N06600合金焊接要點(diǎn)及通過(guò)ASTM G28-A法試驗(yàn)技術(shù)措施

朱　寧

（中國(guó)石化集團(tuán)南京化學(xué)工業(yè)有限公司化工機(jī)械廠，江蘇南京210048）

N06600合金焊接要點(diǎn)及通過(guò)ASTM G28-A法試驗(yàn)技術(shù)措施

朱寧

（中國(guó)石化集團(tuán)南京化學(xué)工業(yè)有限公司化工機(jī)械廠，江蘇南京210048）

以ATR氧氣加熱器制造為例，介紹N06600耐腐蝕性能和焊接技術(shù)要點(diǎn)以及制造該設(shè)備所需要的焊接工藝評(píng)定，進(jìn)而討論N06600合金焊接通過(guò)ASTM G28-A法晶間腐蝕試驗(yàn)所采取的措施及注意事項(xiàng)。

N06600合金；耐腐蝕性能；焊接技術(shù)要點(diǎn)；ASTM G28-A法

0　前言

隨著石油、化工行業(yè)對(duì)裝置設(shè)備的要求不斷提高，很多設(shè)備需要較高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的耐高溫腐蝕性能。鎳基合金是一種耐高溫高壓、高濃度或混有不純物等苛性腐蝕環(huán)境的比較理想的金屬結(jié)構(gòu)材料，因而鎳基合金的應(yīng)用日益廣泛，但因其價(jià)格比較昂貴，故常采用堆焊鎳基焊材降低成本。

某公司的ATR氧氣加熱器（見(jiàn)圖1）由南京化學(xué)工業(yè)有限公司化工機(jī)械廠承制，該設(shè)備的筒體材料為15CrMoR（φ273mm×13mm），管箱材料為N06600（δ=6 mm），管板為15CrMoⅢ鍛+堆焊N06600結(jié)構(gòu)，換熱管材料為N06600（φ14 mm×2 mm）。因該設(shè)備圖紙技術(shù)要求規(guī)定“N06600及其焊接接頭均按ASTMG28-A法進(jìn)行耐腐蝕試驗(yàn)，母材及焊接接頭的腐蝕率≤12 mm/a”，ASTMG28-A法晶間腐蝕試驗(yàn)腐蝕溶液為硫酸鐵-50％硫酸，N06600合金在這種溶液里做晶間腐蝕試驗(yàn)在廠里尚屬首次，故進(jìn)行了一系列的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)以確保N06600材料焊后通過(guò)ASTMG28-A法晶間腐蝕試驗(yàn)。

1　N06600材料耐腐蝕性能分析

N06600合金是Ni-Cr、Ni-Cr-Fe代表性合金，是較早應(yīng)用的耐應(yīng)力腐蝕的合金，有耐高溫氧化和耐氯離子介質(zhì)的應(yīng)力腐蝕性能。含有高鎳和不高鉻的合金在沸騰溫度濃度低于80％的NaOH溶液中、在室溫下的硫酸和磷酸中，在溫度低于550℃的高溫氟化氫氣體中都有良好的耐蝕性。它常用作核動(dòng)力輕水堆耐應(yīng)力腐蝕的結(jié)構(gòu)材料，亦用作化學(xué)工業(yè)的加熱器、換熱器、蒸發(fā)器等耐高溫水腐蝕設(shè)備，亦用于高溫?zé)崽幚碓O(shè)備及構(gòu)件。N06600合金含量鉻不高，在弱氧化性環(huán)境具有抗腐蝕性能，但在熱的強(qiáng)氧化性濃硝酸溶液里有弱的抗蝕性。該合金在固溶狀態(tài)在不含Cl-和O2的高純水中有晶間腐蝕開(kāi)裂傾向；在228℃時(shí)有堿脆現(xiàn)象；在593℃～704℃短時(shí)間加熱后發(fā)生晶間腐蝕；焊接熱影響區(qū)在純水中也發(fā)生晶間應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。這是因?yàn)镃在高Ni合金中溶解度極低，固溶處理時(shí)合金自動(dòng)敏化引起M7C3碳化物沿晶界析出產(chǎn)生晶界邊緣貧鉻化所致。

綜上分析，N06600材料耐腐蝕性能對(duì)溫度很敏感，而焊接是一個(gè)不均勻加熱和冷卻的過(guò)程，所以該種材料的焊接若焊接規(guī)范控制和焊材選擇不當(dāng)，很容易產(chǎn)生晶間腐蝕問(wèn)題，因此N06600材料焊接焊前一般不需要預(yù)熱，除非金屬的溫度顯著低于周圍的環(huán)境溫度，這是防止?jié)駳饫淠a(chǎn)生氣孔。層間溫度最好控制在100℃以下。N06600材料焊接焊后也不需要熱處理，熱處理反而降低了耐蝕性。

圖1　ATR氧氣加熱器設(shè)備

2　N06600材料焊接技術(shù)要點(diǎn)

N06600材料與低碳鋼、不銹鋼相比存在異同，但只要掌握了其焊接特點(diǎn)，焊接也并不難。N06600材料的焊接工藝與不銹鋼的焊接工藝非常相似，且它的熱膨脹性能和碳鋼相似，所以焊接過(guò)程的變形趨勢(shì)也與碳鋼幾乎相同。雖然大多數(shù)工人熟悉低碳鋼、不銹鋼獲得合格焊接接頭的所必須的焊接技術(shù)，但對(duì)N06600材料的焊接存在一定的限制。

焊接N06600材料若要獲得合格的焊接接頭需要注意三個(gè)基本的焊接技術(shù)，大部分鎳基合金都存在此焊接問(wèn)題，在焊接其他鎳基合金材料時(shí)可作為參考：（1）必須嚴(yán)格清理焊接區(qū)；（2）熔池的熔融金屬流動(dòng)粘滯緩慢；（3）固有的低的焊接穿透力。

2.1嚴(yán)格清理焊接區(qū)域

焊接N06600材料出現(xiàn)的大多數(shù)問(wèn)題是因焊前沒(méi)有徹底的清理。焊前清理主要是清除從接頭區(qū)域帶來(lái)的兩種類型的外來(lái)材料：一是大量的表面氧化物；二是脆性元素。

（1）必須從焊接區(qū)域清除外來(lái)的第一類型材料是表面金屬氧化物。N06600表面的金屬氧化物會(huì)導(dǎo)致焊接缺陷，在大氣溫度下形成的微量氧化物不會(huì)引起焊接問(wèn)題，但是如果在高溫環(huán)境中并且生成的氧化物非常多，就必須要清除。因?yàn)檠趸锏娜埸c(diǎn)通常要比母材金屬高很多，N06600鎳合金的熔化區(qū)間為1370℃～1425℃，而鎳氧化物熔點(diǎn)達(dá)2090℃。焊接過(guò)程中，母材金屬熔化了而氧化物仍保持固態(tài)，這將造成未熔合的缺陷。所以在焊接前必須用打磨、噴砂、酸洗或機(jī)械方法將氧化物從接頭處去除。

（2）必須從焊接區(qū)域清除外來(lái)的第二類型材料實(shí)際上是脆性元素的組合。高溫時(shí)，N06600鎳合金非常容易受硫、磷、石墨以及其他一些低熔點(diǎn)物質(zhì)的影響而變脆，導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋。這些物質(zhì)通常來(lái)自于金屬加工的輔助材料，例如機(jī)油或潤(rùn)滑油、切削液、標(biāo)記顏色筆、從裝配或其他機(jī)械加工場(chǎng)地來(lái)的油霧、車間污物和灰塵等。為避免這些脆性物帶來(lái)的不利影響，在焊接前或高溫作業(yè)前必須徹底清理N06600鎳合金。車間臟污、標(biāo)記筆記或墨跡以及其他具有油基或脂基的污跡可以通過(guò)丙酮或酒精去除，油漆或其他污物需要采用堿性或合適的特殊成分的清洗劑去除。

2.2熔池的熔融金屬流動(dòng)粘滯緩慢

N06600合金焊接第二個(gè)重要的特點(diǎn)是熔池的熔融金屬流動(dòng)粘滯緩慢。熔融的鎳基合金材料不會(huì)像碳鋼那樣容易流動(dòng)或鋪展。焊工必須能熟練的操作控制焊接熔池，引導(dǎo)填充金屬材料到達(dá)接頭中合適的部位。因而接頭必須有足夠的空間，以保證焊槍和填充金屬的運(yùn)動(dòng)。有的焊工對(duì)N06600合金不熟悉，試圖用提高超過(guò)推薦范圍的電流來(lái)增加焊接金屬的流動(dòng)性，過(guò)大的電流不但不能提高焊接金屬濕潤(rùn)的特性，反而帶來(lái)了不利影響。超過(guò)推薦范圍的電流使熔池過(guò)熱和焊接金屬的脫氧劑蒸發(fā)，從而引起了氣孔，焊條電弧焊的大電流會(huì)使焊條過(guò)熱，藥皮開(kāi)裂、脫落，電弧吹力損失。

由于N06600合金焊接金屬在接頭坡口面上不流動(dòng)，焊工必須把焊條巧妙地安放在正確的位置或使用擺動(dòng)的方法。輕微的擺動(dòng)寬度不要超過(guò)3倍的焊條直徑。為了使焊工更好地使用擺動(dòng)技巧，其坡口與碳鋼坡口相比通常更寬、角度更大一點(diǎn)。

2.3低的焊接穿透力

N06600合金固有的低的焊接穿透力是由鎳合金的物理性能決定的。N06600合金的穿透力是低碳鋼穿透力的50％。有的焊工采用增加電流的方法試圖獲得穿透力，對(duì)于碳鋼可行，但對(duì)于N06600合金，過(guò)大的電流不能增加穿透力反而帶來(lái)了過(guò)熱和蒸發(fā)問(wèn)題。

3　N06600材料焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

N06600合金焊接工藝評(píng)定按JB4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》和JB/T4756-2006《鎳基鎳合金壓力容器》附錄B的有關(guān)規(guī)定和該項(xiàng)目的圖紙及技術(shù)文件的要求進(jìn)行一些列的工藝評(píng)定試驗(yàn)。主要是管箱變徑段拼縫和管子-管板評(píng)定，且試驗(yàn)的重點(diǎn)不是N06600合金的力學(xué)性能而是耐腐蝕性能。

3.1焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)材料

管箱變徑段拼縫評(píng)定選擇的母材材料與產(chǎn)品一樣同為N06600合金（δ=6 mm，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASME SB-168），交貨狀態(tài)是退火，分別采用焊條電弧焊和手工鎢極氬弧焊兩種焊接方法進(jìn)行評(píng)定；管板采用堆焊結(jié)構(gòu)，管板基層材料是15CrMoR（δ=20 mm，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB6654），交貨狀態(tài)是正火+回火；管子是N06600合金（規(guī)格φ14 mm×2 mm，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASME SB-163），交貨狀態(tài)是退火，采用手工鎢極氬弧焊焊接。根據(jù)N06600合金的化學(xué)成分、力學(xué)性能和圖紙技術(shù)要求選擇ENiCrFe-3焊條（規(guī)格φ4mm×350mm）和ERNiCr-3焊絲（規(guī)格φ2 mm）。評(píng)定所用母材及焊材的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示（數(shù)據(jù)來(lái)源于質(zhì)保書(shū)）。

表1　評(píng)定用母材及焊材的化學(xué)成分％

表2　評(píng)定用母材及焊材的力學(xué)性能

3.2焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)采取措施

3.2.1管箱變徑段拼縫評(píng)定技術(shù)措施及評(píng)定結(jié)果

（1）采用V型坡口（見(jiàn)圖2），使用丙酮清洗坡口及坡口兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)的油污、臟物。

圖2　管箱變徑段拼縫評(píng)定的坡口形式

（2）焊條按規(guī)定350℃烘干，保溫1 h。

（3）分別用焊條電弧焊和手工鎢極氬弧焊焊接試板，注意操作手法，使熔敷金屬鋪開(kāi)良好并嚴(yán)格控制規(guī)范（見(jiàn)表3）。

（4）為保證其腐蝕性能，避免高溫停留時(shí)間，嚴(yán)格控制層間溫度小于100℃，盡可能不連續(xù)焊。

（5）第二層焊接之前，一定要嚴(yán)格清理焊縫表面，先用不銹鋼絲刷清理再用丙酮清洗。

（6）焊條焊試板采用雙面焊，背面需要打磨清根，嚴(yán)格清理待焊面后再施焊，氬弧焊試板采用單面焊且要采用背氣保護(hù)。

以上兩個(gè)評(píng)定焊后進(jìn)行RT100％Ⅱ級(jí)+PT100％Ⅰ級(jí)探傷，并滿足JB/T4730-2005標(biāo)準(zhǔn)要求，探傷合格后按JB4708-2000和產(chǎn)品技術(shù)條件進(jìn)行力學(xué)性能和腐蝕性能的檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3　管箱變徑段拼縫評(píng)定焊接工藝參數(shù)

表4　管箱變徑段拼縫評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2管子-管板評(píng)定技術(shù)措施及評(píng)定結(jié)果

3.2.2.1管板堆焊技術(shù)措施

（1）使用砂輪機(jī)打磨待堆焊面露出金屬光澤，堆焊前用丙酮清洗堆焊面，確保堆焊區(qū)域清潔。

（2）基層母材是15CrMoR材料，屬于耐熱鋼，焊前需預(yù)熱150℃以上，避免出現(xiàn)焊接裂紋。

（3）焊條電弧堆焊第一層，焊接規(guī)范如表5所示，注意操作手法，使熔敷金屬鋪開(kāi)良好。

表5　管板堆焊評(píng)定焊接工藝參數(shù)

（4）待層間溫度降至100℃以下，嚴(yán)格清理堆焊表面，先用不銹鋼絲刷清理再用丙酮清洗，確保堆焊堆焊區(qū)域清潔后再堆焊第二層；按此措施堆焊第三層、第四層（滿足堆焊高度大于等于10 mm）。

管板堆焊評(píng)定逐層進(jìn)行PT100％Ⅰ級(jí)探傷，并滿足JB/T4730-2005標(biāo)準(zhǔn)要求，探傷合格后按JB4708-2000和產(chǎn)品技術(shù)條件進(jìn)行力學(xué)性能和腐蝕性能的檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6　管板堆焊評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果

圖3　管子管板焊接坡口

3.2.2.2管子-管板的焊接技術(shù)措施

（1）按3.2.2.1節(jié)的管板堆焊技術(shù)措施再堆焊一塊試板，劃線、鉆孔。

（2）使用丙酮或酒精清洗堆焊面、管子及管孔，確保焊接區(qū)域清潔。

（3）焊接管子管板，坡口如圖3所示。因ERNiCr-3焊絲熔敷金屬的流動(dòng)性差，為防止出現(xiàn)未焊透缺陷，第一道采用自熔、焊后快冷（可用風(fēng)吹或涂抹酒精方式冷卻）。第一次焊接沒(méi)有采用快冷的方式，結(jié)果晶間腐蝕不合格，腐蝕試樣嚴(yán)重破壞。分析其原因是管子直徑比較?。é?4 mm×2 mm），換熱管的中心距只有19 mm，受熱集中，熱量不易散失，使得高溫停留時(shí)間比較長(zhǎng)，而這種合金在593℃～704℃短時(shí)間加熱后就容易析出碳化物，產(chǎn)生晶間腐蝕現(xiàn)象。為避免這種現(xiàn)象發(fā)生，故焊后采取快冷的措施。

（4）焊前嚴(yán)格清洗焊接表面，手工鎢極氬弧焊填絲焊第二道，焊后快冷。

管子-管板評(píng)定焊接工藝參數(shù)如表7所示，焊后逐層進(jìn)行PT100％Ⅰ級(jí)探傷，并滿足JB/T4730-2005標(biāo)準(zhǔn)要求，探傷合格后按JB4708-2000和產(chǎn)品技術(shù)條件進(jìn)行宏觀金相和ASTM G28-A法（硫酸鐵-50％硫酸溶液，腐蝕24h）晶間腐蝕試驗(yàn)，腐蝕率4.64mm/a，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

表7　管子管板評(píng)定焊接工藝參數(shù)

4　結(jié)論

（1）為了獲得高質(zhì)量耐腐蝕的焊接接頭，N06600合金的焊前清理工作非常關(guān)鍵。

（2）焊接操作時(shí)要注意N06600合金的熔融金屬流動(dòng)粘滯緩慢和低的穿透能力。

（3）N06600合金耐蝕性能對(duì)溫度很敏感，因而焊前一般不需要預(yù)熱和焊后不需要熱處理。

（4）焊接規(guī)范和層間溫度不能過(guò)大，如果熱量集中不易散失，焊后采用快冷方式可以考慮。

（5）鉻對(duì)鐵鎳基和鎳基耐蝕合金的耐蝕性與不銹鋼有相同的作用原理。含鉻量越高，合金的耐氧化性介質(zhì)腐蝕、抗高溫氧化、硫化等性能就越好。盡量選擇含碳量低、含鉻量高的焊材。

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).《焊接手冊(cè)》第二卷—材料的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[2]SMC國(guó)際超合金集團(tuán)焊接產(chǎn)品公司.鎳基合金焊接指南[M].上海：SMC國(guó)際超合金集團(tuán)焊接產(chǎn)品公司，2004.

Welding points of N06600 alloy and test technology measures by G28-A ASTM method

ZHU Ning
（Chemical Machinery Works，Nanjing Chemical Industrial Co.，Ltd.，Sinopec.，Nanjing 210048，China）

By using ATR oxygen heater manufacturing as an example，this paper introduced the corrosion resistance and welding techniques of N06600 alloy and the welding procedure qualification of this equipment.Then discussed the measures and the matters needing attention in the welding procedure of N06600 alloy to meet the requirements of ASTM G28-A method for intergranular corrosion test.

N06600 alloy；corrosion resistance；welding technology points；G28-A ASTM method

TG457.1

A

1001－2303（2016）03－0039-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.08

2016-01-09；

2016-02-01

朱寧（1984—），男，遼寧錦州人，學(xué)士，主要從事承壓設(shè)備焊接工藝編制和焊接管理工作。