厚壁哈氏C-276鎳基復合板容器的焊接

引言

N10276是一種鎳-鉻-鉬抗腐蝕合金,也稱哈氏合金C-276,可以適應多種復雜的腐蝕環(huán)境,對局部腐蝕有很強的抵抗能力。鎳合金常用來制造石油化工設備,因此鎳合金復合板便得到了廣泛的應用。某公司承接一厚壁鎳基復合板塔式容器項目,基層材料o345R,復層材料Ss-575N10276,最大厚度(125B3)＋＋,容器總重量90+,長度10520＋＋,設計圖紙要求焊后整體消除應力熱處理。容器焊接分為三大部分:基層、過渡層、復層,基層板較厚,過渡層、復層焊接要考慮對材料腐蝕的影響,焊接難度大。

分析:基層材料o345R常規(guī)焊后消除應力熱處理溫度為(620±20)m,如果采用此溫度進行熱處理,復層N10276會迅速敏化,耐腐蝕性能嚴重下降。當選擇降溫熱處理時,按照容器熱處理標準,保溫時間又大幅增加,將導致基層焊縫抗拉強度下降,甚至不合格。因此選擇合理的焊后熱處理溫度、時間和基層焊接材料尤為重要,既要保證基層焊縫強度,又要保證復層耐腐蝕性能。筆者通過查閱相關資料和標準,并選擇不同的焊接材料進行試驗,制訂了嚴格的焊接工藝參數(shù),成功解決了這一問題。

1容器結構特點及主要參數(shù)

設計標準:Gs150.1~150.4—2011《壓力容器》。設計壓力:7.0MPa:設計溫度:195℃:最低設計金屬溫度:-15℃:容器類別:Ⅲ類。上封頭厚度(82B3)＋＋:筒體厚度(122B3)＋＋:錐體分為三段,厚度分別為(125B3)＋＋、(84B3)＋＋、(52B3)＋＋(圖1)。設計圖紙要求制備產(chǎn)品焊接試板。

2母材焊接性分析

2.1基層材料Q345R

o345R鋼板符合Gs713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標準,主要化學成分如表1所示。o345R是低合金高強鋼,焊接性良好,鋼中含有少量的合金元素。薄板焊接不易產(chǎn)生裂紋,厚板焊接時,焊接工藝不合理會產(chǎn)生裂紋,焊接裂紋分為冷裂紋和熱裂紋。

2.1.1焊接冷裂紋

形成焊接冷裂紋的三大要素:淬硬、焊接應力、擴散氫。

(1)o345R碳當量Cep≤0.40%,在焊接過程中基本無脆硬傾向,正常情況下冷裂紋傾向小,但當母材厚度≥25＋＋時,應考慮焊前預熱和焊后立即后熱消氫處理。

(2)焊接過程中不均勻的加熱和冷卻都會產(chǎn)生不同的拘束應力,板厚越大,所造成的拘束度也越大,導致產(chǎn)生裂紋的傾向也就越大。o345R厚板焊接時,選擇合理的焊接坡口,采用合理的焊接工藝可以降低焊接應力,減小焊接冷裂紋風險。

(3)降低焊縫中氫的措施有:選擇低氫型焊接材料、降低焊縫冷卻速度、板厚≥50＋＋焊后立即后熱消氫處理。

2.1.2焊接熱裂紋

o345R板厚較大時,特別是焊縫成型系數(shù)較小時(熔池窄而深),焊縫中的S、P等雜質易形成低熔點共晶物,焊縫金屬在拉伸應力作用下產(chǎn)生裂紋。熱裂紋有兩個重要因素:冶金因素和力的因素。減少焊接熱裂紋的有效措施有:選用Si、Mn型焊接材料,使焊縫中S與Si、Mn結合形成穩(wěn)定化合物:制定合理的焊接順序和焊接工藝以減小焊接應力。

2.2復層哈氏合金C-276

Ss-575N10276符合美國標準ASMEⅡs篇《非鐵基材料》,主要化學成分如表2所示。

鎳及鎳合金獲得成功焊接最重要的是清理,焊前要嚴格將焊接坡口及兩側15＋＋范圍內(nèi)清理干凈,尤其要去除表面的氧化層,因為焊接過程中Ni能與P、S、Pb、Al或低熔點的物質形成脆化元素。由于氧化物(一般在540℃以上形成)的熔點高(2040℃)而鎳的熔點為1400℃,因而會造成未熔合。另外,在鎳及鎳合金焊接中的主要有害雜質鋅(Zn)、硫(s)、碳(C)、鋼(Bi)、鉛(Pb)、鎘(Cd)等能增加鎳基合金的焊接裂紋傾向。氧、氫、一氧化碳等氣體在熔化的鎳中溶解度極大,而在固態(tài)下溶解度大大減小,溶解度的變化是在熔化焊中引起氣孔的主要原因。

鎳合金焊材所形成的熔池十分黏稠,不可用加大電流的方法增加熔池流動性,加大電流的直接后果是會導致熔池溫度過高,使未來的焊縫中出現(xiàn)氣孔,同時過熱的溫度會使焊材中一些補償性元素意外被蒸發(fā)或氣化,造成焊縫出現(xiàn)缺陷。應該采用輕微擺動的方法來攪動熔池,以利于溶解氣體逸出。

鎳合金氬弧焊熔深較小,不足碳鋼的一半,為奧氏體不銹鋼的2/3左右,因此接頭設計時,應加大坡口、減小鈍邊厚度、適當加大根部間隙,在操作中應注意防止未焊透和根部缺陷。

3焊接工藝評定

焊接工藝評定按NB/T47014一2011《承壓設備焊接工藝評定》要求進行試板制備、焊接、理化試驗等。

3.1焊接工藝選擇

3.1.1熱處理溫度和時間

分析:容器需要整體消除應力熱處理,符合標準GB/T30583一2014《承壓設備焊后熱處理規(guī)程》,鎳合金材料熱處理時,要考慮溫度和時間對母材敏化的影響。美國Haynes公司關于鎳合金的資料中有一張圖表,是時間一溫度一敏化曲線圖(圖2),很有指導意義。

GB/T30583一2014《承壓設備焊后熱處理規(guī)程》規(guī)定o345R最低保溫溫度為600℃,且標準允許降溫熱處理,但降溫熱處理時,熱處理時間應按表3規(guī)定執(zhí)行。

容器最大厚度(125＋3)mm,若參考基層o345R焊后熱處理常規(guī)溫度(620±15)℃,按標準計算最短保溫時間約為2.8h。由圖2可以看出,當復層哈氏合金C-276在620℃熱處理時,保溫0.2h出現(xiàn)敏化,如果選擇(620±15)℃熱處理溫度對復層C-276耐腐蝕性影響較大,此熱處理溫度不合適,需重新選擇。參考表3降溫熱處理與最低保溫時間關系進行分析,選擇降溫80℃進行熱處理時,保溫時間過長,基層母材抗拉強度會降低太多,影響產(chǎn)品使用安全。綜合考慮熱處理溫度和時間對基層強度、復層敏化的影響,選擇降溫55℃,按表3計算,熱處理時間最低約為302min,筆者認為容器進行555EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(0℃/302~310min焊后熱處理比較合理。

3.1.2焊接材料

基層采用焊條電弧焊或焊條電弧焊＋埋弧焊兩種方法,焊條選用低氫型E5015(J507),埋弧焊選用氟堿型焊劑。容器需要進行5個多小時熱處理,焊接工藝評定熱處理時間應考慮3個熱循環(huán),工藝評定熱處理時間為16h,考慮到長時間熱處理會對焊縫抗拉強度影響較大,采購焊接材料時,要求焊材廠家做焊縫金屬模擬焊后熱處理。焊接材料選擇:GB/T5117一2012《非合金鋼及細晶粒鋼焊條》中的E5015(J507),小4.0mm:埋弧焊絲和焊劑分別選擇標準GB/T5293一1999《埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑》中的焊絲H10Mn2、焊劑F5P2-H10Mn2(sJ101),美國標準AsMEsFA-5.17《埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑標準》中的焊絲EH14、焊劑F48P2-EH14(sJ101),焊絲直徑小4.0mm。

焊材采購前要求至少兩家焊材供應商分別做焊縫金屬模擬焊后熱處理試驗,試驗要求:

手工電焊條:熔敷金屬s、P含量≤0.015%,進行555EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(0℃保溫16h模焊處理,熔敷金屬夏比V型缺口沖擊試驗的KV2(-20℃)值≥54J。

埋弧焊絲和焊劑要求滿足:熔敷金屬s、P含量≤0.015%,進行555EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(0℃保溫16h模焊處理,熔敷金屬夏比V型缺口沖擊試驗的KV2(-20℃)值>41J。

兩家焊材廠家反饋焊縫金屬成分及模擬焊后熱處理結果,如表4所示。

由表4可以得出結論:焊條E5015化學成分、機械性能符合標準要求,焊絲H10Mn2配合焊劑F5P2-H10Mn2焊縫金屬化學成分、沖擊指標合格,但抗拉強度452MPa、460MPa過低,不符合標準最低480MPa要求。EH14焊絲配合F48P2-EH14焊劑化學成分、機械性能符合標準要求。分析埋弧焊焊材組合F5P2-H10Mn2不合格原因:長時間熱處理導致焊縫金屬抗拉強度下降。而F48P2-EH14組合由于EH14焊絲含Mn量稍高,Mn是提高金屬強度的重要因素,即使經(jīng)過長時間模擬熱處理,試驗結果仍合格。A、B焊材廠家焊條E50l5(J507)、埋弧焊絲EHl4配合埋弧焊劑F48P2-EHl4化學成分、機械性能都可以達到標準要求,從經(jīng)濟性考慮選擇B廠家焊條、埋弧焊絲和焊劑。

復層耐蝕堆焊采用機械、手工鎢極氬弧焊或其組合方法,過渡層、復層焊絲分別選用美國牛津oxford公司生產(chǎn)的ERNiCrMo-3、ERNiCrMo-4。氬弧焊焊絲符合美國標準AsMEsFA-5.l4《鎳和鎳合金光填充絲和焊絲標準》,質量保證書中焊絲主要化學成分如表5所示。

3.2基層Q345R焊接工藝評定

分析:封頭采用瓜瓣冷成型方式加工,封頭廠定位拼接好,回公司焊接拼縫,與主筒體焊接后隨容器做整體消應力熱處理。因此,根據(jù)容器厚度,基層焊接工藝評定做一項,焊條電弧焊(sMAW)＋埋弧焊(sAW):555℃消應力l6h,板厚44mm,焊縫金屬厚度各22mm(正面sMAW,背面sAW),焊接工藝參數(shù)如表6所示。

工藝評定試板進行l(wèi)00%RT檢測,按NB/T47013.2一2015《承壓設備無損檢測第2部分:射線檢測》,Ⅰ級合格。

理化試驗結果:

(1)拉伸2件,抗拉強度(Rm)分別為5l2MPa、5l8MPa:斷裂位置:焊縫。

(2)側彎4件,彎曲l80o無裂紋。

(3)焊縫、熱影響區(qū)-20℃沖擊各2組(上、下各1/4T處,KV2,單位:J)。焊縫(上l/4T):96,88,l02:焊縫(下l/4T):86,92,98:熱影響區(qū)(上1/4T):76,90,82:熱影響區(qū)(下l/4T):72,80,86。

試驗結果合格。

3.3復層耐蝕堆焊焊接工藝評定

復層堆焊采用機械鎢極氬弧焊(機械GTAW)和手工鎢極氬弧焊(手工GTAW),焊絲直徑分別為1.2mm、2.4mm,過渡層焊絲ERNiCrMo-3,復層焊絲ERNiCrMo-4,工藝評定2項,焊接工藝參數(shù)如表7所示。

(1機械GTAW:555℃消應力l6h,板厚26mm,過渡層焊l層,復層焊3層:

(2)手工GTAW:555℃消應力l6h,板厚26mm,過渡層焊l層,復層焊3層。

工藝評定試板復層進行l(wèi)00%PT檢測,按NB/T470l3.5一20l5《承壓設備無損檢測第5部分:滲透檢測》,I級合格。

理化試驗結果:側彎各4件,彎曲l80o無裂紋。

熔合線以上2.5mm、3mm分別取樣進行化學成分分析,結果如表8所示。

由表8可以看出,機械GTAW試板熔合線以上2.5mm取樣位置,Cr含量l7.2%,高于標準的l4.5%~l6.5%,Mo含量l4.5%,低于標準的l5%~l7%,試驗結果不合格。機械GTAW試板熔合線以上3.0mm取樣、手工GTAW試板熔合線以上2.5mm和3.0mm取樣試驗結果合格。堆焊層經(jīng)美國材料協(xié)會mATMG28《鍛造鎳基含鉻材料腐蝕試驗》m法,硫酸鐵-硫酸腐蝕24h,腐蝕率分別為:機械GTmw堆焊4.05mm/a:手工GTmw堆焊3.88mm/a,均小于12mm/a,腐蝕試驗結果合格。

4容器焊接

4.1焊前準備

根據(jù)焊接工藝評定(P0R)編制專用焊接工藝規(guī)程(wPA)、焊縫布置圖、焊接工藝等。施焊前由焊接檢驗員確認焊工資格,焊接工藝參數(shù)嚴格按焊接工藝規(guī)程執(zhí)行。

焊接試板應由施焊該容器的焊工,采用與施焊容器相同的條件、過程與焊接工藝(包括施焊之后的熱處理條件)施焊,有熱處理要求的容器,試件一般應當隨容器進行熱處理,否則應當采取措施保證試件按照與容器相同的工藝進行熱處理[4]。

根據(jù)上述要求,焊接試板分別設置在封頭拼接焊縫(m01A)、主筒體拼接焊縫(m1A)。主體對接焊縫坡口設計如圖3所示。

4.2鍛件堆焊

編制專用堆焊工藝卡,法蘭、法蘭蓋堆焊使用機械氬弧焊,不能使用機械氬弧焊部位使用手工氬弧焊堆焊。機械氬弧焊盤絲焊接過程中注意避免污染,手工氬弧焊焊絲用丙酮擦拭干凈,過渡層堆焊前打磨出金屬光澤,清除油、銹等雜質。堆焊前基層預熱≥80℃,控制道間溫度≤100℃,過渡層堆焊1層:復層堆焊4~6層,控制道間溫度≤80℃,堆焊總厚度6~7.5mm(包括機加工余量1~1.5mm)。

過渡層、復層堆焊后,分別進行100%PT檢測,按NB/T47013.5一2015《承壓設備無損檢測第5部分:滲透檢測》,I級合格:復層堆焊后進行100%UT檢測,按NB/T47013.3一2015《承壓設備無損檢測第3部分:超聲檢測》,I級合格。

4.3基層焊接

封頭、主筒體、錐體拼接焊縫分別進行施焊。如圖1所示,焊縫m01~m08、m010、m01A、m8~m9、B2~B4采用焊條電弧焊,m1~m7、m1A、m09、B1基層采用焊條電弧焊＋埋弧焊,鍛件接管與主體焊縫采用焊條電弧焊。焊接前,先將焊條E5015、埋弧焊焊劑AJ101烘干,烘干溫度300~350℃,保溫2h?；鶎雍附忧邦A熱≥150℃,所有焊道焊接前不可低于此預熱溫度,焊接過程中溫度實時監(jiān)控,測溫點為焊縫兩側200mm范圍內(nèi),焊接過程中控制道間溫度≤250℃,背面碳弧氣刨清根前預熱≥150℃。基層焊縫全部焊接完成后,立即進行300~350℃、2h后熱消氫處理,使用保溫棉緩冷。

基層焊接后進行100%UT檢測,按NB/T47013.3一2015《承壓設備無損檢測第3部分:超聲檢測》,I級合格。

4.4過渡層、復層焊接

焊縫m09、m1、m2、B1堆焊采用機械氬弧焊,其余焊縫堆焊采用手工氬弧焊,使用99.999%高純氬氣。過渡層堆焊前坡口應打磨出金屬光澤,清除油、銹等雜質。機械氬弧焊堆焊時,ERNiCrMo-3盤絲應避免污染:手工氬弧焊時,焊絲ERNiCrMo-3表面用丙酮擦拭清除油污。過渡層焊接前基層預熱≥80℃,控制道間溫度≤100℃,過渡層堆焊1層。

復層堆焊前,坡口兩側20mm范圍內(nèi)、過渡層表面及手工氬弧焊焊絲ERNiCrMo-4用丙酮擦拭清除雜質,機械氬弧焊焊絲應避免污染,焊接過程中控制道間溫度≤80℃,復層堆焊3層。

過渡層、復層堆焊后分別進行100%PT檢測,按NB/T47013.5一2015《承壓設備無損檢測第5部分:滲透檢測》,I級合格:容器縱、環(huán)焊縫整體進行100%RT檢測,按NB/T47013.2一2015《承壓設備無損檢測第2部分:射線檢測》,Ⅱ級合格。

5容器熱處理

容器焊接完畢后,整體進行消除應力熱處理,兩塊焊接試板隨爐熱處理。編制專用熱處理工藝卡,按555℃/302~310min進行熱處理。

熱處理后容器主體縱、環(huán)縫進行100%UT檢測,按NB/T47013.3一2015《承壓設備無損檢測第3部分:超聲檢測》,I級合格。產(chǎn)品焊接試板根據(jù)NB/T470162011《承壓設備產(chǎn)品焊接試件的力學性能檢驗》進行理化試驗,機械性能合格:堆焊層腐蝕率分別為A09s:3.06mm/a、A1s:3.18mm/a,均小于12mm/a,腐蝕結果合格。

6結論

(1)分別對基層O345R、復層哈氏合金C-276焊接特性進行分析,基層焊接難點在于避免焊接裂紋,減少裂紋的措施有:焊前清理雜質:選用低氫焊接材料:焊前預熱、焊后后熱消氫處理等。復層焊接難點在于鎳合金導熱性差、黏性強、流動性差、熔深較淺、易產(chǎn)生氧化,焊接操作難度大,雜質較多時會形成低熔點共晶物,產(chǎn)生熱裂紋,坡口、焊絲清潔尤為重要,氬弧焊時選用99.999%高純氬氣,焊接時選用較小的線能量,同時嚴格控制道間溫度。

(2)分析焊后消除應力熱處理溫度和時間對基層抗拉強度、復層耐腐蝕性能的影響,根據(jù)"時間一溫度一敏化曲線"選擇合理的焊后消除應力溫度及時間。

(3)基層焊接材料進行模擬焊接熱處理,選擇既滿足母材抗拉強度又具有經(jīng)濟性的焊接材料。容器焊接時盡量采用機械焊接方法,以降低勞動強度、提高生產(chǎn)效率?；鶎雍附雍笤黾映暡z測,發(fā)現(xiàn)缺陷及時返修,避免了后續(xù)射線檢測發(fā)現(xiàn)超標缺陷,返修周期長的問題。容器主體焊縫射線探傷合格率100%,產(chǎn)品焊接試板機械性能、腐蝕率合格,容器分別經(jīng)7.0MPa氣密性試驗、10.22MPa水壓試驗,試驗結果合格。