INCOLOY800HT鐵鎳基合金的焊接性能和焊接工藝研究

劉青山 靳華鋒

(北京燕華工程建設(shè)有限公司，北京102502)

上海賽科石油化工有限責(zé)任公650 kt/a苯乙烯裝置第一反應(yīng)器需更換靜態(tài)混合元件，由于反應(yīng)器靜態(tài)混合元件處在設(shè)備內(nèi)特殊位置，必須通過(guò)切割5道切口來(lái)達(dá)到更換靜態(tài)混合元件的目的，切割線部位材料為INCOLOY800HT，現(xiàn)場(chǎng)更換靜態(tài)元件后再按順序組對(duì)、焊接各切割線。INCOLOY800HT(以下簡(jiǎn)稱800HT)材料在INCOLOY800和INCOLOY800H的基礎(chǔ)上改良而成，在超高溫下具有更好的抗蠕變性能和持久性能。由于800HT合金成分比較高，焊接過(guò)程中易出現(xiàn)熱裂紋和再熱裂紋，造成焊接缺陷。因焊接熱循環(huán)的作用，易發(fā)生碳化物和脆性相的析出，導(dǎo)致晶間腐蝕和接頭脆化，影響焊接接頭組織性能。施工中通過(guò)對(duì)坡口設(shè)計(jì)、焊接材料、焊接工藝參數(shù)、熱處理工藝參數(shù)的選擇，成功地消除了800HT焊后熱裂紋和再熱裂紋的焊接缺陷，避免了二次硬化相的產(chǎn)生，保證了焊接質(zhì)量。

1 800HT材料的特性及焊接性能分析

800HT主要提高了碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.06%～0.10%)，同時(shí)控制鋁和硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和在0.85%～1.20%，并通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪垣@得5級(jí)或更粗的晶粒度，以此來(lái)達(dá)到并維持較高的抗蠕變性能、持久性能和耐氧化性能。

由于合金成分較高，加工難度增大，且材料的冶煉純凈度要求較高，對(duì)S、P、Al、Si的含量有較嚴(yán)苛的限制，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。因S、P、Al、Si容易與Ni、Fe等形成低熔點(diǎn)化合物，導(dǎo)致焊接裂紋和結(jié)晶裂紋，力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表1 INCOLOY800HT鋼的化學(xué)成分 %

表2 INCOLOY800HT鋼的力學(xué)性能

經(jīng)過(guò)焊接熱循環(huán)作用，鐵鎳基合金的熱影響區(qū)組織發(fā)生變化，碳化物和和脆性相析出，導(dǎo)致晶間腐蝕和接頭脆化。因此，焊接該類合金時(shí)，應(yīng)避免焊接區(qū)在高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

熱加工的溫度區(qū)間很窄，如果加工溫度低，變形殘余應(yīng)力會(huì)在高溫工況下釋放，并伴隨再結(jié)晶，在承壓下會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)，同時(shí)影響材料的高溫蠕變性能和持久性能，使材料性能下降。若溫度太高會(huì)伴隨二次硬化相(σ脆性相和475 ℃脆性相)的產(chǎn)生，從而使材料綜合機(jī)械性能、焊接性能、耐腐蝕性能下降。

800HT材料的焊接要求是比較高的，由于其合金成分比較高，容易出現(xiàn)熱裂紋(結(jié)晶裂紋)和再熱裂紋，因此要采用小線量(小于10 kJ)、無(wú)擺動(dòng)快速焊接、多層焊的焊接參數(shù)，且應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度。除此之外，還應(yīng)采用含鈷焊條，以保證焊縫金屬的高溫性能。同時(shí)，還要充分清除焊接坡口異物，嚴(yán)格烘干焊條制度，控制焊接環(huán)境的濕度、風(fēng)速，焊縫余高打磨平等。

2 焊接方法及焊接工藝選擇

2.1 焊接方法選擇

鎢極氬弧焊較小的焊接熱輸入和弧長(zhǎng)較短，可以在焊縫背后沖氬氣保護(hù)，幾乎適合任何鐵鎳基合金的焊接。焊條電弧焊主要用于固溶強(qiáng)化型鐵鎳基合金的焊接，焊條藥皮類型為堿性，由于液態(tài)金屬的流動(dòng)性差，為防止未融合和氣孔等缺陷，焊接時(shí)焊條適當(dāng)擺動(dòng)。

經(jīng)分析，本次改造項(xiàng)目INCOLOY800HT材料的焊接采用鎢極氬弧焊打底﹑焊條填充蓋面的方法。

2.2 焊接材料選擇

為保證各項(xiàng)性能與母材相當(dāng)，焊接材料與母材的化學(xué)成分應(yīng)盡量相近，焊條選用ENiCrCoMo-1,焊絲選用ERNiCrCoMo-1，這種焊材是Inco公司專門為INCOLOY800HT配套開發(fā)的，以保證焊縫同母材相同的高溫性能，焊接材料選用見(jiàn)表3。

表3 焊接材料選用

2.3 坡口形式選擇

由于INCOLOY800HT為鎳基材料，母材及其匹配的焊接材料含鎳量更高，具有更低的熱導(dǎo)率和高的膨脹系數(shù)，熔融金屬具有黏滯性，熔池金屬流動(dòng)性更差，出現(xiàn)夾渣和氣孔的幾率更大，為此在設(shè)計(jì)時(shí)采用了更大的坡口角度，以抵消材料的收縮。

切割線材料為INCOLOY800HT，按坡口選擇圖(見(jiàn)圖1)對(duì)各部件進(jìn)行坡口加工。坡口加工采用等離子和砂輪切割，加工后應(yīng)進(jìn)行外觀檢查，其表面不得有裂紋、分層、夾渣等缺陷。

圖1 切割線焊縫坡口

2.4 焊接工藝參數(shù)選擇

在焊前對(duì)材料進(jìn)行充分烘焙，清除工件上的水分，減少氣孔的存在，在焊道的安排中采用窄焊道、多道焊，焊接時(shí)盡量減少接頭的約束，限制焊條的擺動(dòng)，減少夾渣的存在，為了防止熱裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)在規(guī)定的低熱量輸入下進(jìn)行，選用小的電流和線能量進(jìn)行焊接(焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4)，控制層間溫度，熄弧時(shí)弧坑填滿。

表4 焊接工藝參數(shù)

2.5 接頭力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)焊件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)(拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn))，INCOLOY800HT的常溫力學(xué)性能：Rm≥450 MPa，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)的要求(力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5)。為全面考核焊接接頭橫向變形能力，根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行4個(gè)側(cè)彎試樣，結(jié)果見(jiàn)表6。除個(gè)別試樣出現(xiàn)容許的缺陷外，大部分試樣受拉面為完好狀態(tài)，結(jié)果均在合格范圍內(nèi)。

表5 焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6 焊縫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)材料進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

按照規(guī)定焊接試件﹑檢驗(yàn)試樣﹑測(cè)定性能﹑確認(rèn)試驗(yàn)記錄正確，結(jié)論為合格。

表7 焊縫高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)焊接及熱處理工藝控制

3.1 焊接過(guò)程控制

采用鎢極氬弧焊打底的根層焊縫檢查后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行次層焊縫的焊接，以防產(chǎn)生裂紋。多層多道焊縫焊接時(shí)，應(yīng)逐層進(jìn)行檢查，經(jīng)自檢合格后，方可焊接次層，直至焊完。發(fā)現(xiàn)焊接缺陷時(shí)應(yīng)及時(shí)清除后重焊。高鉻鎳合金熔池黏稠不易流動(dòng)，電弧焊時(shí)應(yīng)采取小幅擺動(dòng)措施。坡口兩側(cè)應(yīng)短暫停留，防止出現(xiàn)咬邊缺陷，每道焊口都盡量一次性焊完。層間溫度控制在40～80 ℃。

3.2 焊縫外觀檢查及無(wú)損檢測(cè)

焊縫邊緣應(yīng)該圓滑過(guò)渡到母材，余高不得大于2 mm，焊縫表面不允許有深度大于1 mm的尖銳凹槽，且不允許低于母材表面。焊縫表面不得有裂紋、氣孔、咬邊、未熔合、未焊透、夾渣等缺陷，焊縫外觀檢查合格及時(shí)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，檢查方法見(jiàn)表8。

表8 無(wú)損檢測(cè)

3.3 熱處理工藝控制

熱處理參數(shù)需要進(jìn)行嚴(yán)格控制。如果熱處理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致材料性能的下降。如果熱處理溫度偏低，或?qū)?jīng)過(guò)變形加工后的材料不進(jìn)行熱處理，都會(huì)使材料達(dá)不到應(yīng)有的晶粒度和穩(wěn)定的組織，從而使材料的高溫蠕變性能和持久性能下降；而如果溫度偏高，則會(huì)使材料的鐵素體含量增加，并析出σ脆性相和475 ℃脆性相，使得材料性能下降。

800HT材料會(huì)表現(xiàn)出應(yīng)力松弛開裂敏感性，焊接加工會(huì)提高這種敏感性，當(dāng)設(shè)計(jì)溫度高于538 ℃時(shí)應(yīng)對(duì)受壓焊縫進(jìn)行最低885 ℃的焊后熱處理以去除應(yīng)力松弛開裂敏感性。

對(duì)檢測(cè)合格后的焊縫進(jìn)行焊后穩(wěn)定化熱處理，熱處理的工藝參數(shù)如下：

升溫速度：500 ℃以下，≤150 K/h；500～850 ℃，≤100 K/h；850 ℃(30 min)，0 K/h；850～910 ℃，≤50 K/h

恒溫溫度：899 ℃

恒溫時(shí)間：2 h

加熱采用耐高溫的特殊材質(zhì)電阻絲，每道管口的功率布置為160 kW，在焊縫區(qū)域設(shè)定4個(gè)分區(qū)(上、下各1點(diǎn)、水平2點(diǎn))進(jìn)行控制，左右兩邊各設(shè)定一個(gè)輔助升溫區(qū)。管道外側(cè)用硅酸鋁保溫材料包裹，保溫厚度為150 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

800HT材料焊接應(yīng)在精心策劃和嚴(yán)格質(zhì)量控制的指導(dǎo)下施工，在深刻分析INCOLOY800HT焊接性特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，制定合理的焊接工藝及熱處理工藝，成功地克服了800HT易出現(xiàn)熱裂紋和再熱裂紋的焊接缺陷，并在工程中調(diào)整優(yōu)化，最終獲得了優(yōu)良的焊接質(zhì)量。焊縫的無(wú)損檢測(cè)合格率和力學(xué)性能試驗(yàn)指標(biāo)均優(yōu)過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)，經(jīng)過(guò)苯乙烯裝置的投產(chǎn)考核，改造后的反應(yīng)器運(yùn)行正常，投產(chǎn)后產(chǎn)量完全達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷運(yùn)行至今。