guī)程(wPA)、焊縫布置圖、焊接工藝等。施焊前由焊接檢驗(yàn)員確認(rèn)焊工資格,焊接工藝參數(shù)嚴(yán)格按焊接工藝規(guī)程執(zhí)行。

焊接試板應(yīng)由施焊該容器的焊工,采用與施焊容器相同的條件、過程與焊接工藝(包括施焊之后的熱處理?xiàng)l件)施焊,有熱處理要求的容器,試件一般應(yīng)當(dāng)隨容器進(jìn)行熱處理,否則應(yīng)當(dāng)采取措施保證試件按照與容器相同的工藝進(jìn)行熱處理[4]。

根據(jù)上述要求,焊接試板分別設(shè)置在封頭拼接焊縫(m01A)、主筒體拼接焊縫(m1A)。主體對接焊縫坡口設(shè)計(jì)如圖3所示。

4.2鍛件堆焊

編制專用堆焊工藝卡,法蘭、法蘭蓋堆焊使用機(jī)械氬弧焊,不能使用機(jī)械氬弧焊部位使用手工氬弧焊堆焊。機(jī)械氬弧焊盤絲焊接過程中注意避免污染,手工氬弧焊焊絲用丙酮擦拭干凈,過渡層堆焊前打磨出金屬光澤,清除油、銹等雜質(zhì)。堆焊前基層預(yù)熱≥80℃,控制道間溫度≤100℃,過渡層堆焊1層:復(fù)層堆焊4~6層,控制道間溫度≤80℃,堆焊總厚度6~7.5mm(包括機(jī)加工余量1~1.5mm)。

過渡層、復(fù)層堆焊后,分別進(jìn)行100%PT檢測,按NB/T47013.5一2015《承壓設(shè)備無損檢測第5部分:滲透檢測》,I級合格:復(fù)層堆焊后進(jìn)行100%UT檢測,按NB/T47013.3一2015《承壓設(shè)備無損檢測第3部分:超聲檢測》,I級合格。

4.3基層焊接

封頭、主筒體、錐體拼接焊縫分別進(jìn)行施焊。如圖1所示,焊縫m01~m08、m010、m01A、m8~m9、B2~B4采用焊條電弧焊,m1~m7、m1A、m09、B1基層采用焊條電弧焊＋埋弧焊,鍛件接管與主體焊縫采用焊條電弧焊。焊接前,先將焊條E5015、埋弧焊焊劑AJ101烘干,烘干溫度300~350℃,保溫2h?；鶎雍附忧邦A(yù)熱≥150℃,所有焊道焊接前不可低于此預(yù)熱溫度,焊接過程中溫度實(shí)時監(jiān)控,測溫點(diǎn)為焊縫兩側(cè)200mm范圍內(nèi),焊接過程中控制道間溫度≤250℃,背面碳弧氣刨清根前預(yù)熱≥150℃?；鶎雍缚p全部焊接完成后,立即進(jìn)行300~350℃、2h后熱消氫處理,使用保溫棉緩冷。

基層焊接后進(jìn)行100%UT檢測,按NB/T47013.3一2015《承壓設(shè)備無損檢測第3部分:超聲檢測》,I級合格。

4.4過渡層、復(fù)層焊接

焊縫m09、m1、m2、B1堆焊采用機(jī)械氬弧焊,其余焊縫堆焊采用手工氬弧焊,使用99.999%高純氬氣。過渡層堆焊前坡口應(yīng)打磨出金屬光澤,清除油、銹等雜質(zhì)。機(jī)械氬弧焊堆焊時,ERNiCrMo-3盤絲應(yīng)避免污染:手工氬弧焊時,焊絲ERNiCrMo-3表面用丙酮擦拭清除油污。過渡層焊接前基層預(yù)熱≥80℃,控制道間溫度≤100℃,過渡層堆焊1層。

復(fù)層堆焊前,坡口兩側(cè)20mm范圍內(nèi)、過渡層表面及手工氬弧焊焊絲ERNiCrMo-4用丙酮擦拭清除雜質(zhì),機(jī)械氬弧焊焊絲應(yīng)避免污染,焊接過程中控制道間溫度≤80℃,復(fù)層堆焊3層。

過渡層、復(fù)層堆焊后分別進(jìn)行100%PT檢測,按NB/T47013.5一2015《承壓設(shè)備無損檢測第5部分:滲透檢測》,I級合格:容器縱、環(huán)焊縫整體進(jìn)行100%RT檢測,按NB/T47013.2一2015《承壓設(shè)備無損檢測第2部分:射線檢測》,Ⅱ級合格。

5容器熱處理

容器焊接完畢后,整體進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理,兩塊焊接試板隨爐熱處理。編制專用熱處理工藝卡,按555℃/302~310min進(jìn)行熱處理。

熱處理后容器主體縱、環(huán)縫進(jìn)行100%UT檢測,按NB/T47013.3一2015《承壓設(shè)備無損檢測第3部分:超聲檢測》,I級合格。產(chǎn)品焊接試板根據(jù)NB/T470162011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》進(jìn)行理化試驗(yàn),機(jī)械性能合格:堆焊層腐蝕率分別為A09s:3.06mm/a、A1s:3.18mm/a,均小于12mm/a,腐蝕結(jié)果合格。

6結(jié)論

(1)分別對基層O345R、復(fù)層哈氏合金C-276焊接特性進(jìn)行分析,基層焊接難點(diǎn)在于避免焊接裂紋,減少裂紋的措施有:焊前清理雜質(zhì):選用低氫焊接材料:焊前預(yù)熱、焊后后熱消氫處理等。復(fù)層焊接難點(diǎn)在于鎳合金導(dǎo)熱性差、黏性強(qiáng)、流動性差、熔深較淺、易產(chǎn)生氧化,焊接操作難度大,雜質(zhì)較多時會形成低熔點(diǎn)共晶物,產(chǎn)生熱裂紋,坡口、焊絲清潔尤為重要,氬弧焊時選用99.999%高純氬氣,焊接時選用較小的線能量,同時嚴(yán)格控制道間溫度。

(2)分析焊后消除應(yīng)力熱處理溫度和時間對基層抗拉強(qiáng)度、復(fù)層耐腐蝕性能的影響,根據(jù)"時間一溫度一敏化曲線"選擇合理的焊后消除應(yīng)力溫度及時間。

(3)基層焊接材料進(jìn)行模擬焊接熱處理,選擇既滿足母材抗拉強(qiáng)度又具有經(jīng)濟(jì)性的焊接材料。容器焊接時盡量采用機(jī)械焊接方法,以降低勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率。基層焊接后增加超聲波檢測,發(fā)現(xiàn)缺陷及時返修,避免了后續(xù)射線檢測發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷,返修周期長的問題。容器主體焊縫射線探傷合格率100%,產(chǎn)品焊接試板機(jī)械性能、腐蝕率合格,容器分別經(jīng)7.0MPa氣密性試驗(yàn)、10.22MPa水壓試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果合格。