帶鎳基隔離層耐熱鋼與不銹鋼焊接工藝研究

蔣 俊 車昌盛 張新明

中建安裝集團(tuán)有限公司 江蘇 南京 210023

隨著鎳基焊材的不斷發(fā)展和改進(jìn)，已經(jīng)成為異種金屬材料焊接的主要過渡材料。由于鎳基焊材的價格較高，目前主要是用作堆焊材料。在山東海右石化集團(tuán)有限公司100 萬t/ a 延遲焦化綜合裝置項目中遇到了帶鎳基隔離層（Ni625）耐熱鋼（12Cr2Mo1R）與不銹鋼（S32168）管道的焊接，這是中建安裝集團(tuán)有限公司首次遇到帶鎳基隔離層的異種鋼焊接。由于現(xiàn)場的設(shè)備都是堆焊完成后進(jìn)場的，沒有多余的材料進(jìn)行焊接工藝試驗（焊接工藝試驗需要先進(jìn)行12Cr2Mo1R 板坡口表面Ni625 堆焊，再進(jìn)行異種金屬焊接）。焊后的彎曲檢驗中，多次出現(xiàn)彎曲試驗不合格的情況。針對這一情況，從焊接性能、焊接方法、焊材選用、焊接性等方面進(jìn)行研究，獲得滿足力學(xué)性能要求的焊接工藝，解決了現(xiàn)場異種鋼的焊接問題。

1 材料焊接性分析

1.1 化學(xué)成分與物理性能

12Cr2Mo1R、Ni625 和S32168 的化學(xué)成分和物理性能如表1 和表2 所示。由表可以看出，12Cr2Mo1R、Ni625與S32168 的化學(xué)成分差別比較大，主要是Cr、Ni 元素；Ni625 與12Cr2Mo1R 的線膨脹系數(shù)比較接近；S32168 與Ni625 的導(dǎo)熱率比較接近。

表1 12Cr2Mo1R、Ni625 與S32168 的化學(xué)成分對照表 %

表2 12Cr2Mo1R 與S32168 的物理性能對照表

1.2 焊接性分析

根據(jù)化學(xué)成分表和鉻鎳當(dāng)量計算公式可得知，12Cr2Mo1R 的Ceq 為0.914，Ni625 的Creq 和Nieq 分別 為31.16 和64.16，S32168 的Creq 和Nieq 分 別 為17.92 和10.84。根據(jù)12Cr2Mo1R 的碳當(dāng)量可知，焊接時需要焊前預(yù)熱和焊后熱處理，焊縫中易出現(xiàn)淬硬組織，形成冷裂紋。通過Ni625 和S32168 的Creq、Nieq 可知，兩種材料的金相組織中鐵素體含量極低，但由于都存在Si、S 等元素，且熱量不易散發(fā)，更容易出現(xiàn)熱裂紋。

因此，12Cr2Mo1R 堆焊Ni625 時，要注意熱量的輸入；Ni625 和S32168 焊接時，要避免進(jìn)行焊后熱處理。

2 焊接工藝設(shè)計與試驗

2.1 焊接方法選擇

考慮到焊接速度和熱輸入量等因素的影響，12Cr2Mo1R 坡口表面的堆焊擬采用焊條電弧焊。由于現(xiàn)場安裝位置特殊，接管直徑較小，靠近換熱器，背面清根、施焊難度大，12Cr2Mo1R 與S32168 的焊接擬采用手工鎢極氬弧焊+ 手工焊條電弧焊進(jìn)行。

2.2 焊材選用

加氫反應(yīng)裝置高壓換熱管線與現(xiàn)場管道的焊縫有耐腐蝕性和熱強(qiáng)性能等要求，故選用與堆焊材料相同成分的焊材，以ERNiCrMo- 3 焊絲打底，ENiCrMo- 3 焊條進(jìn)行填充和蓋面。焊絲、焊條熔覆金屬的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如表3 所示。

表3 焊絲、焊條熔敷金屬化學(xué)成分 %

2.3 焊接工藝設(shè)計

2.3.1 坡口預(yù)制

12Cr2Mo1R 側(cè)坡口加工成單V 型，易于進(jìn)行Ni625堆焊。12Cr2Mo1R 和S32168 試板厚度達(dá)到30mm，從焊材使用量和焊接效率等方面考慮，將S32168 側(cè)坡口加工成單“U”型；為了增加S32168 試板焊接過程中的散熱，將坡口角度設(shè)定在15°左右。待堆焊完成后，堆焊層加工成單“U”型，坡口角度控制在15°。采用機(jī)加工時，鈍邊預(yù)留2mm，坡口表面平整光滑，不得有裂紋、毛刺、分層等缺陷。具體坡口尺寸如圖1 所示。

圖1 坡口尺寸示意圖

2.3.2 焊前清理

由于鎳基合金和S32168 都容易與S、P、Si 等元素形成低熔點共晶物，加劇熱裂紋傾向，因此必須進(jìn)行焊前清理。焊前用專用不銹鋼打磨片或不銹鋼鋼絲刷清理坡口及兩側(cè)20mm 范圍內(nèi)的氧化層、油污等雜質(zhì)，丙酮清洗坡口及焊絲表面，降低氣孔和夾渣的傾向。

2.4 焊接試驗

2.4.1 焊接工藝試驗

采用多層多道的方式進(jìn)行12Cr2Mo1R 坡口表面堆焊，厚度達(dá)到8mm，每一層都要清理干凈，以免產(chǎn)生氣孔和夾渣。堆焊完成后，12Cr2Mo1R 試板與S32168 試板進(jìn)行焊接，焊接位置為立焊，多層多道焊，保護(hù)氣體流量設(shè)定在10～16L/ min（正面）、10～15L/ min（背面）；焊接線能量控制在20～25kJ/ cm，道間溫度控制在60℃以下。為了降低焊接電壓，縮小電弧加熱斑點，控制焊接熱輸入量，選用2.5mm 的W- Ce20 型的小直徑鎢極，噴嘴直徑控制在10～16mm。具體參數(shù)如表4 所示。

表4 焊接性試驗工藝參數(shù)

2.4.2 焊接性能試驗

（1）外觀檢查：焊接完成后進(jìn)行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)表面存在氣孔、夾渣、裂紋、咬邊、弧坑、未熔合和未焊透等缺陷。

（2）射線檢測：焊接完成后進(jìn)行射線檢測，按照《承壓設(shè)備無損檢測第2 部分：射線檢測》（NB/ T 47013.2—2015）標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行評定，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺欠，所檢焊接接頭達(dá)到Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)。

（3）理化性能試驗：對射線檢測合格的焊接接頭進(jìn)行取樣，完成拉伸、彎曲和沖擊試驗。試驗結(jié)果如表5 所示。

表5 力學(xué)性能和彎曲試驗結(jié)果

從上述力學(xué)性能和彎曲試驗結(jié)果可以看出，拉伸和沖擊試驗合格，但彎曲試驗存在斷裂、布滿裂紋和大于3mm 裂紋等情況，如圖2 所示。

圖2 彎曲試驗不合格樣品圖

從彎曲試驗結(jié)果圖可以看出，斷裂從對接焊縫的根部延伸到蓋面位置，并且靠近堆焊層一側(cè)。由此判斷，對接焊縫組織的塑韌性不能滿足彎曲試驗要求，排除焊材本身原因，需要從焊接工藝和焊接方式等角度對焊接過程的熱輸入量進(jìn)行控制，加快焊接過程散熱，縮短焊縫組織的高溫區(qū)間停留時間。堆焊層塑性主要是由基層12Cr2Mo1R 板的特性決定，需要通過熱處理提高12Cr2Mo1R 板的可焊性，改善12Cr2Mo1R 表面組織狀態(tài)，增加Ni625 與12Cr2Mo1R 的結(jié)合力。

2.5 焊接工藝改進(jìn)

（1）通過對焊接接頭彎曲性能分析，提出如下改進(jìn)方案：焊接過程要控制熱輸入量，增加輔助降溫設(shè)施，縮短焊縫接頭高溫區(qū)間停留時間；針對Ni625 堆焊，通過熱處理改善12Cr2Mo1R 的可焊性，增加堆焊層與基層的結(jié)合力。

（2）12Cr2Mo1R 板的熱處理措施：焊前進(jìn)行200℃預(yù)熱，立刻進(jìn)行Ni625 堆焊，連續(xù)施焊，直至堆焊層厚度達(dá)到8mm；焊后進(jìn)行750℃/ 2h 熱處理，避免焊后整體熱處理影響S32168 的耐腐蝕性能和力學(xué)性能。

（3）對接焊的控制措施：多層多道分段退焊，層間溫度控制在60℃以下，背面全程壓縮空氣快速降溫。

具體工藝措施如表6、表7、表8 所示。

表6 12Cr2Mo1R 鋼堆焊工藝參數(shù)

表7 12Cr2Mo1R 隔離層與S32168 對焊的工藝參數(shù)

表8 對比試驗的焊接方式和層間溫度控制

采用上述焊接工藝和工藝措施后，焊縫射線檢測結(jié)果為Ⅰ級合格，拉伸、彎曲和沖擊試驗結(jié)果均合格。

3 結(jié)語

（1）針對鎳基合金與12Cr2Mo1R 的堆焊，需要通過焊前預(yù)熱和焊后熱處理改善12Cr2Mo1R 的可焊性，增加堆焊層與基層的結(jié)合力，提高堆焊焊縫的塑韌性。

（2）鎳基隔離層與S32168 的焊接，需要控制熱輸入量，采用壓縮空氣快速降溫，縮短焊縫高溫區(qū)間停留時間，抑制熱裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展，才能保證焊縫的塑韌性。