韓 冰 馮 偉 魏 濤

抗硫高壓分離器UNS N06625堆焊工藝與腐蝕試驗

韓 冰1馮 偉2魏 濤2

(1．中石化南化公司化機廠，南京210048;2．機械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所 哈爾濱150028)

分析了高含H2S，CO2的產(chǎn)出物的特性，確定了井口分離器采用低合金鋼堆焊625合金的結(jié)構(gòu)形式，并選擇合適的焊接工藝方法，對625合金的焊接性進行分析。經(jīng)過工藝試驗，摸索出合適的焊接工藝參數(shù)，進行了單層電渣堆焊、焊條電弧焊堆焊和小管內(nèi)孔自動氬弧焊堆焊3種焊接方法評定，并進行了晶間腐蝕、氯化鎂應(yīng)力腐蝕和模擬分離器工況條件的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕和動態(tài)腐蝕評價試驗。試驗結(jié)果合格，滿足技術(shù)要求，并據(jù)此完成了設(shè)備制造。

鎳基合金 堆焊 工藝評定 腐蝕試驗

0 序 言

高含H2S，CO2的天然氣田在開發(fā)過程中，氣井產(chǎn)出物除高含硫、天然氣外，還含有殘酸、水、單質(zhì)硫等懸浮物雜質(zhì)。這些雜質(zhì)會對井口設(shè)備及下游設(shè)備和管道產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，因而在井口需要相應(yīng)的分離器對雜質(zhì)進行有效分離，以阻止腐蝕介質(zhì)進入正常的輸送管道，保障輸送安全。因此，抗硫高壓分離器是氣田安全高效開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備之一。此前設(shè)備全部依賴進口，價格昂貴，供貨周期長，影響了高含硫氣田的高效開發(fā)，通過對進口同類設(shè)備的了解和分析，逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化。

1 抗硫高壓分離器結(jié)構(gòu)及堆焊方法的選擇

考慮到在高含硫天然氣的地面上腐蝕性相對較強，環(huán)境惡劣的情況下，應(yīng)該采用耐蝕金屬［1］。最終確定設(shè)備結(jié)構(gòu)形式為:基層材質(zhì)選用低合金鋼Q345R，內(nèi)壁全部堆焊5 mm厚的UNS N06625合金(以下簡稱625合金)。堆焊需要解決高鎳合金的稀釋、堆焊方法的選擇等問題。

大面積堆焊不可能采用生產(chǎn)效率較低的手工方法，因此可供選擇的方法有埋弧焊和電渣焊。對于625合金，埋弧焊稀釋率一般達(dá)到18%，而電渣焊只有10%［2］，所以理論上最好選用電渣焊。結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，文中使用帶極電渣堆焊、焊條電弧堆焊和小管內(nèi)孔自動氬弧焊堆焊3種焊接方法，并對其進行工藝評定，同時進行相關(guān)腐蝕試驗，以驗證堆焊的625合金能否滿足GB/T20972《石油天然氣工業(yè)油氣開采中用于含硫化氫環(huán)境的材料》相關(guān)要求。

2 625合金焊接性分析

625合金是一種高鎳的Ni-Cr-Mo系合金材料，鎳基合金在凝固過程中，焊縫金屬中由于柱狀晶的成長使剩余液態(tài)金屬中溶質(zhì)元素含量增加，凝固最后階段在柱狀晶形成低熔點液態(tài)薄膜，由于液態(tài)金屬薄膜的強度較低，且變形能力極差，容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。而結(jié)晶裂紋的敏感性與焊縫金屬結(jié)晶溫度區(qū)間的大小、合金元素及雜質(zhì)的含量、凝固過程施加的應(yīng)變及冷卻速度的快慢有關(guān)。當(dāng)待焊母材表面含有油、污、氧化物等雜質(zhì)時，Ni與S，P等雜質(zhì)在焊接過程中就很容易形成低熔點共晶物而產(chǎn)生熱裂紋，因此625合金具有較高的焊接熱裂紋敏感性。如果母材表面含Pb時，在S和Pb污染物的聯(lián)合作用下，也很容易形成S或Pb的脆化物［3－5］。鎳基合金在焊接過程中要嚴(yán)格限制熱輸入的大小，高熱輸入焊接鎳基耐蝕合金會造成過度的偏析、碳化物的沉淀或其他的有害的冶金現(xiàn)象，同時也會在熱影響區(qū)產(chǎn)生一定程度的退火及晶粒的長大。另外，鎳合金的金屬流動性較差，潤濕鋪展性較弱，熔池淺，焊縫的稀釋率低，焊接成形不容易控制，對待堆焊面的粗糙度要求高。使用增大焊接電流的方法也不能改進焊縫金屬的流動性，反而起著有害的作用，這是因為增大焊接電流不僅會造成熔池過熱，增大熱裂紋的敏感性，而且會使焊縫金屬中的脫氧劑蒸發(fā)，導(dǎo)致氣孔的出現(xiàn)。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接規(guī)范，減少過熱，并避免過大的焊接應(yīng)力。

3 625合金堆焊工藝評定

在鐵基母材上堆焊鎳基合金，必須考慮稀釋的問題。由于設(shè)備要求堆焊層最小厚度為5 mm，如果使用常規(guī)單層電渣堆焊，一般堆焊厚度為mm，厚度無法滿足要求;如果堆焊兩層，又會由于鎳基材料的流動性差，焊道成形不好，在保證堆焊外觀質(zhì)量的前提下，堆焊厚度達(dá)到8 mm左右，這樣會大大地提高了成本;如果堆焊一層不銹鋼過渡層和一層625合金耐蝕層，經(jīng)過試驗，其化學(xué)成分和抗腐蝕性能均無法達(dá)到技術(shù)要求。因此，三種堆焊工藝評定的重點是試驗開發(fā)單層帶極電渣堆焊，使堆焊厚度直接達(dá)到5 mm。經(jīng)過大量的試驗，最終確定出合適的焊接規(guī)范，并通過理論計算，提出焊帶化學(xué)成分的控制要求，特別是C，F(xiàn)e，Nb，Mo的含量。在滿足化學(xué)成分的前提下，嚴(yán)格控制Fe的含量，即把Fe對鎳基合金的稀釋控制在最低水平，這是因為過多的Fe容易使堆焊層的耐腐蝕性能降低，并引發(fā)焊接裂紋。

工藝評定均選用進口焊材，焊帶為EQNiCrMo－3，焊劑為 INCOFLUX ESS5，焊條為 EQNiCrMo－3(φ4 mm)，焊絲為 EQNiCrMo－3(φ1．2 mm)。其中，焊帶的化學(xué)成分見表1(復(fù)驗值)。所選用的焊接參數(shù)見表2。

表1 EQNiCrMo－3焊帶的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊接工藝參數(shù)

針對625合金的焊接特性，采取的工藝控制措施主要有:①焊接前必須徹底清理焊接區(qū)，保證焊面潔凈、露出金屬光澤，減少焊接氣孔、裂紋的產(chǎn)生;②在焊條電弧焊堆焊和氬弧焊堆焊時，都需要采用小幅度的擺動焊，處理熔池金屬流動性不好的問題;③嚴(yán)格控制道間溫度不超過100℃;④嚴(yán)格控制焊接電流、電壓和焊接速度，控制稀釋率;⑤電渣堆焊需加磁控裝置。

試板堆焊完畢后，進行模擬設(shè)備的焊后熱處理，并對評定試板進行試驗，其結(jié)果如下:①外觀檢查:堆焊表面未發(fā)現(xiàn)裂紋、凹陷等缺陷，經(jīng)外觀檢查合格;②無損檢測:堆焊層表面100%PT和堆焊層缺陷、不貼合度100%UT，均按JB/T 4730Ⅰ級合格;③側(cè)彎試驗:大側(cè)彎、小側(cè)彎，其中2件垂直于堆焊方向，2件平行于堆焊方向，彎曲后在堆焊層和熔合線上均無裂紋，合格;④硬度測量:測量表面硬度HRC≤22，斷面顯微硬度≤248 HV，具體見表3;⑤宏觀低倍:在焊道搭接處取剖面，剖面經(jīng)拋光、侵蝕后用5倍放大鏡觀察，未見層下裂紋、夾渣、未熔合等缺陷出現(xiàn)，剖面測堆焊層厚度≥5 mm;⑥化學(xué)成分分析:表層下2 mm處化學(xué)成分分析見表4，滿足技術(shù)要求。

表3 硬度測試結(jié)果

表4 堆焊層化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

4 腐蝕試驗

4．1 晶間腐蝕

對堆焊試板按ASTM A262 C法進行5個周期的試驗，要求5個周期的平均腐蝕率不大于0．075毫米·月－1。試驗結(jié)果表明，3種堆焊方法均滿足試驗要求，見表5。其中，氬弧堆焊最低，平均腐蝕率0．047毫米·月－1。

表5 晶間腐蝕試驗結(jié)果 毫米·月－1

4．2 氯化鎂應(yīng)力腐蝕

按照標(biāo)準(zhǔn)YB/T 5326—2006《黃血鹽鈉水不溶物的測定方法》對堆焊層進行了氯化物應(yīng)力腐蝕開裂試驗。負(fù)荷應(yīng)力243 MPa，試驗溶液為42%的沸騰氯化鎂溶液，試驗2個周期，每周期96 h。第一周期后，用10倍放大鏡檢查均無裂紋;第二周期結(jié)束后，試樣同樣均無裂紋，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4．3 抗硫化氫應(yīng)力腐蝕

為進一步驗證焊接熔敷金屬的抗腐蝕能力，對3種焊接方法的焊接試板模擬井口殘酸分離工況條件(表6)，按GB/T4157《金屬在硫化氫環(huán)境中抗特殊形式環(huán)境開裂實驗室試驗》的規(guī)定進行了硫化物應(yīng)力腐蝕開裂試驗(SCC)。使用GB/T15970．2《金屬與合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗第2部分:彎梁試樣的制備和應(yīng)用》規(guī)定的四點彎曲試樣，從堆焊在金屬基板上的焊材熔敷金屬表面向下3 mm處取SSC試樣，試樣長度方向平行焊道方向，試驗周期為720 h。試驗結(jié)果表明，在模擬工況條件下，未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂;去除腐蝕產(chǎn)物前的試樣如圖1所示，可以看到試樣表面附著一層的污物，這層污物應(yīng)與取試樣時溶液進入氧氣使得部分金屬Fe粒子沉淀有關(guān)。如圖2所示，將表層污物用酒精棉花擦除后，發(fā)現(xiàn)試樣仍然保持金屬光澤，說明腐蝕輕微，氬弧堆焊試樣表面好于其它兩個試樣，所有試樣表面沒有觀察到宏觀應(yīng)力腐蝕裂紋，滿足技術(shù)要求。

表6 井口殘酸分離工況條件

圖1 去除腐蝕產(chǎn)物前的堆焊試樣

圖2 去除腐蝕產(chǎn)物后的堆焊試樣

4．4 動態(tài)腐蝕評價

在3種焊接方法的堆焊試板的熔敷金屬上切取腐蝕掛片，掛片尺寸為50 mm×10 mm×3 mm，同時模擬普光氣田井口殘酸分離工況條件(表6)進行腐蝕失重試驗，試驗周期168 h。圖3為失重腐蝕試樣的表面形態(tài)，由圖3a可見試樣表面略微呈現(xiàn)金黃色，說明腐蝕非常輕微，稱重后的數(shù)據(jù)同樣表明腐蝕速率較低，均小于0．01 mm/a。3種試樣的腐蝕數(shù)據(jù)見表7，其中，氬弧堆焊試樣的腐蝕速率最低，為0．005 3 mm/a。

圖3 失重腐蝕試樣表面形態(tài)

表7 焊接試板模擬工況條件動態(tài)腐蝕速率

5 結(jié) 論

(1)在低合金鋼母材上進行625合金電渣堆焊、焊條電弧堆焊、自動氬弧焊堆焊的工藝評定，評定結(jié)果合格，滿足技術(shù)要求。

(2)經(jīng)過大量試驗與論證，確定了鎳基合金單層帶極電渣堆焊厚度≥5 mm的堆焊技術(shù)。

(3)3種堆焊焊縫在所測試的試驗環(huán)境下具有良好的抗晶間腐蝕、失重腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能，均滿足技術(shù)要求。其中，氬弧焊堆焊焊縫的抗腐蝕性能最好，堆焊金屬抗腐蝕能力滿足天然氣開采中含硫化氫環(huán)境的使用。針對高含硫氣田特性開發(fā)的井口高壓抗硫分離器，按照評定合格的焊接工藝施焊并制造出廠，現(xiàn)已在普光氣田使用。

［1］ 梁 峰，陳 震，李明義，等．高含硫氣田腐蝕特征以及腐蝕控制技術(shù)［J］．工業(yè)，2015(2):140－140．

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［5］ 成炳煌．焊接手冊(2)焊接材料［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2008．

TG455

2017－03－01

韓 冰，1970年出生，學(xué)士，高級工程師。主要從事壓力容器制造工作。