水煤漿工藝燒嘴鈷鎳異種材料焊接性能研究

郭瑩，唐強(qiáng)

（北京航天動(dòng)力研究所，北京 100176）

水煤漿工藝燒嘴是水煤漿氣化工藝的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于水煤漿和氧氣的充分混合、霧化和化學(xué)反應(yīng)。水煤漿氣化爐內(nèi)部溫度高達(dá)1 300 ℃左右，工藝燒嘴的工作條件異常惡劣，燒嘴的使用壽命直接影響氣化運(yùn)行的穩(wěn)定性。

在工藝燒嘴的損壞形式中，冷卻水盤管焊縫開裂泄漏對(duì)氣化運(yùn)行最具威脅性。冷卻水盤管的作用是保護(hù)處于高溫工藝氣體環(huán)境中的外噴頭，其工作環(huán)境非?？量蹋饕獡p壞形式是與外噴頭（鈷基材料UMCo50）連接焊縫區(qū)域的開裂泄漏，如圖1 所示。對(duì)于此處的焊縫，由于位置與零件結(jié)構(gòu)的特殊性（焊接位置與結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示，焊接一次合格率不高；雖然針對(duì)焊縫的坡口形式、焊縫位置等環(huán)節(jié)做了諸多革新，但仍無法滿足焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性提出的高要求，焊縫失效時(shí)有發(fā)生，直接影響燒嘴的使用壽 命。

目前，國內(nèi)對(duì)Inconel600 合金材料的焊接研究項(xiàng)目很多，研究成果頗豐。李寶忠、韓紅梅和趙瑞奇[1-2]等人通過焊接試驗(yàn)研究獲得了Inconel600 合金材料的焊接工藝優(yōu)化成果并成功實(shí)際應(yīng)用；張賢安以工藝燒嘴維修為研究對(duì)象制定了較為完整的Inconel600 材料焊接工藝評(píng)定[3]；針對(duì)鈷基合金UMCo50 材料的專項(xiàng)焊接研究較少[4-6]，幾乎沒有公開發(fā)表的文章，國內(nèi)外針對(duì)鈷鎳異種高溫合金材料之間焊接的研究更是未見可參考的文獻(xiàn)。因此，針對(duì)這兩種異種合金的焊接工藝研究具有相當(dāng)?shù)囊饬x，對(duì)于煤化工領(lǐng)域的氣化工藝燒嘴設(shè)備更具實(shí)用價(jià)值。

圖1 焊縫開裂Fig.1 Welding seam leakage

圖2 工藝燒嘴異種高溫合金焊接示意Fig.2 UMCo50/ Alloy600 welding position

本文基于多因素正交試驗(yàn)的極差分析法，針對(duì)水煤漿氣化工藝燒嘴頭部的具體應(yīng)用環(huán)境，研究了UMCo50/Alloy600 異種高溫合金氬弧焊焊接質(zhì)量及工藝參數(shù)優(yōu)化問題，獲得了諸因素的主次關(guān)系和最優(yōu)工藝組合參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境選定了最佳耐蝕焊絲材料，最后在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)最優(yōu)工藝組合參數(shù)進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用驗(yàn)證，確認(rèn)了本文結(jié)論的有效性。本文研究可以為改善焊接工藝、提高焊接接頭的力學(xué)性能提供理論基礎(chǔ)和應(yīng)用參考。

1 工藝燒嘴運(yùn)行環(huán)境及焊縫介紹

工藝燒嘴為三流道內(nèi)外混合霧化形式，外流道和內(nèi)流道輸送高壓純氧，中流道輸送高壓水煤漿；處在氣化爐內(nèi)部分的工況最惡劣，特別是其作為受熱端的外噴頭，工作條件最為苛刻，雖然有冷卻水腔保護(hù)，但理論計(jì)算顯示其外表面局部溫度仍高達(dá)700 ℃以上。工藝燒嘴承受爐內(nèi)4 ～ 9 MPa 的高壓，不僅受到氣化爐內(nèi)固體、液體和氣體的高速?zèng)_刷，還受到爐內(nèi)強(qiáng)氧化性氣氛、含硫含氯液態(tài)熔渣的多重侵蝕，此外，還要經(jīng)受氣化爐多次開、停車導(dǎo)致的溫度和壓力波動(dòng)。

傳統(tǒng)水煤漿工藝燒嘴外噴頭采用冷卻水盤管的形式對(duì)外噴頭和端部外氧管形成冷卻保護(hù)（見圖2）。冷卻水盤管的工作環(huán)境惡劣，受其結(jié)構(gòu)限制，冷卻水盤管（鎳基Alloy600 材料）與外噴頭（鈷基UMCo50 材料）連接焊縫區(qū)域長期暴露在爐內(nèi)火焰的迎火面上，且該處屬于異種材料焊接，這兩種材料之間的焊接性能較差，焊接難度很大，目前此類焊縫的焊接一次合格率為40%。對(duì)于一般焊接位置，可通過射線檢測(cè)，查找缺陷進(jìn)而修復(fù)焊縫至合格，使焊縫滿足設(shè)備制造要求。但對(duì)于此處的焊縫，由于位置與零件結(jié)構(gòu)的特殊性，焊接工作完成后無法對(duì)焊縫進(jìn)行100%射線檢測(cè)，從而使得目前的焊接一次合格率很難滿足對(duì)焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性提出的要求。

Inconel600 材料屬于鎳鉻鐵系最早的合金，具有良好的抗高溫腐蝕性能、抗氧化性能（抗氧化溫度可以達(dá)到1 180 ℃）、冷熱加工性能，有較好的抗氯離子應(yīng)力腐蝕性能，是純氧高溫環(huán)境中最為常見的合金。UMCo50 材料作為一種耐高溫合金，具有良好的耐熱沖擊和耐磨性能，同時(shí)對(duì)硫和礬的腐蝕也有很好的抵抗性，是目前水煤漿工藝燒嘴噴頭常用的材質(zhì)。材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1 和表2。

表1 鎳基合金和鈷基合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 UMCo50/ Alloy600 chemical composition %

表2 鎳基合金和鈷基合金的力學(xué)性能Table 2 UMCo50/ Alloy600 mechanical property

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)過程

試驗(yàn)選擇鎢極氬弧焊手動(dòng)焊接方法，單面焊雙面成形。正交試驗(yàn)選擇焊材、焊接電流、焊接速度、層間溫度、焊接層數(shù)等五個(gè)工藝參數(shù)作為影響因素，在每個(gè)因素設(shè)定4 個(gè)水平，依據(jù)正交表L16（45）安排正交試驗(yàn)方案（見表3）。影響UMCo50與Alloy600 焊接接頭性能的首要因素是填充材料，在選擇焊接材料的時(shí)候應(yīng)該遵循“等成分”的原則；由于異種材料連接無法完全按照“等成分”原則選擇焊材，因而按照與母材成分相近、與二者混合成分相近的原則選擇了UMCo50、ERNiCr-3、GH5188、ERNiCrCoMo-1 四種焊絲作為填充材料進(jìn)行試驗(yàn)。

鈷鎳接頭的高溫拉伸試驗(yàn)參考GB/T 228.2—2015 金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，在700 ℃下進(jìn)行，每組試驗(yàn)進(jìn)行2 次測(cè)試，平均抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率取2 次測(cè)試的平均值。

試驗(yàn)獲得的高溫平均抗拉強(qiáng)度為主要試驗(yàn)指標(biāo)，綜合考慮焊縫宏觀外形、平均顯微硬度等輔助指標(biāo)，通過極差分析對(duì)16 組正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較，得到影響UMCo50/Alloy600 異種焊接接頭的因素主次關(guān)系和各指標(biāo)下的最優(yōu)水平組合，并針對(duì)焊縫的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境對(duì)優(yōu)化后的焊接參數(shù)進(jìn)行二次實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 證。

表3 正交試驗(yàn)方案表Table 3 Orthogonal experiment protocol

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)用極差分析法進(jìn)行正交試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，其計(jì)算公式是：

式中 i——因素；

j——水平；

Kij—— 第i 列因素、j 水平對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和；

Ri—— 第i 列影響因素四個(gè)水平的極差值。極差分析可確定影響試驗(yàn)結(jié)果的主次因素，極差值R 大表明該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響大，是主要因素；反之為次要因素。

（1）外觀檢查

正交試驗(yàn)獲得的16 組試驗(yàn)結(jié)果焊縫成形大體良好。將宏觀形貌劃分等級(jí)0 ～ 4（見表3），并對(duì)宏觀形貌進(jìn)行極差分析，極差分析結(jié)果如表4 所示，由級(jí)差Ri得出對(duì)焊縫成型影響較大的因素主次順序：焊接電流＞層間溫度＞焊絲種類＞焊接速度＞焊接層 數(shù)。

（2）高溫拉伸力學(xué)性能

考慮到鈷鎳焊縫應(yīng)用于工藝燒嘴頭部工作環(huán)境，焊縫均承受較大的高溫變形拉應(yīng)力，且焊縫整體暴露在氣化爐內(nèi)高溫環(huán)境中。因此，模擬工況溫度，對(duì)試樣進(jìn)行了高溫拉伸試驗(yàn)。

表4 宏觀形貌等級(jí)極差分析表Table 4 Range analysis of welding appearance

結(jié)果顯示，斷裂均發(fā)生在Alloy600 一側(cè)，并且Alloy600 一側(cè)有明顯變形，而在UMCo50 一側(cè)，基本未發(fā)現(xiàn)變形現(xiàn)象，說明在700 ℃高溫下，UMCo50的抗拉強(qiáng)度要高于Alloy600，焊縫的強(qiáng)度也高于Alloy600；工藝燒嘴實(shí)際運(yùn)行中頭部焊縫裂紋幾乎都出現(xiàn)在鎳基管一側(cè)，與試驗(yàn)結(jié)論相符。16 組焊縫的平均抗拉強(qiáng)度值見表3，高溫抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率極差分析見表5。

由表3、表5 可知，焊絲類型和焊接速度是高溫抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率的主要影響因素。焊道層數(shù)對(duì)焊縫的影響最小，為次要因素。結(jié)合工藝燒嘴的實(shí)際運(yùn)行工況，影響焊縫安全性的關(guān)鍵因素為高溫抗拉強(qiáng)度，因此焊絲優(yōu)選A3、A2（GH 5188 和ERNiCr-3），而焊接速度優(yōu)選C3（10 cm/min）；焊接電流優(yōu)選B4（160 A）。

表5 高溫拉伸力學(xué)性能極差分析表Table 5 Range analysis of elongation and tensile strength.

（3）顯微硬度測(cè)試

焊縫所處環(huán)境有固體顆粒物高速回流沖刷，合理的焊縫硬度可以保證材料的耐磨性能，因而研究還需關(guān)注焊縫的硬度特征。顯微維氏硬度測(cè)試結(jié)果顯示，無論焊接工藝參數(shù)如何變化或選擇何種填充材料，硬度曲線都遵循下述規(guī)律：UMCo50 母材>UMCo50 熱影響區(qū)＞焊縫＞ Alloy600 母材＞ Alloy600 熱影響區(qū)。結(jié)合實(shí)際焊縫斷裂位置，研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注各試驗(yàn)試樣的Alloy600 熱影響區(qū)的硬度值，重點(diǎn)分析Alloy600熱影響區(qū)的硬度差別及變化規(guī)律。

通過極差分析硬度值，可以得知焊絲選擇對(duì)Alloy600 熱影響區(qū)硬度影響最大，焊絲優(yōu)選GH5188和ERNiCr-3；GH5188 焊 接 硬 度 絕 對(duì) 值 大， 但ERNiCr-3 焊接穩(wěn)定性更好。

（4）最優(yōu)焊接工藝參數(shù)選擇

綜合成形情況、高溫拉伸性能及硬度分析，比較合理的工藝參數(shù)為焊接電流160 A，焊接速度10 cm/min，層間溫度不高于150 ℃，焊接層數(shù)2層，填充材料對(duì)焊接工藝影響最為關(guān)鍵，焊絲優(yōu)選GH5188 和ERNiCr-3。

4 高溫腐蝕性和高溫氧化性研究

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在工藝燒嘴的使用過程中，當(dāng)原料煤的硫含量超過0.5%時(shí)，燒嘴焊縫泄漏的概率就會(huì)大大增加。對(duì)失效焊縫做電鏡（SEM）掃描和能譜分析，在裂紋兩側(cè)均發(fā)現(xiàn)大量C、S、O 等非金屬元素，其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過母材和焊材的含量，顯然這些腐蝕氧化性元素來自工藝燒嘴工作環(huán)境中的水煤漿。S 元素與O 反應(yīng)可生成SO2，SO2與H2O 反應(yīng)可生成亞硫酸，亞硫酸被氧化可生成硫酸；此外，水煤漿中的S 可能與其中的H 發(fā)生反應(yīng)生成H2S，形成腐蝕介質(zhì)。綜合工藝燒嘴的實(shí)際使用狀況，鈷鎳異種材料焊縫還應(yīng)該具有相當(dāng)?shù)目顾?、抗鹽介質(zhì)腐蝕和抗高溫氧化性能，因此還應(yīng)對(duì)焊縫開展高溫腐蝕性和高溫氧化性研 究。

根據(jù)上一批次正交試驗(yàn)確定的最優(yōu)焊接工藝參數(shù)，分別用四種填充材料焊接板狀試樣，一方面驗(yàn)證正交試驗(yàn)優(yōu)選的工藝參數(shù)是否合理，另一方面對(duì)不同填充材料的試樣進(jìn)行高溫腐蝕試驗(yàn)測(cè)試和高溫氧化試驗(yàn)，以便確定最佳的填充材料。焊接試樣如圖3所示，焊縫外觀良好，射線檢測(cè)結(jié)果合格。

圖3 工藝參數(shù)驗(yàn)證試樣宏觀照（左-正面、右-背面）Fig.3 Appearance of the specimen after optimization（ left-front, right-back）

切取6 mm×10 mm×3 mm 的焊縫區(qū)域試樣，首先打磨光滑，然后在表面均勻涂抹NaCl 和Na2SO4（1∶3）飽和溶液，風(fēng)干帶鹽膜析出，放置到700 ℃的爐內(nèi)，保溫10 h。10 h 后將試樣取出，將表面腐蝕產(chǎn)物用超聲清洗干凈后稱重，反復(fù)進(jìn)行10 次，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。曲線變化顯示，當(dāng)填充材料為GH5188 和UMCo50 時(shí)，腐蝕速率較快，說明這兩種材料耐腐蝕性較差。當(dāng)填充材料為ERNiCr-3 和ERNiCrCoMo-1 時(shí)，腐蝕速率較為平緩。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在NaCl 和Na2SO4（1∶3）腐蝕介質(zhì)及高溫條件下，填充材料為GH5188 和UMCo50 時(shí)的耐蝕性不如ERNiCr-3 和ERNiCrCoMo-1。

切取與高溫腐蝕試樣大小相同的試樣，放到700 ℃的爐內(nèi)保溫10 h，10 h 后取出稱重。反復(fù)進(jìn)行10 次，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。曲線顯示，無論哪一種填充材料，基本不發(fā)生氧化增重現(xiàn)象，質(zhì)量保持不變，其耐高溫氧化性能良好。

圖4 高溫腐蝕速率Fig.4 High temperature corrosion rate

圖5 高溫氧化速率Fig.5 High temperature oxidation rate

綜上，從焊縫的抗高溫腐蝕性考慮，焊絲優(yōu)選ERNiCr-3。而且從經(jīng)濟(jì)性考慮，ERNiCr-3 焊絲更經(jīng)濟(jì)，其焊接力學(xué)性能雖比GH5188 差，但兩者差別不大。

5 應(yīng)用驗(yàn)證

優(yōu)化后的焊接工藝應(yīng)用到后續(xù)的工藝燒嘴設(shè)備加工制造中，對(duì)工藝燒嘴冷卻水盤管與外噴頭連接處的鈷/鎳異種材料焊縫焊接合格率進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)計(jì)算處理方法如下：

每臺(tái)工藝燒嘴上需進(jìn)行考核的焊縫有2 條，當(dāng)抽取的燒嘴臺(tái)數(shù)為n 時(shí)，應(yīng)有的射線檢測(cè)焊縫數(shù)量為n×2；按照射線檢測(cè)要求，每條焊縫對(duì)應(yīng)一個(gè)評(píng)級(jí)，統(tǒng)計(jì)一次焊接質(zhì)量評(píng)定級(jí)別為Ⅰ級(jí)的焊縫數(shù)量。

燒嘴制造過程中，該位置焊縫焊接工作完成后，依據(jù)NB/T 47013.2—2015，由具備資質(zhì)的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)，項(xiàng)目人員在2 個(gè)月的時(shí)間段內(nèi)，隨機(jī)抽取所涉及工藝燒嘴數(shù)量的50%，對(duì)該位置焊縫的射線檢測(cè)結(jié)果做焊縫質(zhì)量檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表6。

表6 工藝燒嘴頭部鈷鎳焊縫射線檢測(cè)結(jié)果Table 6 The welding passing rate of the coal-water slurry gasifier

通過上述統(tǒng)計(jì)對(duì)比，焊縫的一次焊接合格率由焊接工藝優(yōu)化前的50%提升至優(yōu)化后的97%，焊縫的返修率由50%降低至3%，焊接工藝優(yōu)化后異種高溫合金焊接工作的效率提升約47%。

6 結(jié)論

本文基于多因素正交試驗(yàn)的極差分析法，針對(duì)水煤漿氣化工藝燒嘴頭部的具體應(yīng)用環(huán)境，研究了UMCo50/Alloy600 異種高溫合金氬弧焊焊接質(zhì)量及工藝參數(shù)優(yōu)化問題，獲得了因素的主次關(guān)系和最優(yōu)工藝組合參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境選定了最佳耐蝕焊絲材料，最后在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。

主要研究結(jié)論如下：

（1）對(duì)焊縫成形影響較大的工藝參數(shù)依次為焊接電流＞層間溫度＞焊絲種類＞焊接速度＞焊接層 數(shù)。

（2）焊絲類型和焊接速度是高溫抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率的主要影響因素，焊道層數(shù)對(duì)焊縫的影響最小，為次要因素。從焊縫抗高溫抗拉強(qiáng)度考慮，焊絲優(yōu)選GH5188 和ERNiCr-3，焊接速度優(yōu)選10 cm/min；焊接電流優(yōu)選160A。

（3）在整個(gè)焊縫區(qū)域，Alloy600 熱影響區(qū)硬度值最??；填充材料對(duì)焊縫硬度影響最大，其次是焊接速度，電流的影響稍弱于焊接速度，但是相差不大。GH5188 焊接硬度絕對(duì)值大，但ERNiCr-3 焊接穩(wěn)定性更好。

（4）在本課題的試驗(yàn)條件下，ERNiCr-3 和ERNiCrCoMo-1 在700 ℃下的耐高溫腐蝕性能高于GH5188 和UMCo50，這四種填充材料的耐高溫氧化性能較好，無明顯差別。

（5）綜合成型情況、高溫拉伸性能、硬度及高溫耐蝕性，比較合理的工藝參數(shù)為焊接電流160 A，焊接速度10 cm/min，層間溫度不高于150 ℃，焊接層數(shù)2 層，填充材料優(yōu)選ERNiCr-3。

（6）優(yōu)化后的焊接工藝應(yīng)用到生產(chǎn)中，經(jīng)大量應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，異種高溫合金焊接合格率提升了47%，極大地改善了工藝燒嘴的加工制造效率。