趙瑞輝
我公司制作的一臺(tái)EDC裂解單元用急冷塔底料汽提塔,主要介質(zhì)為裂解氣,主體材料為Q345R,進(jìn)料管口處考慮到裝配方便、介質(zhì)的腐蝕性等因素,采用了對(duì)焊環(huán)松套法蘭(LF/SE)(見(jiàn)圖1),其結(jié)構(gòu)主要由翻邊短節(jié)、帶頸法蘭、接管組成,其中翻邊短節(jié)和接管設(shè)計(jì)選用NCu30材料,規(guī)格為φ60.3×5.6mm,帶頸法蘭材料為16MnⅡ鍛件。 翻邊短節(jié)與接管對(duì)接連接,接管與產(chǎn)品殼體及補(bǔ)強(qiáng)圈角接連接。
圖1 對(duì)焊環(huán)松套法蘭結(jié)構(gòu)形式
該管口涉及到材料NCu30與NCu30,NCu30與16MnⅡ(Q345R)之間的焊接。本文重點(diǎn)介紹NCu30的焊接性,通過(guò)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn),確定了合適的焊接工藝,并應(yīng)用于產(chǎn)品焊接生產(chǎn)。
NCu30材料為Ni-Cu合金,又稱為蒙乃爾合金,該材料與ASME SB127規(guī)范中材料UNS編號(hào)N04400相同,兩種材料化學(xué)成分和力學(xué)性能對(duì)比如表1和表2所示。蒙乃爾合金是一種以金屬Ni為基體,添加Cu、Fe和Mn等其他元素而成的合金,組織結(jié)構(gòu)為單相奧氏體組織。該合金具有良好的耐蝕性和冷熱加工性能,廣泛應(yīng)用在石油化工及海洋開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域,用來(lái)制造各種換熱設(shè)備、石油和化工管線等。
表1 NCu30和N04400材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
表2 NCu30和N04400材料力學(xué)性能
蒙乃爾合金材料焊接時(shí)容易產(chǎn)生氣孔和裂紋缺陷,其原因分析如下:
(1)氣孔 蒙乃爾合金焊接產(chǎn)生的氣孔有H2氣孔、CO氣孔和H2O氣孔。H2氣孔和CO氣孔的產(chǎn)生是由于焊前清理不到位,焊接過(guò)程中保護(hù)氣體被破壞造成的,H2O氣孔形成于焊道的熔合線附近及起弧和接頭處較多。這是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中焊道周邊區(qū)域在引弧和接頭處冷卻快,結(jié)晶速度快,加之這些區(qū)域往往保護(hù)較差,母材或空氣中H進(jìn)入熔池來(lái)不及逸出,而與NiO反應(yīng)形成H2O氣孔。
(2)裂紋 當(dāng)蒙乃爾合金與Q345R焊接時(shí),在應(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生熱裂紋缺陷。另外,由于蒙乃爾合金的導(dǎo)熱性差,焊接時(shí)熱量不易擴(kuò)散,易產(chǎn)生過(guò)熱,造成晶粒粗大,減弱晶間結(jié)合力,所以也增大了熱裂紋的傾向,降低接頭的塑性和耐蝕性。
(1)焊接方法 蒙乃爾合金焊接可采用氬弧焊、焊條電弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊和埋弧焊等各種焊接方法。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn),由于對(duì)焊環(huán)松套法蘭中接管與翻邊短節(jié)直徑較小,壁厚較薄,且產(chǎn)品主筒體為φ600mm,內(nèi)部空間較小,所以兩個(gè)接頭均采用氬弧焊在外部進(jìn)行單面焊。
(2)焊接設(shè)備 選用威特力WSME—315逆變交直流脈沖氬弧焊機(jī),直流正接(見(jiàn)圖2)。
(3)焊接材料 為保證焊接接頭的力學(xué)性能和耐蝕性不低于母材要求,NCu30之間焊接選用成分與母材相同的錦州特種焊條有限公司生產(chǎn)的ERNiCu—7焊絲,φ2.0mm,NCu30與Q345R之間焊接選用京群的ERNi—1純鎳焊絲,φ1.6mm。其化學(xué)成分如表3所示。
圖 2
圖3 坡口形式
表3 焊接材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
焊接時(shí),接頭正反面均采用氬氣保護(hù),純度為99.99%Ar,正面流量為8~10L/min,反面流量為6~8L/min。鎢極選用鈰鎢極,規(guī)格為φ2.4mm,尖端磨平形成錐形,直徑約為0.4mm,可保持電弧的穩(wěn)定和足夠的熔深。
(4)坡口設(shè)計(jì) 由于鎳基合金液態(tài)焊縫金屬具有流動(dòng)性較差和熔深較淺的工藝特性,不容易潤(rùn)濕展開(kāi),所以接頭需提供足夠的空間便于金屬填充,坡口應(yīng)采用較大的根部間隙和坡口角度,較小的鈍邊高度,以防止焊接時(shí)出現(xiàn)未熔合和未焊透缺陷。工藝評(píng)定試驗(yàn)采用對(duì)接接頭的坡口形式。坡口應(yīng)采用機(jī)加工或等離子弧切割,不能采用氧乙炔切割。
(5)焊前清理 焊件表面的清潔性是成功焊接鎳基耐蝕合金的關(guān)鍵。焊前清理應(yīng)在任何形式的加熱之前,清理方法根據(jù)被清理物質(zhì)的種類,采用溶劑、鹽酸溶液或磨削、噴丸、打磨及機(jī)加工等方法。清理內(nèi)容包括接頭表面的氧化物,凡能與Ni形成低熔點(diǎn)共晶的有害元素(如S、P、Pb、Sn、Zn、Bi、Sb和As等)以及生成物(油污、漆、涂料、標(biāo)記筆痕跡、墨水、測(cè)溫筆痕跡、切削液及車間灰塵等);清理范圍包括焊絲、坡口、坡口兩側(cè)各50mm范圍內(nèi)的材料表面,以及與接頭相接觸的工具等。
(6)預(yù)熱和道間溫度 為防止蒙乃爾合金材料過(guò)熱,應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度和焊縫道間溫度,道間溫度應(yīng)控制在≤100℃。蒙乃爾合金焊接一般不進(jìn)行預(yù)熱,而當(dāng)母材溫度<15℃時(shí),可將接頭兩側(cè)250~300mm區(qū)域預(yù)熱到15~20℃,以去除濕氣。
(7)焊接參數(shù) 根據(jù)蒙乃爾合金的焊接性選擇焊接參數(shù),為防止其產(chǎn)生熱裂紋,應(yīng)采用較小的焊接熱輸入,多層多道焊,焊接時(shí)為獲得良好焊縫成形,可以適當(dāng)微擺動(dòng)。制定的焊接參數(shù)如表4所示。
(8)焊接工藝評(píng)定 按照NB/T47014標(biāo)準(zhǔn)要求,由于NCu30與ASME材料N04400化學(xué)成分和力學(xué)性能相同,所以選用了5.5mm厚的N04400和Q345R板材進(jìn)行了兩組焊接工藝評(píng)定試驗(yàn),一組為N04400與Q345R異種材料焊接,驗(yàn)證接管與筒體、補(bǔ)強(qiáng)圈的焊接工藝,評(píng)定編號(hào)為PQR1311;一組為N04400與N04400相同材料焊接,驗(yàn)證翻邊短節(jié)與接管的焊接工藝,評(píng)定編號(hào)為PQR1312。兩組評(píng)定試件采用對(duì)接接頭形式。
試件焊后經(jīng)100%RT和100%PT檢測(cè),無(wú)缺陷后進(jìn)行拉伸、彎曲及沖擊等試驗(yàn)項(xiàng)目,試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。
由表5可看出,兩組工藝評(píng)定試樣的抗拉強(qiáng)度均大于退火狀態(tài)蒙乃爾合金N04400母材規(guī)定的抗拉強(qiáng)度的最低值485MPa,且為塑性斷裂,面彎、背彎試樣彎曲到180°后,拉伸面上的焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)也沒(méi)有開(kāi)口缺陷,滿足了NB/T47018標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于N04400與Q345R的異種材料焊接工藝評(píng)定,在焊縫及Q345R側(cè)熱影響區(qū)部位取樣進(jìn)行了-20℃沖擊試驗(yàn),沖擊吸收能量>31J,同樣滿足NB/T47014標(biāo)準(zhǔn)要求。
由此可見(jiàn),試件經(jīng)無(wú)損檢測(cè)合格后取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè),焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、彎曲性能和沖擊性能結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,證明制定的焊接工藝可以保證焊接接頭的力學(xué)性能。
表4 焊接參數(shù)
表5 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果
(1)接管與翻邊短節(jié)焊接 接管與翻邊短節(jié)焊接接頭形式如圖3所示,焊前將坡口及其兩側(cè)30mm范圍內(nèi)的雜質(zhì)清除,并采用丙酮擦洗母材和焊絲表面。焊接時(shí)接管內(nèi)充氬氣保護(hù),按照正確方法進(jìn)行定位,焊接從定位端開(kāi)始,焊槍盡量不擺動(dòng)或微擺,控制焊縫成形,打底層應(yīng)保證焊透,填充層焊接速度要快,控制焊縫道間溫度<100℃,以免材料過(guò)熱。焊接過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)氣孔等缺陷,應(yīng)及時(shí)清除,并重新焊接。焊接后接頭表面進(jìn)行100%PT檢測(cè),Ⅰ級(jí)合格。
(2)接管與筒體、補(bǔ)強(qiáng)圈焊接 接頭形式如圖4所示,焊前除清除坡口及其兩側(cè)范圍內(nèi)的雜質(zhì)外,坡口還應(yīng)采用火焰適當(dāng)進(jìn)行預(yù)熱至15℃,焊絲表面及接管待焊部位采用丙酮擦洗。焊接時(shí)背面通氬氣保護(hù),試件位置為垂直固定平焊,先焊接接管與筒體焊縫,焊后進(jìn)行100%PT檢測(cè),Ⅰ級(jí)合格。再進(jìn)行接管與補(bǔ)強(qiáng)圈焊接,焊槍可適當(dāng)微擺,多層多道焊,保證液態(tài)焊縫金屬充滿坡口,防止產(chǎn)生未熔合缺陷。控制焊縫道間溫度≤100℃,以免材料過(guò)熱,焊接時(shí)電弧偏向接管一側(cè),以減少Q(mào)345R在焊縫中的熔合比。焊接后接頭表面進(jìn)行100%PT檢測(cè),Ⅰ級(jí)合格。
圖3 接管與翻邊短節(jié)焊接接頭形式
圖4 接管與筒體、補(bǔ)強(qiáng)圈焊接接頭形式
通過(guò)采用上述焊接工藝,獲得了滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的焊接接頭,并且此工藝已成功應(yīng)用于產(chǎn)品生產(chǎn)中,取得了良好的效果。
[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè):材料的焊接[M]. 第3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.
[2] 王貴生. 蒙乃爾合金的焊接[J]. 焊管,2000(4):32-34.