國產(chǎn)鎳基合金帶極電渣堆焊在三相分離器制造中的應(yīng)用研究

王樹濤 厚喜榮 馬冬和 張濤 朵元才 古小紅 汪沈陽 王叢元

摘要：針對為某氣田研究設(shè)計(jì)并制造的高含硫天然氣三相分離器設(shè)備中的抗腐蝕性能要求，需在設(shè)備殼體內(nèi)壁堆焊Inconel 625鎳基合金，確定采用國產(chǎn)鎳基合金帶極電渣堆焊技術(shù)進(jìn)行內(nèi)壁堆焊的工藝方案，并進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定。評(píng)定結(jié)果表明，國產(chǎn)鎳基合金鋼帶堆焊工藝性良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求及三相分離器的制造技術(shù)要求，并完成了該產(chǎn)品的制造。

關(guān)鍵詞：國產(chǎn)鎳基合金焊帶;帶極電渣堆焊;三相分離器

中圖分類號(hào)：TG455 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）10-0061-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.12

0 前言

某氣田集劇毒與強(qiáng)腐蝕性于一體，帶來井控管理、硫化氫防護(hù)、涉酸工程防腐蝕等一系列難題。由于高含硫天然氣含有大量H2S、CO2和氣田鹵水，腐蝕環(huán)境惡劣，使得開采、集輸、特別是凈化過程中存在嚴(yán)重的H2S腐蝕和其他危害，增加設(shè)備腐蝕、泄漏和失效等風(fēng)險(xiǎn)概率[1-2]。而三相分離器是氣田開采的關(guān)鍵設(shè)備之一，不僅油氣井中采出油氣的各項(xiàng)分離和計(jì)量等操作需要經(jīng)過三相分離器來處理，而且處理后是否成功的關(guān)鍵之一就是能否達(dá)到采出液的存儲(chǔ)和運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn);另外，三相分離器內(nèi)壁長期與高壓硫化氫氣體、沉積硫接觸，發(fā)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)較高[3]。因此，研究制造新型高含硫天然氣三相分離器，提高分離器殼體內(nèi)壁抗腐蝕性能，保證設(shè)備在其工況下運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)更加高效的油氣水的分離迫在眉睫。

Inconel 625合金的強(qiáng)度、韌性、耐氧化性和疲勞強(qiáng)度高，在大氣、天然氣、海水、中性鹽和堿等介質(zhì)中具有良好的耐腐蝕性能。因此，選用Inconel 625合金對三相分離器內(nèi)壁進(jìn)行堆焊，以達(dá)到設(shè)備的耐腐蝕性能要求。

受國內(nèi)冶煉水平及焊帶、焊劑生產(chǎn)水平等因素限制，國產(chǎn)Inconel 625焊帶及匹配焊劑等堆焊材料生產(chǎn)困難，耐腐蝕性差，長期主要依賴進(jìn)口焊材。進(jìn)口焊接材料不但價(jià)格昂貴，而且供貨周期長[4]。因此為了打破Inconel 625焊帶的國外壟斷，提高國內(nèi)油氣行業(yè)Inconel 625焊接材料研究水平，文中依托某氣田高含硫天然氣三相分離器，選用洛陽雙瑞特種合金材料有限公司（725所）研制的DNi625鋼帶與SRSJ802焊劑，開展國產(chǎn)鎳基合金帶極電渣堆焊的應(yīng)用技術(shù)研究。

1 產(chǎn)品概況

該高含硫天然氣三相分離器由中國石油化工股份有限公司設(shè)計(jì)并制造，設(shè)備規(guī)格：φ1 400 mm×90 mm×～6 150 mm（設(shè)備總長），主殼體材料為16Mn（R-HIC）Ⅳ/Q345R（R-HIC），容器類別為Ⅲ類，內(nèi)壁要求堆焊6.5 mm，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，設(shè)備結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

2 焊接工藝評(píng)定

2.1 焊接工藝評(píng)定方案及試板制備

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及技術(shù)條件要求，選用基材Q345R（R-HIC）在厚度δ=40 mm的抗氫鋼板上進(jìn)行帶極電渣堆焊，焊材為DNi625（50×0.4）焊帶+SRSJ802焊劑，堆焊總厚度為6.5 mm，采用雙層電渣堆焊，焊接工藝參數(shù)如表2所示。試板堆焊過程中外加磁控裝置，成形美觀，搭接無咬邊、夾渣等缺陷，如圖2所示。

焊后對堆焊層表面進(jìn)行100%滲透檢測，并對貼合面進(jìn)行100%超聲檢測，檢測結(jié)果滿足NB/T 47013.5-2015和NB/T 47013.3-2015要求;然后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，熱處理規(guī)范：裝爐溫度≤400 ℃，升溫速率60～100 ℃/h，保溫溫度（610±14） ℃，保溫時(shí)間10 h，以≤100 ℃/h速率冷至400 ℃以下出爐空冷。

2.2 工藝評(píng)定要求

按照NB/T 47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》中耐蝕堆焊工藝評(píng)定要求，結(jié)合高含硫天然氣三相分離器設(shè)計(jì)技術(shù)要求進(jìn)行評(píng)定，具體評(píng)定項(xiàng)目如下。

（1）按GB/T 223進(jìn)行化學(xué)分析，在距表面1.5～2 mm范圍內(nèi)取樣分析。

（2）側(cè)彎試驗(yàn)：取大、小試樣各4件，其中2件試樣的長軸垂直于堆焊方向，另2件平行于堆焊方向;進(jìn)行彎曲試驗(yàn)后在堆焊層和熔合線上均無任何開口缺陷和裂紋為合格。

（3）宏觀檢查：對試板進(jìn)行解剖，剖面取在焊道搭接處，剖面應(yīng)經(jīng)拋光、侵蝕，以能清晰地分清熔合區(qū)和基體金屬為準(zhǔn)。用5倍放大鏡觀察無層下裂紋、未熔合為合格。

（4）硬度（HV10）測量：堆焊層表面、斷面各測量4點(diǎn)，測量值不大于248 HV10為合格;基層測量2點(diǎn)，測量值不大于210 HV10為合格。

（5）YB/T 5362：取2 mm×3 mm×30 mm試樣3件做氯化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，加載應(yīng)力210 MPa。

（6）ASTM A262 C法（HUEY法，硝酸腐蝕試驗(yàn)）：取規(guī)格20 mm×30 mm×3 mm試樣2件按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，合格指標(biāo)為5個(gè)周期的平均腐蝕速率不大于0.075 mm/月。

（7）ASTM G28 A法（硫酸-硫酸鐵腐蝕試驗(yàn)）：取20 mm×30 mm×3 mm試樣2件按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，合格指標(biāo)為腐蝕速率不大于0.1 mm/月。

2.3 評(píng)定結(jié)果及分析

試板耐蝕層堆焊化學(xué)成分如表3所示，化學(xué)成分符合要求值;側(cè)彎、硬度測量分別如表4、表5所示;宏觀檢查合格，如圖3所示;YB/T 5362氯化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)在2個(gè)周期內(nèi)未出現(xiàn)裂紋;ASTM A262 C法腐蝕結(jié)果如表6所示;ASTM G28 A法腐蝕率為0.600 g/m2·h，小于合格指標(biāo)。

以上數(shù)據(jù)結(jié)果表明，評(píng)定試板的各項(xiàng)性能均滿足技術(shù)條件及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，說明該焊接材料適用于產(chǎn)品內(nèi)壁的堆焊，滿足產(chǎn)品的工程技術(shù)要求。

3 產(chǎn)品內(nèi)壁堆焊

焊接工藝評(píng)定合格后，中國石油化工股份有限公司采用洛陽雙瑞特種合金材料有限公司生產(chǎn)的焊接材料（鋼帶：DNi625，規(guī)格：50×0.4，焊劑：SRSJ802）對該三相分離器筒體內(nèi)壁進(jìn)行堆焊，焊接工藝參數(shù)如表7所示。筒體內(nèi)壁堆焊均為帶極電渣堆焊，焊前需加磁控裝置，避免在堆焊過程中產(chǎn)生咬邊、成型不美觀等焊接缺陷[5]。堆焊過程及成型效果如圖4、圖5所示。

第一層堆焊完成后需進(jìn)行100% PT檢測，合格后進(jìn)行耐蝕層堆焊。耐蝕層堆焊時(shí)需嚴(yán)格控制道間溫度，若道間溫度控制不當(dāng)會(huì)降低堆焊層的耐腐蝕性能，從而影響產(chǎn)品的使用性能。耐蝕層堆焊完畢后進(jìn)行100%PT+100%UT檢測合格;堆焊層表面經(jīng)測量檢查，堆焊厚度均勻，表面平滑，兩相鄰焊道之間的凹下量≤1 mm，焊道接頭的不平度≤1.5 mm，外觀質(zhì)量滿足技術(shù)要求;對堆焊層厚度隨機(jī)抽查8點(diǎn)進(jìn)行超聲測厚，其檢測平均值為6.82 mm，最小值為6.73 mm，滿足技術(shù)要求。

4 結(jié)論

（1）采用國產(chǎn)Inconel 625鎳基合金焊帶堆焊于基層Q345R（R-HIC）鋼表面，其各項(xiàng)耐腐蝕性能、力學(xué)性能、宏觀、化學(xué)成分等均能滿足三相分離器技術(shù)條件及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）選擇國產(chǎn)鎳基合金焊帶（DNi625（50×0.4）+焊劑SRSJ802）進(jìn)行帶極電渣堆焊能夠獲得良好的耐腐蝕性能;并成功應(yīng)用于高含硫天然氣三相分離器殼體內(nèi)壁的堆焊，工藝滿足該設(shè)備的制造要求。

（3）本研究為高含硫天然氣三相分離器采用國產(chǎn)鎳基合金焊帶進(jìn)行電渣堆焊技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)、安全運(yùn)行和操作條件提供了依據(jù)。

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