馬兵邦

中石化集團第五建設有限公司 廣東廣州 510145

哈氏合金(Hastelloy-C-276)管道的TIG焊接

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通過對哈氏合金(Hastelloy-C-276)進行化學成分、焊接性能分析及焊接工藝評定，制定了正確的焊接施工工藝，保證了哈氏合金（C-276）管道的焊接質量，可作為制定類似材料焊接工藝的參考。

哈氏合金(Hastelloy-C-276)焊接方法（GTAW） 焊材ERNiCrMo-4 焊接工藝

由中國石化集團第五建設公司承建的蘭州石化丙烯酸及脂(AA/AE)工程中有哈氏合金C-276管線157m，管道介質為：丙烯酸丁脂、丙烯酸二聚物、丙烯酸三聚物[1]。管子、管件、焊材均由國外進口，管線規(guī)格為φ34～114mm，共計焊縫218道，焊后要求100%射線檢測，Ⅱ級合格。為此，我們在管道焊接前，通過對該材料焊接性能分析，制定出焊接工是藝，并針對焊接過程中可能產生的問題采取了相應的工藝措施，順利完成了哈氏合金不銹鋼管道的焊接任務。

1 材料簡介

超低碳型鎳基哈氏合金 (Hastelloy-C-276)國內牌號NS334[2]，是一種含鎢的鎳-鉻-鉬鍛造的合金，其特點是熔點高、耐熱、耐腐蝕、強度高，具有良好的抗氧化性能、力學性能和加工性能（見表1、表2），在200～1090℃范圍內能耐各種腐蝕介質的侵蝕，被認為是“萬能的抗腐蝕合金”。因此，近幾十年以來在苛刻的工作環(huán)境中，如化學工業(yè)、石油工業(yè)等領域得到了廣泛的應用，解決一般不銹鋼和其他金屬、非金屬材料無法解決的介質腐蝕問題[2]。

2 C-276焊接性分析

2.1 焊接要求

表2 Hastelloy-C-276力學性能[3]

2.1.1 線能量控制

采用高線能量焊接鎳基耐蝕合金會產生不利影響。在熱影響區(qū)（HAZ）產生一定程度的退火和晶粒長大。高熱輸入會產生過度的偏析、碳化物的沉淀或其他有害的冶金現(xiàn)象，就會引起熱裂紋或降低耐蝕性。避免在1200～1300℃高溫區(qū)和550～900℃中溫區(qū)的敏化溫度區(qū)間停留過長時間可以防止晶間腐蝕。因此，選擇小的焊接線能量和避免在敏化溫度區(qū)間停留時間過長，是保證獲得優(yōu)質焊接接頭的有效措施。

2.1.2 焊件清潔度要求

焊件表面的清潔度是成功地焊接鎳基合金的一個重要要求。焊件在組對、打磨過程中,表面容易產生氧化物質,這些物質在焊接中容易結合形成氧化皮，形成夾渣或細小的不連續(xù)氧化物。這類氧化物不連續(xù)特別細小，一般用射線探傷和著色滲透也檢查不出來。此外，有些有害元素，如：S、P、Pb、Sn、Zn、Bi、Sb和As等，經(jīng)常存在于制造過程中所用的記號筆、油漆筆、以及油脂等材料中，焊接過程匯總會和Ni形成低熔點共晶。因此，在焊接前必須完全清除這些雜質。

表1 Hastelloy-C-276化學成分(質量分數(shù))[2] %

表3 ERNiCrMo-4焊絲化學成分(質量分數(shù))[1] %

清理的方法取決于被清理物質的種類，表面污物、油脂可用蒸汽脫脂或用丙酮及其他溶液去除。對不溶于脫脂劑的漆和其他雜物，可用氯甲烷、堿等清洗劑或特殊專用合成劑清洗。

2.1.3 鎳基材料焊接時其他注意事項

鎳基合金材料焊接過程中的層間溫度不宜過高，一般要求在50℃以下；該材料焊接一般不需要預熱和后熱處理。

接頭拘束應力也是該材料焊接過程中需要注意的一個方面，采用合理的裝配和焊接順序及方向；拼接焊縫的焊接、同時存在收縮量大和收縮量小的焊縫時應先焊收縮量大的焊縫；對工作時受力較大的焊縫應先焊交叉焊縫的焊接等可以有效緩解接頭拘束應力和接頭變形。

2.2 焊接缺陷

2.2.1 焊接熱裂紋

由于合金C-276焊縫具有樹狀組織，在粗大晶粒的邊界上，集中了一些低熔點共晶物和呈薄膜狀態(tài)分布的低熔點金屬，在晶界之間，大大削弱了晶界間的分子力，在拘束應力的作用下，產生熱裂紋。

熱裂紋分為結晶裂紋、液化裂紋和高溫失塑裂紋。結晶裂紋最容易發(fā)生在焊道弧坑，形成火口裂紋。結晶裂紋多半沿焊縫中心縱向開裂，也有些垂直于焊波。液化裂紋多出現(xiàn)在緊靠熔合線的熱影響區(qū)中，有的還出現(xiàn)在緊靠熔合線的熱影響區(qū)中。高溫失塑裂紋既會發(fā)生在熱裂紋中，也會發(fā)生在焊縫中。各種熱裂紋常常伴隨有微觀裂紋，但有時僅有微觀裂紋。熱裂紋發(fā)生在高溫狀態(tài)，常溫下不再擴展。

2.2.2 氣孔

從合金相圖及合金元素分配的特點上反映出，固、液兩相之間溫度間距小，流動性偏低，在焊接快速冷卻凝固結晶條件下，氣體來不及逸出，殘留在焊縫中便生成了氣孔。

2.2.3 焊縫內凹

焊接時對焊縫表面的要求更為嚴格，焊接時一定要焊成凸形焊道。焊接完成后出現(xiàn)開裂的大部分案例是由于凹形焊道的應力集中造成的。因此,在施焊過程中,注意焊縫的成型及飽滿度，通常要求焊縫高度高于母材表面1～2mm。

鎳基合金焊縫金屬不同于普通碳鋼的焊縫金屬那樣容易濕潤展開，即使增大焊接電流也不能改進焊縫金屬的流動性，反而起著有害作用，這是鎳基耐蝕合金的固有特性。因此為獲得良好的焊縫成形，采用小擺動工藝，同時，焊工在擺動到每一側極限位置時，要稍停頓一下，以便有足夠的時間使熔化的金屬填滿咬邊。

2.3 焊后耐蝕性能

對于大多數(shù)鎳基耐蝕合金，焊接完成后焊縫對耐蝕性能并沒有多大影響。通常在選用焊接材料時應根據(jù)焊接材料的化學成分、焊材的可焊性能選用與母材相匹配的焊材進行焊接。這樣焊縫金屬的強度和耐腐蝕性能相當或接近于母材的性能，滿足用戶使用要求。

3 焊接材料

3.1 保護氣體

為保證良好的焊接性能和優(yōu)良的焊接接頭，保護氣體采用99.99%（質量分數(shù)）的純氬氣。

3.2 鎢極

焊接時采用φ2.5mm的鈰鎢極，把鎢極頭磨成錐形。通常使用的圓錐角為30°～60°，尖端磨平，直徑約為0.4mm。

3.3 焊絲

根據(jù)哈氏合金（C-276）的焊接特性，打底焊、填充、蓋面均采用TIG焊接。選用的焊絲型號為ERNiCrMo-4（見表3、表4）。

表4 ERNiCrMo-4焊絲力學性能[4]

4 焊接工藝

4.1 管道切割

管道切口表面應平整、無裂紋、重皮、毛刺、凹凸、縮口、熔渣、氧化物及鐵屑等，切口斷面傾斜偏差不應大于管子外徑的1%，且不超過3mm。必須用磨光機磨去影響焊接質量的表面層，并將凹凸不平處打磨平整。

4.2 坡口加工

采用機械加工的方法加工坡口成“V”型：坡口角度、坡口鈍邊、組對間隙等參數(shù)詳見圖1。由于機械加工會帶來加工硬化，因此對機械加工的坡口處進行焊接前要進行必要的打磨。焊前將坡口內外壁50mm范圍內用丙酮清洗坡口表面。

4.3 管道組對、定位焊

焊縫組對時，應使內壁平齊，其錯邊量不得超過壁厚的10%且不超過3mm。然后進行定位焊。定位焊的數(shù)量不應少于3點,一般根據(jù)管道直徑確定，一般為10～30mm，并應焊透且無任何缺陷；同時，要注意將定位焊的焊縫兩端打磨成帶斜坡的凹槽，以便于正式焊接時接頭部位能良好的熔合。打底焊時，管道背面要進行充氬保護。

4.4 焊接

采用φ2.5mm的鈰鎢極，鎢極伸出長度3～5mm，層間溫度≤50℃，噴嘴直徑φ10mm。正式焊接前，應先將管道內部的空氣用氬氣置換干凈。焊件保護方式見圖2。

焊接時，采用高頻引弧，焊把在焊接時要盡量垂直焊件，這樣能更好地控制熔池大小，而且可使噴嘴氬氣均勻保護熔池而不被氧化。采用小電流、快的焊接速度，降低熱輸入，防止熱量集中產生裂紋。

焊接前和層間之間必須進行坡口處理，每一層焊道完成后均應徹底清除焊道表面的熔渣并進行檢查，消除各種表面缺陷，檢查合格后方可焊接下一層。嚴禁采用普通砂輪片進行修磨，以免坡口處理不干凈，雜質熔入熔池。

鎢極端部離焊件距離2mm左右，焊絲要順著坡口沿著管子的切線方向進行焊接。焊絲的端部要始終在保護氣體中，防止氧化而生成雜質。

在填絲過程中，焊絲不能與鎢極直接接觸或直接深入電弧的弧柱區(qū)，否則會造成焊縫夾鎢和破壞電弧穩(wěn)定。若焊絲端頭在高溫過程中脫離了氬氣保護區(qū)域，容易在空氣中被氧化，因此當再次焊接時應及時清理被氧化部分。

起焊和收弧的上下接頭要超過中心線5～10mm，要注意坡口邊緣不要被電弧擦傷，以備蓋面層的焊接。

蓋面時，應在坡口邊緣稍作停頓，以保證熔池與坡口更好熔合，保證蓋面層焊縫和邊緣熔合整齊、美觀。

收尾處打磨成斜坡狀，焊至斜坡時暫停送絲，先用電弧的熱量把斜坡處預熱并熔化成熔孔時，再迅速送絲。

收弧時要注意填滿弧坑，同時注意要將焊嘴在收弧處放置10～20sec。

焊縫表面嚴禁有電弧擦傷，且不得在焊件表面引弧或試弧，在焊接中確保起弧的質量，收弧時應在弧坑點焊幾點，將弧坑填滿，使弧坑不會急速冷卻，防止弧坑熱裂紋。多層焊的層間接頭應相互錯開，每條焊縫應一次連續(xù)焊完。

4.5 焊接工藝參數(shù)（見表5）

4.6 焊后經(jīng)驗總結

（1）在焊前認真清理焊縫表面，應嚴格控制母材、焊材中的硫、磷等雜質的含量，以及焊接工藝參數(shù)、環(huán)境溫度、濕度。焊接時選用較小的線能量，焊絲前端（受熱端）必須一直處于氣體保護之中，嚴禁斷續(xù)送絲，采用短弧焊接，控制好層間溫度，收弧時將弧坑填滿，利用焊機氣體延時進行保護，避免收弧處在高溫條件下被大氣污染氧化。

（2）誘發(fā)氣孔產生的因素主要有：坡口表面油脂，氧化物、在下料過程中記號筆的痕跡等異物沒有清理干凈，氣體保護不當、氣體純度不高、流量不夠。避免上述情況的存在，可減少氣孔生成的機率。

（3）保證合適的焊接速度。速度慢，焊縫金屬線能量較大，使焊縫金屬合金元素燒損較多，熱影響區(qū)產生過熱組織，導致晶粒粗大，焊接接頭物理性能下降。速度快，熔池保護不好，熔池金屬未得到充分的冶金反應，焊縫溫度偏低，焊縫邊緣熔合不好，容易產生裂紋。

4.7 焊接結果

在實際焊接過程中，哈氏合金(Hastelloy-C-276)管道共有218道焊接接頭，焊縫表面質量檢查100%達到合格要求。拍片416張，有4張片子存在未熔合、夾鎢缺陷，焊接一次合格率為99.0%。焊接完成的管道，水壓強度試驗全部一次成功，無一處發(fā)生變形、泄漏現(xiàn)象。

實踐證明，在丙烯酸及脂 (AA/AE)工程中哈氏合金(Hastelloy-C-276)管道采用鎢極氬弧焊焊接工藝是可行的，焊縫性能可以得到保證。項目自2008年投產至今，運行良好。哈氏合金C-276不銹鋼管道焊接的成功為今后同類材質的焊接積累了經(jīng)驗。

表5 Hastelloy-C-276（4”×SCH.10S）管材焊接工藝參數(shù)[5]

1 SH 3501—2002,石油化工有毒、可燃介質管道工程施工及驗收規(guī)范[S].

2 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊第二卷[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

3 ASME鍋爐及壓力容器委員會材料分委員會.ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范Ⅱ 材料B篇 非鐵基材料[M].北京：中國石化出版社.2001.

4 GB/T13814-92,鎳及鎳合金焊條[S].

5 H 2007—03,中國石化集團第五建設公司焊接工藝評定[J].

TG47

B

1672-9323（2013）01-0074-03

2012-12-01)