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        國產(chǎn)鎳基合金帶極堆焊層的腐蝕性能分析

        2021-05-18 09:33:26厚喜榮王樹濤王志剛古小紅王詠梅汪沈陽
        化工機(jī)械 2021年2期

        厚喜榮 王樹濤 王志剛 古小紅 王詠梅 汪沈陽

        (1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司;2.中國石油化工股份有限公司中原油田分公司)

        近十年來,隨著油、氣田的開采越來越困難,采油需添加大量含氯溶劑,氣田集劇毒與強(qiáng)腐蝕性于一體,天然氣中含有大量H2S、CO2和氣田鹵水,腐蝕環(huán)境惡劣。 同時,由于電脫鹽技術(shù)的局限性,導(dǎo)致介質(zhì)里氯離子頻頻超標(biāo),油氣在凈化過程中存在嚴(yán)重的H2S 腐蝕和其他危害,造成設(shè)備腐蝕、泄漏及失效等風(fēng)險概率高[1,2]。經(jīng)過調(diào)研,由于選材不當(dāng),國內(nèi)外都出現(xiàn)過運(yùn)行過程中設(shè)備發(fā)生腐蝕泄漏的事故,給裝置的長周期安全運(yùn)行帶來極大隱患,也給企業(yè)帶來很大經(jīng)濟(jì)損失。 因此,提高行業(yè)中關(guān)鍵部位設(shè)備殼體內(nèi)壁的抗腐蝕性能,保證設(shè)備在這種工況下安全運(yùn)行迫在眉睫。

        經(jīng)調(diào)查分析,Inconel 625 合金是以鐵、鎳、鈷為基,具有很高的高溫強(qiáng)度、韌性、耐氧化性和疲勞強(qiáng)度;在大氣、天然氣、海水、中性鹽及堿等介質(zhì)中,具有很好的耐腐蝕性能[3]。 因此,選用Inconel 625 合金焊材進(jìn)行設(shè)備殼體內(nèi)壁堆焊,以達(dá)到設(shè)備的耐腐蝕性能要求。

        受國內(nèi)冶煉水平及焊帶、焊劑生產(chǎn)水平等因素的限制,國產(chǎn)Inconel 625 合金焊帶、匹配焊劑等堆焊材料生產(chǎn)困難,耐腐蝕性差,因此長期主要依賴進(jìn)口, 而進(jìn)口焊接材料不但價格昂貴,且供貨周期長[4]。 故為了打破Inconel 625 合金焊帶的國外壟斷,提高國內(nèi)油氣行業(yè)Inconel 625 合金焊接材料生產(chǎn)水平,筆者針對普光氣田高含硫的惡劣腐蝕工況環(huán)境,對關(guān)鍵設(shè)備高含硫天然氣三相分離器殼體選用國產(chǎn)Inconel 625 合金焊材與進(jìn)口Inconel 625 合金焊材進(jìn)行帶極堆焊試驗,并對照分析腐蝕性能,以指導(dǎo)今后相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計與制造,使國產(chǎn)鎳基焊材在高等級的生產(chǎn)制造上占據(jù)一席之地。

        1 試驗材料及試板的制備

        1.1 焊接材料選擇

        對照試驗分別選用進(jìn)口Inconel 625 合金焊材(美國SMC)、國產(chǎn)Inconel 625 合金焊材(哈焊所)在12Cr2Mo1R 鋼板(δ=36mm)上進(jìn)行帶極堆焊(堆焊層厚度為6mm)。 具體焊材牌號見表1。

        表1 焊接材料

        1.2 焊接工藝規(guī)范

        根據(jù)以往的制造經(jīng)驗和廠家的推薦,確定了兩種焊材的帶極堆焊參數(shù)(表2),并進(jìn)行了帶極堆焊試驗。 在堆焊前, 對待堆試板表面按NB/T 47013.4—2015 進(jìn)行100%的磁粉檢測(MT),檢測 質(zhì)量等級Ⅰ級合格。

        表2 帶極堆焊工藝參數(shù)

        1.3 焊接試件的制備

        分別采用兩種焊材在12Cr2Mo1R 鋼板 (δ=36mm)上進(jìn)行帶極堆焊,每種焊材分別堆焊5 塊試板,各分為5 種狀態(tài),分別為焊態(tài)、(690℃±14℃)×8/16/24/32h 退火,5 種狀態(tài)對應(yīng)做好編號(表3)。 堆焊完畢后, 對堆焊層表面進(jìn)行100%滲透檢測,對結(jié)合面進(jìn)行100%超聲檢測, 檢測結(jié)果滿足NB/T 47013.5—2015 和NB/T 47013.3—2015 的要求,并測量堆焊層厚度,應(yīng)符合取樣要求。 然后按要求進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理,焊后熱處理應(yīng)符合:試板進(jìn)爐時,爐內(nèi)溫度不超過400℃,升至400℃以后時,控制升溫速度在50~80℃/h 之間,保溫溫度和時間分別按表3 執(zhí)行, 降溫速度控制在50~110℃/h 之間,爐冷至400℃以下時出爐空冷。

        表3 不同Inconel 625 合金焊材堆焊試件在不同狀態(tài)下的編號

        2 試驗要求

        對鎳基合金堆焊試板的5 種狀態(tài)(含2 種焊材)進(jìn)行宏觀檢查和YB/T 5362 法、ASTM A262 C法(HUEY 法)、ASTM G28 A 法腐蝕試驗。

        具體試驗項目說明如下:

        a. 宏觀檢查。 對試板進(jìn)行解剖,剖面取在焊道搭接處,剖面應(yīng)經(jīng)拋光和浸蝕,以能清晰地分清熔合區(qū)和基體金屬為準(zhǔn)。 用5 倍放大鏡觀察無層下裂紋、未熔合為合格。

        b. YB/T 5362 法(應(yīng)力腐蝕試驗)。 取2mm×3mm×30mm(厚×寬×長)試樣3 件做氯化物應(yīng)力腐蝕試驗,加載應(yīng)力為210MPa。

        c. ASTM A262 C 法(HUEY 法,硝酸腐蝕試驗)。 取20mm×30mm×3mm(長×寬×厚)試樣2 件按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗,合格指標(biāo)為5 個周期平均腐蝕速率不大于0.87g/(m2·h)(0.075mm/month)。

        d. ASTM G28 A 法 (硫酸-硫酸鐵腐蝕試驗)。 取20mm×30mm×3mm(長×寬×厚)試樣2 件按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗, 合格指標(biāo)為腐蝕速率不大于1.16g/(m2·h)(0.1mm/month)。

        3 試驗結(jié)果

        3.1 宏觀檢查

        宏觀檢查均合格,國產(chǎn)焊材與進(jìn)口焊材無差異,各樣品宏觀照片如圖1 所示。

        圖1 各樣品宏觀照片

        3.2 腐蝕試驗結(jié)果

        進(jìn)口與國產(chǎn)Inconel 625 合金焊材堆焊試板在不同狀態(tài)下的3 種腐蝕性能數(shù)據(jù)見表4。

        4 結(jié)果分析

        由試驗結(jié)果可以看出,進(jìn)口Inconel 625 合金焊材(INCONEL Weldstrip 625+INCOFLUX SAS1)與國產(chǎn)Inconel 625 合金焊材(H625+SJ82B)的堆焊層在焊態(tài)和不同保溫時間的熱處理狀態(tài)下,宏觀檢查和YB/T 5362 應(yīng)力腐蝕試驗結(jié)果均合格,說明在不同熱處理狀態(tài)下對于Inconel 625 合金堆焊層的應(yīng)力腐蝕影響不明顯。

        進(jìn)口Inconel 625 合金焊材與國產(chǎn)Inconel 625 合金焊材堆焊層的ASTM A262 C 法與ASTM G28 A 法腐蝕率在焊態(tài)和690℃×8h 下均滿足合格指標(biāo)要求,且數(shù)據(jù)相近,部分國產(chǎn)焊材的數(shù)據(jù)甚至更優(yōu)于進(jìn)口焊材。 但以上兩種腐蝕率隨著熱處理時間的增加而增加,進(jìn)口和國產(chǎn)焊材保溫時間超過8h 的熱處理試樣其腐蝕率均不合格,且二者數(shù)據(jù)也基本相近。 分析原因可能是熱處理后產(chǎn)生的析出物(碳化物)造成的,長時間的熱處理會造成晶間貧鉻現(xiàn)象,降低了堆焊層的抗晶間腐蝕性能[5]。

        表4 不同狀態(tài)下的腐蝕結(jié)果對照表

        5 結(jié)論

        5.1 與進(jìn)口焊材相比, 國產(chǎn)Inconel 625 合金焊材(H625+SJ82B)亦能通過相關(guān)工藝手段獲得穩(wěn)定、良好的外觀成型。

        5.2 使用國產(chǎn)焊接材料堆焊的625 合金堆焊層在焊態(tài)和690℃×8h 熱處理狀態(tài)下各項抗腐蝕性能均符合技術(shù)要求。 在規(guī)定的熱處理溫度下,隨著熱處理保溫時間的增長,堆焊層的抗晶間腐蝕性能下降,因此產(chǎn)品若要保證長周期運(yùn)行,從本次試驗來看,對于鎳基合金625 堆焊層進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理保溫時間不宜超過8h。

        5.3 國產(chǎn)與進(jìn)口Inconel 625 合金焊材堆焊后試板的ASTM A262 C 法(HUEY 法)、ASTM G28 A法和YB/T 5362 法腐蝕數(shù)據(jù)極為接近,部分國產(chǎn)焊材的數(shù)據(jù)甚至更優(yōu)。

        5.4 國產(chǎn)Inconel 625 合金焊材堆焊層能夠滿足油、氣田行業(yè)中高含硫介質(zhì)對關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)壁的腐蝕要求。

        5.5 國產(chǎn)Inconel 625 合金焊材完全可以應(yīng)用于油、氣田行業(yè)中關(guān)鍵設(shè)備的內(nèi)壁堆焊,對于國產(chǎn)高級別材料的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。

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