溫興奇 彭琴琴
中國化學(xué)工程第十六建設(shè)有限公司 湖北 宜昌 443000
INCONEL600 管道材料為Ni- Cr- Fe 合金,屬于鎳基合金的一種。INCONEL600 鎳基合金材料由于其優(yōu)良的抗腐蝕性能,廣泛應(yīng)用于石油化工等各行各業(yè)。在中國化學(xué)工程第十六建設(shè)有限公司承接的各類項目中,該種材質(zhì)及類似材質(zhì)使用越來越多,經(jīng)過在施工過程中的不斷總結(jié)創(chuàng)新和實踐改進(jìn),形成了一個相對成熟的INCONEL600 鎳基合金管道小角度坡口施工方法。以濱化集團(tuán)五氟乙烷裝置INCONEL600 鎳基合金管道為例,介紹鎳基合金的小角度坡口焊接工藝。INCONEL600 鎳基合金管道規(guī)格見表1。
表1 INCONEL600 鎳基合金管道規(guī)格一覽表
INCONEL600 的Ni- Cr- Fe 基固溶強化合金熔點高、耐熱、耐腐蝕、強度高,在高溫下具有良好的抗氧化性和抗?jié)B碳性,在室溫和略高于室溫的條件下具有良好的機械性能。但I(xiàn)NCONEL600 鎳基合金導(dǎo)熱性差,在結(jié)晶時晶粒有嚴(yán)重的長大傾向,易導(dǎo)致晶粒粗大,且焊縫金屬中含有的S、P、Si、Sb 等元素容易與Ni 形成低熔點共晶,產(chǎn)生熱裂紋。熱輸入過大時,易形成方向性強的單相奧氏體組織,雜質(zhì)偏析嚴(yán)重,易產(chǎn)生熱裂紋;若收弧不當(dāng),易產(chǎn)生弧坑裂紋;受焊接熱循環(huán)影響,近縫區(qū)有產(chǎn)生液化裂紋的傾向,且液體流動性能較差,易發(fā)生融合現(xiàn)象,焊接難度大,合格率偏低。INCONEL600 的物理性能及化學(xué)成分等分別見表2 和表3。
表2 INCONEL600 的物理性能
表3 INCONEL600 的化學(xué)成分
INCONEL600 鎳基合金材料焊接時,有低熔點共晶化合物 (Ni2S2 共晶溫度為645℃,Ni2P 共晶溫度為990℃)的液態(tài)膜殘留在晶界區(qū),由于收縮應(yīng)力的作用而開裂,形成弧坑裂紋和焊道裂紋,且有害氣體來不及逸出而形成氣孔。焊件表面的污染物質(zhì)也會對焊縫金屬性能產(chǎn)生很大影響。鎳基合金焊接熔池流動差、熔池“粘”,焊接操作難度大,以及結(jié)晶時氣液相時間短給焊接帶來不利因素。
目前,INCONEL600 鎳基合金材料焊接普遍采用大角度坡口的手工鎢極氬弧焊,熔覆效率低,焊縫易出現(xiàn)夾渣、氣孔等缺陷,并且極易出現(xiàn)焊絲燒損的現(xiàn)象。同時,母材容易氧化的區(qū)域大,降低了母材的耐腐蝕性能,導(dǎo)致焊接質(zhì)量未達(dá)到二級合格水平。經(jīng)過在施工過程中的不斷總結(jié)創(chuàng)新和實踐改進(jìn),形成了一個相對成熟的INCONEL600 鎳基合金管道小角度坡口施工方法。傳統(tǒng)的大角度坡口條件下,焊絲較粗,采用“一層一道”焊接。由于熱量的不均勻性,極易出現(xiàn)夾渣、氣孔等缺陷,且不利用晶粒的細(xì)化。為此,在小角度坡口條件下采用多層多道焊技術(shù),不僅可以明顯減少夾渣、氣孔等缺陷,而且提高了氬氣的保護(hù)效果,加快焊接成型速度并提高焊接表面平整美觀度。
(1)針對管道直徑的不同,對焊絲直徑進(jìn)行細(xì)化分級,結(jié)合小電流、多層焊接的工藝,控制了焊接區(qū)域的熱量和熱影響區(qū)范圍,減輕了對鎢極的燒蝕,縮小了母材氧化區(qū)域,提高了管道抗腐蝕性。
(2)采用后退焊法施工,焊接采用小線能量、窄焊道和保持電弧電壓的溫度,結(jié)合焊絲的預(yù)熱和焊槍小幅螺旋擺動運行方式。小擺動幅度應(yīng)不大于焊條直徑的2.5倍,形成對熔池合金液體的有利攪動,延緩熔池的凝固速度,顯著降低焊縫氣孔夾渣缺陷,保證了焊接質(zhì)量。
通過采用此施工方法,不僅能夠加快INCONEL600鎳基合金管道的施工進(jìn)度,降低施工成本,而且提高了施工質(zhì)量,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和質(zhì)量效益。
(1)預(yù)制場必要時用腳手架鋼管搭設(shè)防風(fēng)棚,并用彩條布遮擋,防止風(fēng)、雨的影響;
(2)現(xiàn)場作業(yè)期間,氬弧焊時若風(fēng)速≥2m/ s,手工電弧焊時若風(fēng)速≥8m/ s,均應(yīng)采取防風(fēng)措施;
(3)焊接電弧1m 范圍內(nèi)的相對濕度>90%,室外作業(yè)在雨天應(yīng)停止施焊;
(4)當(dāng)焊件表面潮濕、覆蓋有冰雪,或在下雨、下雪、刮風(fēng)期間,若焊工及焊件無保護(hù)措施,不得進(jìn)行焊接。
(1)根據(jù)焊接工藝評定所提供的工藝參數(shù),在技術(shù)人員的指導(dǎo)下組織焊工進(jìn)行學(xué)習(xí),并請有經(jīng)驗的焊工師傅作示范,對將參與焊接的焊工進(jìn)行操作技能培訓(xùn)。所有焊工均必須取得質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的焊工合格證,在現(xiàn)場由業(yè)主組織考試,經(jīng)考試檢測合格后發(fā)放焊工上崗證,才能上崗操作,且只能從事合格證有效范圍內(nèi)的焊接工程。焊工應(yīng)嚴(yán)格按照給定的焊接工藝指導(dǎo)書施焊,當(dāng)出現(xiàn)異常情況時,應(yīng)及時報告有關(guān)人員,不得自行處理。
(2)焊接技術(shù)人員和焊接質(zhì)檢人員由有經(jīng)驗、有能力勝任本職工作的人員擔(dān)任。
(3)無損檢測人員和理化分析人員應(yīng)具備相應(yīng)資格證書。
(1)INCONEL600 材質(zhì)管道及其配件應(yīng)具有生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品合格證及質(zhì)量證明書,經(jīng)復(fù)檢,其規(guī)格、化學(xué)成分、力學(xué)性能及供貨狀態(tài)均應(yīng)符合要求。為了避免材料受到污染,施工前INCONEL600 管子、管件一定要存放在干燥、干凈和安全的倉庫,并指定專人負(fù)責(zé)保管。安裝前車間門窗封閉、地面打掃干凈;安裝過程中工人穿干凈的工作服,戴干凈的手套,不得直接用手摸材料;預(yù)制材料放在干凈的工作平臺上,并用塑料薄膜覆蓋;材料不得與鐵件、地面接觸;在材料表面不得用記號筆作標(biāo)記等。
(2)焊材在使用前,要檢查出廠合格證和材質(zhì)證明書,并進(jìn)行外觀檢查。
(3)焊接材料分類存放保管,由專人負(fù)責(zé),統(tǒng)一管理,作好記錄,材料工程師要定期進(jìn)行檢查。焊材庫應(yīng)配置空氣除濕機、溫濕度記錄儀,以保證溫度在5~35℃之間,濕度不超過60%。焊條、焊絲應(yīng)存放在架子上,架子離地面和墻面的距離不應(yīng)小于300mm,集裝箱可靠墻放置。
(1)施工人員使用專用設(shè)備和專用手套施工;
(2)組對時采用專用夾具固定,管內(nèi)兩側(cè)100mm 處襯可溶紙,點焊時充氬氣保護(hù);
(3)收弧時注意填滿弧坑,防止產(chǎn)生弧坑裂紋;
(4)焊接部位設(shè)置擋風(fēng)板擋風(fēng);
(5)表面質(zhì)量控制:焊縫加強高≤1.5mm,焊縫寬度差≤2mm,不平度≤1mm;
(6)射線探傷要求Ⅱ級合格。3.5 焊接方法的選擇
濱化集團(tuán)五氟乙烷裝置INCONEL600 鎳基合金管道采用全氬弧焊。
INCONEL鎳基合金管子切割和坡口加工必須采用機械方法。管子可采用砂輪切割機下料切割,坡口使用角向磨光機或管子坡口機進(jìn)行加工。砂輪切割機和角向磨光機使用的砂輪片必須專用,不得切割或打磨其他材料。坡口用角向磨光機打磨后應(yīng)用挫刀修磨坡口表面,清除砂粒、毛刺。由于采用大角度坡口,焊絲填充材料消耗很大,而鎳及鎳基合金焊絲非常昂貴,因而大大增加了材料成本。經(jīng)過試驗總結(jié),選用坡口角度15°~20°的小角度坡口,坡口端面間隙為1~2mm。圖1 為坡口制作現(xiàn)場圖。
圖1 坡口制作
組對前用角向磨光機將坡口及母材兩側(cè)表面20mm范圍內(nèi)的氧化物、油污、熔渣及其他有害雜質(zhì)清理干凈,并將凹凸不平處打磨平整。坡口及其內(nèi)外側(cè)表面不得有裂紋、夾層等缺陷;焊前必須認(rèn)真清理接頭兩側(cè)各100mm范圍,包括鈍邊和坡口。一般采用丙酮、不銹鋼絲刷等清理。
(1)為避免增加內(nèi)應(yīng)力和產(chǎn)生應(yīng)力集中,壁厚相同時,其內(nèi)壁應(yīng)盡量平齊,內(nèi)壁錯邊量不得大于0.5mm。壁厚不同,內(nèi)壁差大于0.5mm 或外壁差大于2mm 時,不得對焊接接頭進(jìn)行加熱校正,不得采用強力組對。
(2)組對時應(yīng)墊置牢固,并應(yīng)采取措施防止焊接過程中產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形。圖2 為現(xiàn)場組對。
圖2 現(xiàn)場組對
在傳統(tǒng)大角度坡口條件下,焊絲直徑具有廣泛的適用性,從細(xì)管到粗管均可采用2.0mm 或2.4mm 的焊絲。因焊接電流大,增大了焊接母材熱影響區(qū),導(dǎo)致氧化較為嚴(yán)重,對母材的材質(zhì)和耐蝕性能影響很大。
在小角度坡口條件下,必須使用小的較細(xì)的焊絲和較小的焊接電流,以減小對對母材的熱影響,保證焊完后表面母材基本不變色。選定焊絲規(guī)格為1.0~1.6mm:對5mm 壁厚以下(含5mm)的選用1.0mm 的焊絲,對5mm壁厚以下(含5mm)的選用1.6mm 的焊絲。通過試焊操作,焊絲熔敷效果良好,既保證了填充量足夠,又保證了填充效率。
對于INCONEL600 管道材質(zhì)焊接,通常的焊接操作手法為前進(jìn)焊法,焊炬指向待焊部位,而且要求焊槍的橫向擺動比較大,以克服焊液“粘性大”、焊接熔池流動性不強的問題。但在小角度坡口的條件下,由于空間有限,不適用傳統(tǒng)的焊槍操作技術(shù)。
采用后退焊法施工,焊接電弧指向已焊完的金屬焊縫,使熔池冷卻緩慢,有利于改善焊接組織,減少未熔合、氣孔、夾渣等缺陷。焊接應(yīng)采用小線能量、窄焊道,并保持電弧電壓的溫度,焊槍由原來的較大幅度“之”字形橫向擺動改為小幅(不大于焊條直徑的2.5 倍)螺旋擺動,改善熔池焊液的流動性,提高了熱利用率,從而提高焊接熔敷效率。
采用電阻加熱進(jìn)行預(yù)熱處理,Φ88.9×5.49 及以下規(guī)格管道預(yù)熱溫度選定在50℃左右,Φ88.9×5.49 規(guī)格管道預(yù)熱溫度選定在100℃,焊絲預(yù)熱50~70℃。
打底焊間隙小,并且為了提高內(nèi)外氬氣的保護(hù)效果,焊接時必須迅速成形,采用一層一道。填充層根據(jù)管道規(guī)格選用多層多道,焊接時選用細(xì)焊絲,蓋面層選用較粗的焊絲,采用一層一道,要求蓋面層熔敷層厚度約1mm 左右,并且焊接表面成型美觀。
(1)坡口角度15°~20°,坡口端面間隙1~2mm。
(2)焊絲預(yù)熱溫度50~70℃,Φ88.9×5.49 及以下規(guī)格管道預(yù)熱溫度選定在50℃左右,Φ88.9×5.49 規(guī)格管道預(yù)熱溫度選定在100℃左右。
(3)焊接電源種類:直流;極性:正接;焊接電流80~110A、電弧電壓12~17V;焊絲為氬弧焊絲ERNiCr- 3 直徑1.6mm;焊把氬氣流量10l/ min、充氣氬氣流量8L/ min;鎢棒直徑1.2mm、噴嘴直徑5mm;焊接速度7~10cm/ min;焊接層數(shù):單層。
(4)焊接層道:打底層1 道,填充層2 道,蓋面層2~3 道。
焊后將焊縫表面的飛濺、焊渣等清理干凈,并用砂輪打磨修整。
(1)焊縫外觀成型應(yīng)良好,且應(yīng)平滑過渡;焊縫寬度應(yīng)以每邊超過坡口邊緣2mm 為宜,焊縫表面不得低于母材表面;焊縫余高(?h)應(yīng)符合下列要求:100%射線檢測焊接接頭,?h ≤1+0.1b(b 為焊縫寬度),且不應(yīng)大于2mm;其余焊接接頭,?h≤1+0.2b(b 為焊縫寬度),且不應(yīng)大于3mm。
(2)焊縫表面不允許有裂紋、未熔合、氣孔、夾渣和飛濺等缺陷存在。
X 射線無損檢測合格標(biāo)準(zhǔn):Ⅱ級合格。
(1)經(jīng)檢驗合格的預(yù)制管道按單線圖進(jìn)行管道安裝,安裝時不能用強制方法固定管子。從事現(xiàn)場作業(yè)的焊工應(yīng)全位置焊接培訓(xùn)考試合格。
(2)管道安裝完畢后,按規(guī)范規(guī)定和設(shè)計要求進(jìn)行水壓試驗、水沖洗和化學(xué)脫脂。
(1)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝標(biāo)準(zhǔn),提高焊縫一次合格率;
(2)挑選操作技能水平高、責(zé)任心強的焊工進(jìn)行培訓(xùn),使之熟練掌握焊接操作技能;
(3)及時進(jìn)行并迅速反饋焊縫探傷結(jié)果,對返修焊縫中所出現(xiàn)的缺陷認(rèn)真查找原因,提出預(yù)防措施;
(4)為焊工提供性能可靠、能滿足焊接施工要求的焊機和清理工具。
(1)嚴(yán)格執(zhí)行原材料的檢查驗收制度,嚴(yán)禁不符合質(zhì)量要求的材料進(jìn)入施工現(xiàn)場。
(2)投入優(yōu)良的施工設(shè)備,定期維修施工機械設(shè)備,確保施工機具完好率和利用率,保證施工正常進(jìn)行,施工人員正確操作施工機械。認(rèn)真執(zhí)行計量管理標(biāo)準(zhǔn),按計量檢測標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范配備符合要求的計量器具。
(3)對于不合格產(chǎn)品,嚴(yán)格控制,及時消除質(zhì)量隱患。
(4)堅持“三工序”原則,即施工人員要干好本道工序,保護(hù)上道工序,服務(wù)下道工序;運用“目測、量測、試驗”等手段做好自檢、互檢、專檢工作;利用質(zhì)量專題會議形式定期分析總結(jié)質(zhì)量情況,找出質(zhì)量控制因素,確保管道施工質(zhì)量的控制。
(5)合理安排施工進(jìn)度和焊接工作量,合理解決焊接質(zhì)量、焊縫探傷與施工進(jìn)度之間的關(guān)系。
(6)焊工、專職質(zhì)檢員及無損檢測人員嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。
(7)管道下料、組對、焊接、熱處理等每道工序必須經(jīng)過業(yè)主、監(jiān)理驗收,并做好過程中的控制記錄。
INCONEL600 鎳基合金管道小角度坡口施工工藝成功應(yīng)用于濱化集團(tuán)五氟乙烷項目的四氯乙烯裝置上,嚴(yán)格按照焊接方法及要求進(jìn)行INCONEL600 管道焊接。焊接過程中控制好焊接間隙,以及母材和焊絲預(yù)熱溫度,對焊縫的質(zhì)量具有至關(guān)重要的影響。該技術(shù)不僅施工進(jìn)度快,而且成本大大降低。焊后經(jīng)無損檢測,焊接合格率高,焊接質(zhì)量優(yōu)良。