費托反應(yīng)器管口堆焊鎳基與TP321 焊接淺析

孫新國

中石化第四建設(shè)有限公司，天津 300270

鉻鉬耐熱鋼與奧氏體鋼異種鋼焊接在石油化工領(lǐng)域較為常見，以神華寧煤400 萬t/年煤炭間接液化項目為例，費托合成單元的費托反應(yīng)器為高溫高壓Ⅲ類壓力容器，介質(zhì)為液體石蠟、H2、CO、CO2的爆炸危險介質(zhì)，設(shè)計院為了減少設(shè)備內(nèi)件連接的泄漏點，將費托合成反應(yīng)器設(shè)備內(nèi)所有承壓內(nèi)件連接管與殼體連接的連接形式全部采用了現(xiàn)場焊接方式，其中一種接管焊接為異種鋼焊接，管口母材的材質(zhì)為SA182,設(shè)備制造廠家在其端部堆焊了一層6 mm 厚的Inconel 182 的鎳基堆焊層，接管材質(zhì)為0Cr18Ni10Ti，內(nèi)件接管與母材的連接方式見圖一，現(xiàn)場對于此類異種鋼焊接焊材的選用上有很多的爭議，因此筆者對焊條選用以及此類異種鋼焊接工藝進行了淺析。

1 材質(zhì)描述

母材：SA182-GrF11CL2 （P11）

接管：0Cr18Ni10Ti (TP321)

堆焊層材質(zhì)：Inconel 182 (ENiCrFe-3)，如圖1所示。

（1）母材SA182 的材質(zhì)：SA182 為ASME 標(biāo)準(zhǔn)，是一種耐熱低合金鋼鍛件，其公稱成分為:11/4Cr-1/2Mo[1]，又根據(jù)《石油化工鉻鉬耐熱鋼焊接規(guī)程》SH3520-2015 附表A.1 可知其鋼號為P11，對應(yīng)國內(nèi)材質(zhì)為12Cr1Mo[2]。

（2）接管0Cr18Ni10Ti 的材質(zhì)：查閱《石油化工鉻鎳奧氏體鋼、鐵鎳合金和鎳合金管道焊接規(guī)程》SH3523-2009 表A.2 常用鉻鎳奧氏體鋼管化學(xué)成分得知其鋼號為TP321[3]。

（3）堆焊層材料Inconel 182 的材料：查閱《石油化工鉻鎳奧氏體鋼、鐵鎳合金和鎳合金管道焊接規(guī)程》SH3523-2009 表C.6 常用鐵鎳合金、鎳合金焊接材料對照表可知對應(yīng)的焊條牌號為ENiCrFe-3、焊絲牌號為 ERNiCr-3[3]。

圖1 費托反應(yīng)器管口母材與接管焊接

2 堆焊層鎳基合金的特點

鎳基合金具有耐各種腐蝕介質(zhì)的抗腐蝕性能，同時具有良好的高低溫性能，其顯微組織是奧氏體，在固態(tài)下沒有相變，鎳基合金在焊接時有以下特點：

（1）鎳基耐蝕合金具有較高的熱裂紋敏感性。

（2）對焊接表面的雜質(zhì)元素敏感，因此在焊接過程中焊接表面應(yīng)保持清潔。

（3）對焊接熱輸入敏感，焊接時應(yīng)當(dāng)限制焊接熱輸入，防止晶粒長大和產(chǎn)生熱裂紋等焊接缺陷。

（4）液態(tài)熔敷金屬流動性差，焊縫金屬熔池淺。

3 堆焊層的作用分析

（1）如果沒有鎳基堆焊層，即P11 與TP321 異種鋼焊接（見圖2），此異種鋼焊接為鉻鉬耐熱鋼與奧氏體不銹鋼的焊接，由《石油化工鉻鉬耐熱鋼焊接規(guī)程》SH3520-2015 第7.2.5 條可知：當(dāng)現(xiàn)場施工條件限制不能進行焊后熱處理時，經(jīng)設(shè)計或建設(shè)單位同意，可采用奧氏體或鎳基材料焊接。在設(shè)計溫度不高于315 ℃時可選用高鉻鎳（25%Cr-13%Ni）奧氏體焊接材料，在設(shè)計溫度高于315 ℃時可選用鎳基材料[2]。由于費托反應(yīng)器設(shè)備內(nèi)設(shè)計溫度為300 ℃，可以選用25%Cr-13%Ni 及以上的奧氏體焊接材料，根據(jù)相關(guān)規(guī)范可查到E309 焊材的公稱成分為25%Cr-13%Ni，因此此類異種鋼焊接可以選用E309 焊條，由于鉻鉬鋼與奧氏體鋼膨脹系數(shù)不同，焊接前最好還是需要對焊縫兩側(cè)的母材進行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為100 ℃，焊后立即進行消氫處理，溫度不低于200 ℃。

圖2 費托反應(yīng)器管口去除堆焊層與接管焊接示意圖

（2）如果在設(shè)備制造廠P11 端部堆焊6mm 的鎳基Inconel 182 (ENiCrFe-3)堆焊層（如圖一所示），現(xiàn)場的焊接相當(dāng)于鎳基合金接管與TP321 接管焊接，且無論選用鎳基焊材還是不銹鋼焊材都不用對焊道進行熱處理工藝。

（3）基于上面兩點可知，如果沒有鎳基堆焊層，可以采用焊條E309 進行異種鋼之間的焊接；如果有鎳基堆焊層可以避免現(xiàn)場對焊道的熱處理工藝，由此可以得知設(shè)計的意圖是通過堆焊鎳基堆焊層而避免現(xiàn)場熱處理工藝。

4 焊材的選取

（1）根據(jù)SH3523-2009《石油化工鉻鎳奧氏體鋼、鐵鎳合金和鎳合金管道焊接規(guī)程》表C.6（常用鐵鎳合金、鎳合金焊接材料對照表）可知：堆焊層鎳基合金（Inconel 182）即為ENiCrFe-3 堆焊而成[3]。

（2）根據(jù)SH3523-2009 表C.9（典型異種接頭焊接材料選用表）可知：奧氏體不銹鋼（TP321）可以用ENiCrFe-3 進行焊接[3]。

（3）結(jié)合以上兩條可得：圖一所示的焊接接頭可以用 ENiCrFe-3 焊條進行焊接，打底焊絲牌號為ERNiCr-3，焊后無需進行熱處理。

（4）由于ENiCrFe-3 鎳基焊條的價格非常高，因此施工單位提出將堆焊層打磨掉，這樣就變成了圖二的焊接方式，這樣就變成了簡單的P11 與TP321 異種鋼焊接，根據(jù)焊接規(guī)范《石油化工鉻鉬耐熱鋼焊接規(guī)程》SH3520-2015 可以選擇E309 進行異種鋼的焊接，筆者認為這種做法不可取,原因有：

①此時的異種鋼焊接可以選擇E309 焊條進行焊接，雖然成本要比鎳基焊材也便宜很多，可以減少焊材成本，但是在設(shè)備內(nèi)進行打磨堆焊層的作業(yè)工作量也是非常大的，并且很容易傷到設(shè)備母材，并且設(shè)備內(nèi)部的介質(zhì)石蠟和CO2會嚴重腐蝕焊道，而鎳基焊材比E309 焊材更具有很強的耐腐蝕效果，經(jīng)過討論打磨掉堆焊層的方法沒有得到專家的認可；

②雖然打磨掉堆焊層能通過異種鋼焊條的焊接達到焊接強度要求，但這樣的做法破壞了原設(shè)計的意圖，因為設(shè)計人員是想通過堆焊層避免鉻鉬耐熱鋼直接與接管的材料直接焊接，從而減少熱處理工藝，這樣減少了現(xiàn)場的施工難度，因此違背設(shè)計意圖的做法是不可取的

③另有研究表明：E309（A302）焊條焊接的鉻鉬異種鋼焊接經(jīng)過時效處理發(fā)生明顯碳遷移，易在焊縫側(cè)出現(xiàn)增碳層，母材側(cè)熱影響區(qū)中出現(xiàn)脫碳層，由于脫碳層的低硬度，導(dǎo)致其高溫力學(xué)性能的下降，從而影響高溫裝置長周期的安全運行；而Inconel 182 焊材與鉻鉬異種鋼焊接形成的焊接接頭基本上沒有碳遷移發(fā)生，表明Ni 元素能夠提高碳原子的活性，降低碳化物的穩(wěn)定性，從而有效抑制碳遷移的發(fā)生，并且A302 形成的異種鋼焊接接頭蠕變壽命僅為Inconel 182 焊材形成的異種鋼焊接接頭的40 ～50%，因此后者具有良好的抗高溫斷裂性能[4]。

④另有案例證明E309 焊條用在此類異種鋼焊接中存在一定隱患，神華寧煤烯烴二套項目在使用E309 焊條進行P11 與TP321 之間進行異種鋼管道焊接后，裝置開車不久便出現(xiàn)了裂紋，返修焊口使用了鎳基焊材而保證了焊接質(zhì)量。

由此可知，此類接頭焊接是不能采用打磨掉堆焊層而使用E309 焊材的做法的，ENiCrFe-3 的焊材價格雖然很高，但是為了滿足設(shè)備長周期安全運行，業(yè)主方多花些成本還是很值得的。作者所負責(zé)的費托合成反應(yīng)器的內(nèi)部異種鋼焊接經(jīng)過專家多次討論，從保證設(shè)備長周期安全運行考慮，最終采用的Inconel 182 焊材，與堆焊層同材質(zhì)。

（5）然而鎳基堆焊層也存在一定的弊端，由于設(shè)備制造廠家對管口進行了堆焊，技術(shù)要求只對堆焊層進行PT 檢測，堆焊層內(nèi)部容易產(chǎn)生缺陷（如氣孔夾渣等）不易被檢測出來，施工單位與接管進行焊接后產(chǎn)生的缺陷很容易與設(shè)備制造廠堆焊鎳基焊材時產(chǎn)生的缺陷混在一起，不利于質(zhì)量責(zé)任的劃分，容易產(chǎn)生責(zé)任糾紛。

（6）綜上所述，如果有此類異種鋼接管的焊接，建議設(shè)計單位在進行設(shè)計時取消設(shè)備管口的端部鎳基堆焊層，可以要求現(xiàn)場進行配管焊接作業(yè)時直接采用鎳基焊材焊接，這樣就不會因為堆焊層而導(dǎo)致設(shè)備制造廠與現(xiàn)場安裝單位之間的焊接質(zhì)量糾紛。但是這種做法仍需要現(xiàn)場在母材上進行鎳基堆焊層的焊接，并在第一層焊接時要對母材進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度100 ℃，以防產(chǎn)生焊接裂紋。

（7）現(xiàn)場費托反應(yīng)器內(nèi)管束與設(shè)備筒體接管的焊接所選用的焊條為ENiCrFe-3,焊絲為ERNiCr-3，剛開始選用的國內(nèi)焊材焊接后在焊道的仰焊位置產(chǎn)生大量氣孔，后選用了英國METRODE 進口焊條，氣孔缺陷明顯減少，焊材的化學(xué)成分分別見表1 與表2。

表1 焊條ENiCrFe-3 化學(xué)成分

表2 焊絲ERNiCr-3 化學(xué)成分

5 焊接技術(shù)要求

5.1 焊接技術(shù)準(zhǔn)備

①根據(jù)相關(guān)要求按照NB/T47014《承壓設(shè)備焊接工藝評定》[5]和產(chǎn)品技術(shù)條件的要求進行焊接工藝評定，以制定合理的焊接工藝規(guī)程（WPS）。

②針對各類焊接接頭編制《焊接工藝卡》。

③焊工考試執(zhí)行《鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)則》或GB50236-2011《現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程及施工規(guī)范》[6]的規(guī)定，考試項目必須能夠覆蓋所焊接產(chǎn)品的厚度。

5.2 焊接材料的要求

①焊接材料的儲存保管應(yīng)符合《石油化工鉻鎳奧氏體鋼、鐵鎳合金和鎳合金管道焊接規(guī)程》SH3523-99 第2.2.5 條的要求。

②焊接材料的烘干、發(fā)放、回收嚴格按照相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，焊條的烘干工藝按照生產(chǎn)廠家的參數(shù)進行并且符合SH3523-99 規(guī)范要求，焊絲使用前應(yīng)檢查是否清潔。

③焊接鎳合金用的氬氣純度不得小于99.96%。

④焊接時用氬氣輸送管宜采用塑料軟管，不易用橡膠軟管或其他吸濕性材料的軟管。

5.3 焊接環(huán)境要求

①環(huán)境溫度不低于0 ℃。

②手弧焊時風(fēng)速不大于8 m/s，氬弧焊時風(fēng)速不大于2 m/s。

③相對濕度不大于90%。

④非雨雪天氣。

⑤當(dāng)環(huán)境條件不符合以上要求時，應(yīng)采取有效防護措施才可施焊。

5.4 焊縫坡口處理

①坡口的清理 焊接坡口及其兩側(cè)15 mm 內(nèi)用專用砂輪或不銹鋼絲刷將堆焊層表面氧化層清除干凈，并用丙酮或無水乙醇去除其表面油污、水分、灰塵等有害物質(zhì)，防止硫、鉛、磷或低熔點雜質(zhì)混入熔敷金屬中，因為焊接過程中Ni 能與S、P、Pb 或低熔點的物質(zhì)形成脆化元素，由于氧化物（一般在540 ℃以上形成）的熔點高（2040 ℃）而鎳的熔點低為1400 ℃，因而易造成未熔合，另外鎳合金焊條焊接過程中主要有害雜質(zhì)鋅、硫、碳、鉍、鉛、鎘等能增加焊接裂紋傾向，氧、氫、一氧化碳等氣體在熔化的鎳中溶解度極大，而在固態(tài)下大大減小，溶解度的變化是在熔化焊中引起氣孔的主要原因，因此坡口的清理可以有效的減少氣孔、裂紋等缺陷的出現(xiàn)。

②焊接接頭形式 由于鎳合金熔焊與鋼相比具有導(dǎo)熱性差，粘性強，熔深較淺，焊縫較高，易形成道間和層間熔合不良，為保證熔透，應(yīng)選用較大的坡口角度和較小的鈍邊（如圖1 所示）。

5.5 焊接過程技術(shù)要求

①鎳合金焊接一般采用手工鎢極氬弧焊、手工焊條電弧焊、熔化極惰性氣體保護焊等方法，也可采用埋弧焊自動焊焊接方法，本文涉及的異種鋼焊接采用的是鎢極氬弧焊打底，手工焊條電弧焊蓋面的焊接方法。

②焊接采用多層多道焊接，焊接采用小線能量、短電弧、不擺動或小擺動的操作方法，擺動參數(shù)不得超過焊條直徑的3 倍。

③采用實芯焊絲焊接時，焊縫背面充氬實行內(nèi)保護，內(nèi)保護措施可采用管子整體或局部充氬。

④打底焊接完成后，應(yīng)對打底焊接進行RT 檢測，確認打底焊接質(zhì)量合格再進行手工焊條電弧焊蓋面焊接。

⑤鎳基焊條焊接時氣孔敏感性強，因此焊條中含有適量的鉛、鈦、錳、鎂等脫氧劑，操作時注意控制電弧長度。

⑥每根焊條用完后必須對弧坑處進行打磨，以防止產(chǎn)生焊接缺陷，每焊完一層必須把焊渣等雜物清理干凈，待層間溫度降到要求溫度后在進行下一層的焊接，以防止產(chǎn)生熱裂紋。

⑦各層各道的焊接接頭要錯開。

⑧焊接時應(yīng)采用較快的焊接速度，這樣可以防止氣孔和熱裂紋等缺陷的產(chǎn)生，并可以防止焊縫金屬過熱，影響其耐腐蝕性能。

5.6 焊縫返修

①鎳合金不允許采用碳弧氣刨，以防滲碳。（宜采取機械加工或冷加工）

②清除卻先后應(yīng)將清除的焊縫修磨成至少1:3 的斜度。

③返修時應(yīng)采用鎢極氬弧焊，因為返修時焊接的難度更高些，而鎢極氬弧焊比較容易保證質(zhì)量，且線能量小。

④同一部位的返修次數(shù)不得超過兩次，需要超次返修時應(yīng)制定措施并經(jīng)施工單位技術(shù)總負責(zé)人批準(zhǔn)。

6 鎳基焊材的焊接難點及控制措施

6.1 鎳基焊材的焊接難點

①對焊工技術(shù)水平要求非常高，具備鎳基焊接資質(zhì)的焊工人員稀少。

②對坡口處理及清潔度的要求高，否則在焊接時容易產(chǎn)生氣孔等缺陷。

③鎳合金在液態(tài)下流動性、浸潤性較差，熔深較小，故其坡口角度及對口間隙要相應(yīng)增大，鈍邊則相應(yīng)減小。

6.2 鎳基焊材的焊接質(zhì)量控制措施

①做好焊工的技術(shù)交底。

②焊縫表面嚴禁電弧擦傷，并嚴禁在焊件表面引弧收弧。

③焊接施工中避免污染，應(yīng)采用不銹鋼錘、不銹鋼絲刷、專用砂輪片。

④焊條電弧焊填充及蓋面時，為了防止焊接飛濺損傷母材，在坡口兩側(cè)大于100 mm 的范圍內(nèi)的母材上涂以白堊粉。

⑤焊接完畢必須及時將焊縫表面的熔渣及周圍的飛濺物、防飛濺材料清理干凈。

⑥對于焊接后產(chǎn)生的缺陷要及時分析原因，焊工技術(shù)水平低要立即更換。

7 結(jié)語

鎳基合金具有耐高溫、耐腐蝕的特性，鎳基合金焊材用于鉻鉬耐熱鋼與奧氏體鋼異種鋼之間焊接，使焊縫的蠕變壽命更為長久，具有良好的抗高溫斷裂性能。焊接前對焊縫坡口的處理要求很高，較容易形成氣孔缺陷。費托反應(yīng)器內(nèi)接管焊接坡口按本文要求嚴格處理后，氣孔缺陷得到了有效的控制，焊接合格率明顯提高。鎳基合金焊材形成的焊道力學(xué)性能雖然良好，但其價格比其他奧氏體焊材高出很多，因此在選用焊材時要綜合考慮。