王益銘，吳明禎

中國石油第二建設(shè)有限公司（甘肅 蘭州 730060）

GH625 高溫鎳基合金鋼被廣泛應(yīng)用在煉油廠重整加氫裝置的高溫高壓設(shè)備和管線中，主要用于輸送高溫高壓易燃易爆固液相介質(zhì)。GH625 高溫鎳基合金鋼是以鎳、鉻、鉬、鈮為主要強(qiáng)化元素的固溶強(qiáng)化型鎳基變形高溫合金，在980 ℃具有良好的抗疲勞、抗氧化和耐腐蝕性能，且高溫狀態(tài)下焊接性能、金相組織穩(wěn)定和抗腐蝕性能優(yōu)良[1-4]。目前GH625 高溫鎳基合金鋼研究主要集中于合金加工工藝、組織和機(jī)械性能方面，而對(duì)GH625 焊接質(zhì)量方面缺少系統(tǒng)的研究和全面認(rèn)識(shí)。煉油廠300 萬t加氫裝置的核心高壓換熱設(shè)備管程聯(lián)接管為GH625 高溫鎳基合金鋼，屬于耐高溫、抗腐蝕性材料，聯(lián)接管直徑為Ф630 mm×30 mm，施工現(xiàn)場條件苛刻，焊接難度大，質(zhì)量難以控制。通過對(duì)GH625高溫鎳基合金鋼焊接性能、焊接工藝、焊接技術(shù)和質(zhì)量控制措施等內(nèi)容進(jìn)行探討[5]，制定正確的焊接工藝規(guī)程。

1 焊接性能分析

GH625 合金具有高強(qiáng)度、極好的耐蝕性和優(yōu)良的加工性能。但GH625 高溫鎳基合金鋼的焊接具有與奧氏體不銹鋼相類似的問題：焊接時(shí)最常出現(xiàn)的缺陷是熱裂紋，焊接快速冷卻過程中極易產(chǎn)生氣孔，焊接時(shí)流動(dòng)性差也易產(chǎn)生夾渣缺陷。由于GH625高溫鎳基合金鋼具有較高的鎳含量，液態(tài)鎳流動(dòng)性差，焊接時(shí)易發(fā)生未熔合。母材成分及力學(xué)性能見表1及表2。

由表1、表2 可知，該合金鋼主要是依據(jù)Cr、Ni元素基體上的Mo、Ni元素的固溶強(qiáng)化作用來提高強(qiáng)度，Cr元素用來提高耐蝕性，C元素均勻分布在基體上,在高溫下體心晶格的Ni3Nb金屬化合物以沉淀物形式促進(jìn)合金強(qiáng)度提高。GH625 高溫鎳基合金鋼中Ni 元素的含量起決定性作用，使該合金具有較高的韌性、良好的耐蝕性和較好的抗氧化性。因其化學(xué)含量中有較高的Cr 及Mo 元素，焊接時(shí)焊縫及熱影響區(qū)易出現(xiàn)淬硬組織。同時(shí)由于GH625 高溫鎳基合金鋼的導(dǎo)熱性較差，容易造成晶粒粗大，晶間增厚，使晶間結(jié)合力減弱，促進(jìn)熱裂紋的產(chǎn)生[5]。

表1 GH625的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 GH625的力學(xué)性能

GH625 高溫鎳基合金鋼在焊接過程中，要特別注意焊接熱輸入增大會(huì)造成鎳基合金成分偏析導(dǎo)致碳化物的結(jié)晶，大大降低焊接接頭性能。另外焊縫的金屬流動(dòng)性差，焊縫外觀成型差，即使增大焊接熱輸入也不能改進(jìn)焊縫金屬的流動(dòng)性，反而起著有害作用。焊接電流增大不僅會(huì)造成焊縫熔池溫度過高，焊接熱裂紋加大，而且會(huì)使焊縫金屬中的氧化性增大導(dǎo)致出現(xiàn)氣孔。

2 焊接工藝

2.1 坡口加工形式

為保證焊接質(zhì)量、減少焊接變形，避免出現(xiàn)未熔合缺陷，聯(lián)接管的坡口應(yīng)采用帶鈍邊雙J型坡口，通過試驗(yàn)證明此種坡口可以最大限度降低各種焊接缺陷。另外，焊接前坡口應(yīng)進(jìn)行宏觀檢查，不得有裂紋。具體坡口形式如圖1所示。

圖1 坡口形式示意圖

2.2 焊接方法及焊材選用

目前對(duì)于GH625 高溫鎳基合金的研究主要集中在合金加工工藝、組織和力學(xué)性能上。Silva 等[6]在研究GH625 高溫合金的固溶強(qiáng)化路徑中采用的試樣就是TIG 冷絲自動(dòng)焊接件。顧玉麗等[7]采用TIG 對(duì)GH625 高溫合金進(jìn)行焊接，系統(tǒng)研究了焊接接頭組織、元素分布、晶界特征和力學(xué)性能。表明在焊縫處為奧氏體枝晶組織，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的HAZ區(qū)，在熔合區(qū)的枝晶間區(qū)域觀察到大量的δ相析出。

考慮到現(xiàn)場施工特點(diǎn)，焊接時(shí)采用氬弧焊打底、手工焊填充蓋面的方法。氬弧焊打底時(shí)，為防止合金元素被氧化，背面必須充氬保護(hù)或者使用藥芯焊絲。

焊材選用應(yīng)根據(jù)GH625 高溫鎳基合金鋼的合金成分、力學(xué)性能、使用條件和施焊條件進(jìn)行綜合考慮，焊接時(shí)宜選用合金成分與母材合金元素相同或相近的焊接材料，焊材選用見表3、表4。

表3 焊接材料的合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表4 焊接材料的力學(xué)性能

2.3 焊接工藝參數(shù)

焊接過程中采用全位置（6G）下向焊接，流水焊接作業(yè)，即一道焊口由兩名焊工共同完成。當(dāng)環(huán)境溫度低于5 ℃時(shí)，焊前需要及時(shí)預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100~150 ℃；施焊間隔打底焊與熱焊之間不超過3 min。焊接層數(shù)決定著焊縫的塑性和韌性，但要防止接頭過熱和擴(kuò)大熱影響區(qū)的有害影響，應(yīng)使用小線能量、短弧焊、不擺動(dòng)的操作方法，每層熱輸入不大于20 kJ/cm，層間溫度控制在200 ℃以下。為減少焊縫裂紋傾向，提高接頭抗蝕性，焊接電流應(yīng)比普通合金鋼小10%~15%，采用細(xì)直徑焊條或焊絲防止焊縫及熱影響區(qū)晶粒長大，造成接頭塑韌性下降[8-9]。具體工藝參數(shù)見表5。

表5 焊接工藝參數(shù)

3 焊接技術(shù)措施

3.1 焊接層數(shù)選擇

實(shí)踐證明，高壓換熱器聯(lián)接管壁厚度大，焊接過程中要充分考慮焊接層數(shù)，減少每層焊道焊縫中金屬鐵水的溶解量，降低熱輸入以達(dá)到減小敏化溫度區(qū)間停留時(shí)間。隨著焊接層數(shù)的增加，變形量會(huì)有所減小，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)過渡層為三層時(shí)，焊接變形量最小，故中間過濾層2～3 層為最佳,每層焊接厚度不大于4 mm。

3.2 焊接參數(shù)選擇

為了避免在焊接過程中出現(xiàn)熱裂紋和氣孔等缺陷，焊接時(shí)選用電阻較小和熱膨脹系數(shù)較小的焊接工藝，并嚴(yán)格控制焊接層間溫度。為保證鎢極氬弧焊獲得良好的焊縫質(zhì)量，焊接時(shí)需要?dú)鍤獗Ｗo(hù)好焊縫背面或采用藥芯焊絲，焊絲干伸長為15～25 mm；采用電弧焊焊接時(shí)，除合理地選擇填充金屬外，要求采用短弧焊（一般為2～3 mm）小電流、快速焊、焊條不做擺動(dòng)以利于減小熔深，從而提高焊接接頭的抗裂性能；每層層間接頭要錯(cuò)開，層間溫度應(yīng)控制在200 ℃以下，收弧時(shí)填滿弧坑。焊縫宏觀形貌[8]如圖2所示。

圖2 GH625高溫鎳基合金焊縫宏觀形貌

3.3 穩(wěn)定化熱處理選擇

加氫裝置中H2及H2S腐蝕是換熱器聯(lián)接管最嚴(yán)重的腐蝕類型。目前GH625 高溫鎳基合金鋼材料均在930～1 050 ℃內(nèi)供熱，在復(fù)雜的安裝施工環(huán)境中，難以實(shí)現(xiàn)焊縫固溶化處理，采用穩(wěn)定化熱處理可以達(dá)到焊縫預(yù)期效果，根據(jù)鋼材敏化溫度制定焊縫熱處理曲線如圖3所示。

圖3 GH625高溫鎳基合金焊后熱處理曲線

焊縫采用電加熱智能溫控退火的方法，熱處理加熱范圍以焊縫中心為基準(zhǔn)，每側(cè)各不少于焊縫寬度的3 倍且不少于25 mm。加熱區(qū)域以外的100～500 mm內(nèi)予以保溫，管段兩端應(yīng)封閉。嚴(yán)格設(shè)置升溫曲線，控制升溫速度。采用控溫?zé)犭娕純x進(jìn)行測溫，測溫點(diǎn)數(shù)量應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場情況，提高升溫速度，盡量減小升溫時(shí)間，以減少焊縫在敏化區(qū)停留的時(shí)間。在溫度為850~900 ℃,恒溫時(shí)間S/25 h（S為管道壁厚，mm）,且不小于1/4 h；加熱溫度在400 ℃以上時(shí)，不超過（25/t× 220）℃/h（t為焊件焊后熱處理的厚度），且不大于220 ℃/h，恒溫期間最高與最低溫差應(yīng)小于50 ℃/h；加熱溫度在400 ℃以下時(shí)，加熱速度可不控制自然冷卻。

3.4 焊接試件檢驗(yàn)

焊縫RT無損檢測應(yīng)符合JB/T 4730.2—2016《承壓設(shè)備無損檢測》中II 級(jí)合格標(biāo)準(zhǔn)，按100%進(jìn)行檢測。GH625高溫鎳基合金焊縫硬度值見表6。由表6 可以看出，焊縫和熱影響區(qū)的硬度檢測結(jié)果都未超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的220 HB，符合要求。

表6 GH625高溫鎳基合金焊縫及熱影響區(qū)硬度值 HB

4 結(jié)束語

通過對(duì)GH625 高溫鎳基合金鋼的焊接性能分析，制定了正確的焊接工藝規(guī)程，確定出了合理的焊接層數(shù)、焊接參數(shù)、焊后熱處理工藝等質(zhì)量控制措施，避免了焊接裂紋、氣孔缺陷的產(chǎn)生，提高了GH625 焊縫結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和性能。該工藝在煉油廠300 萬t 柴油加氫裝置的核心高壓換熱設(shè)備中安裝應(yīng)用，設(shè)備經(jīng)過近半年的運(yùn)行，各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均符合生產(chǎn)指標(biāo)的要求，表明該焊接工藝規(guī)程合理，焊接接頭質(zhì)量穩(wěn)定，可以用于柴油加氫裝置的核心高壓換熱設(shè)備管程聯(lián)接管的焊接。