UNS R31233 合金在換熱器封頭堆焊修復(fù)中的應(yīng)用

張 力 閆明洋 朱莎莎 陳 愷 孫亞杰

(二重(鎮(zhèn)江)重型裝備有限責(zé)任公司，江蘇212000)

某公司精對(duì)苯二甲酸(PTA)項(xiàng)目中主設(shè)備換熱器封頭在停車檢修過程中發(fā)現(xiàn)出口接管附近腐蝕較為嚴(yán)重。管道壁厚由理論尺寸35.5 mm(最小值)變?yōu)?6 mm(最小值)。其換熱器管箱封頭密封隔板的出口接管一側(cè)也被大量腐蝕減薄。

第一次檢維修采用雙相鋼堆焊修復(fù)，因設(shè)備主體材料腐蝕減薄量太大，滿足不了設(shè)計(jì)壁厚要求，同時(shí)考慮檢修周期較短，第一次維修采用了保守修復(fù)方法，在腐蝕減薄區(qū)域，堆焊了雙相鋼。減薄區(qū)域采用E2205焊條進(jìn)行堆焊，局部采用ER2205氬弧焊絲進(jìn)行焊接。

后期在停車檢修過程中，發(fā)現(xiàn)堆焊的雙相鋼同樣有腐蝕減薄情況。為徹底解決該設(shè)備在生產(chǎn)過程中被沖刷腐蝕，提前制造了一臺(tái)新的換熱器管箱封頭，并在封頭隔板及管道內(nèi)壁堆焊了鈷基合金耐磨層。耐磨層堆焊是在一個(gè)韌性好的母材上堆焊具有高耐磨性的材料，從而獲得具有高耐磨性的表層和綜合性能優(yōu)良的部件，同時(shí)節(jié)省貴重金屬，降低制造成本[1]。

1 材料選擇

本次管箱封頭重新制作，內(nèi)壁采用耐腐蝕合金(UNS R31233)進(jìn)行堆焊。該合金具有鎳基哈氏合金(HASTELLOY)G類合金的很多耐蝕性特征，兼具鈷基司太立(STELLITE)合金的很多耐磨性特征，也是一種高可焊性材料，它具有較好的耐磨損腐蝕和空穴腐蝕特點(diǎn)。選用該合金主要是因?yàn)樵撯捇辖鹆己玫牡牧W(xué)和焊接特性，還有對(duì)氯化物引起的點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕具有很好的耐受性。

1.1 母材性能

管箱封頭及接管母材材質(zhì)為SA965 F304/304L不銹鋼鍛件，符合ASME BPVC.Ⅱ.A中SA-965/SA-965M的相應(yīng)要求。其中化學(xué)成分滿足Type 304L的要求(見表1)，力學(xué)性能滿足Type 304的要求(見表2)。

表1 母材化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition analysis of base metal(mass fraction,%)

表2 母材力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of base metal

1.2 鈷基合金性能

合金參照ASTM B815:2002標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)滿足ASME SB815:2001標(biāo)準(zhǔn)要求。UNS R31233合金母材化學(xué)成分見表3，力學(xué)性能見表4。

該合金是一種鈷鉻鉬合金，是典型的鈷基合金中的一種，既能耐磨損也能耐腐蝕，是以鈷作為主要成分，含有相當(dāng)數(shù)量的鉻、鉬和少量的鎳、碳、鎢等合金元素，偶爾也還含有鐵的一類合金。鈷作為基體，使合金具有極好的抗熱腐蝕和抗熱沖擊性能。鉻、鎢的加入改善了合金的抗氧化性能。鉬的添加可以使晶粒細(xì)化，使合金具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)由于鉬、鎢等元素的碳化物分布于富鈷的基體中，以及部分鉬、鎢原子固溶于基體，使合金得到了強(qiáng)化，從而改善了耐磨性[2]。

表3 UNS R31233合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Chemical compositions of UNS R31233 alloy(mass fraction,%)

表4 UNS R31233合金力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of UNS R31233 alloy

圖1 試板堆焊Figure 1 Test plate surfacing

表5 鈷基合金焊接工藝參數(shù)Table 5 Welding process parameters of cobalt-based alloy

表6 堆焊金屬化學(xué)成分Table 6 Chemical compositions of surfacing metals

2 工藝性試驗(yàn)

由于鈷基合金的焊接性能較差，在堆焊中容易產(chǎn)生氣孔、冷裂紋或結(jié)晶裂紋，甚至是剝離等缺陷，而且堆焊工藝復(fù)雜，在制造過程中，必須嚴(yán)格按照堆焊工藝來實(shí)施，對(duì)堆焊人員要求非常高[3]。同時(shí)考慮稀釋所引起的合金元素降低，在制造過程中需提高熔敷效率。提前進(jìn)行工藝性試驗(yàn)，在工藝條件滿足使用要求后才能應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中。

2.1 試板焊接

試板采用母材材質(zhì)，尺寸為：20 mm×200 mm×300 mm。采用R31233焊絲進(jìn)行熱絲TIG焊接，焊絲直徑為?1.14 mm，堆焊2層，堆焊最小尺寸為：3 mm×100 mm×160 mm，如圖1所示。

采用熱絲TIG焊機(jī)進(jìn)行堆焊，實(shí)際堆焊過程中，最小預(yù)熱溫度為20℃，最大層間溫度為150℃，熱絲電流為45 A，氣體保護(hù)為99.999%Ar，氣體流量為15 L/min。焊接工藝參數(shù)見表5。

由于焊接電壓和焊接速度是屬于人為控制，因此在選擇焊接規(guī)范參數(shù)時(shí)，優(yōu)先考慮控制焊接電流的大小，在保證堆焊質(zhì)量的前提下，盡可能選擇較低的焊接電流值，即選擇“小電流、短弧焊、快速、多層多道焊”[4]。

2.2 焊后無損檢測

待焊接試板冷卻到室溫后，對(duì)堆焊區(qū)域及熱影響區(qū)域按照ASME第Ⅴ卷《無損檢測》第9章和第6章的要求進(jìn)行外觀檢測、100%滲透檢測和100%超聲檢測，沒有發(fā)現(xiàn)可視缺陷、裂紋和氣孔等可記錄缺陷。按照ASME第Ⅹ卷QW-195.2和QW-191.2.3規(guī)定驗(yàn)收，無相關(guān)顯示，沒有不連續(xù)指示，符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 堆焊金屬表面化學(xué)成分分析

采用火花源原子發(fā)射光譜儀對(duì)堆焊層表面及熔合線以上2 mm位置的堆焊層進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果見表6。表層滿足ASTM B815:2002標(biāo)準(zhǔn)中化學(xué)元素要求。

焊接熔覆過程中，基體材料和堆焊層發(fā)生了互熔擴(kuò)散，即通常所說的稀釋作用。稀釋率越大，堆焊層金屬熔入基體越多，對(duì)堆焊層的性能影響也越大。通過測量鈷基合金表面鐵含量的多少可以評(píng)判稀釋率的大小[5]。通過對(duì)堆焊層表面光譜分析可知，堆焊層表面平均鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.45%，這表明稀釋率很低，測試結(jié)果也說明在UNS R31233合金堆焊層表面的鐵含量滿足相關(guān)技術(shù)要求。采用上述堆焊工藝參數(shù)在304L表面堆焊UNS R31233合金完全可以滿足產(chǎn)品生產(chǎn)要求。

表7 堆焊層表面硬度測定值Table 7 Surface hardness test values of surfacing layer

圖2 硬度測試圖Figure 2 Hardness test chart

圖3 焊縫的顯微組織Figure 3 Microstructures of welds

2.4 彎曲試驗(yàn)

彎曲試樣4件，其中橫向側(cè)彎2件(試樣長軸垂直于堆焊方向，試樣編號(hào)A101-1和A101-2)，縱向側(cè)彎2件(試樣長軸平行于堆焊方向，試樣編號(hào)A102-1和A102-2)，試樣尺寸3 mm×12 mm×160 mm，彎曲直徑12 mm，彎曲角度180°，支座間距21 mm。彎曲表面無裂紋和可視缺陷，滿足使用要求。

2.5 堆焊層表面硬度檢測

沿焊縫中心軸線位置開始向兩側(cè)按照?qǐng)D2編號(hào)進(jìn)行硬度值測定。分別在焊縫第二層、焊縫第一層、熱影響區(qū)和母材每個(gè)區(qū)域上各測量3點(diǎn)，各點(diǎn)間隔至少20 mm。硬度值檢測結(jié)果見表7，其硬度值符合相關(guān)技術(shù)要求。

2.6 宏觀檢測及顯微組織

(1)晶間腐蝕檢驗(yàn)。試樣尺寸3 mm×20 mm×80 mm，按照ASTM A262:2015標(biāo)準(zhǔn)中E法進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)15 h晶間腐蝕后，彎曲180°檢查，未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕傾向。

(2)宏觀檢驗(yàn)。肉眼觀察試樣堆焊層橫斷面，焊縫金屬及熱影響區(qū)的橫斷面完全熔合，且無裂紋、氣孔、夾渣、未熔合和未焊透等缺陷。

(3)微觀金相檢驗(yàn)。采用金相顯微鏡對(duì)試樣的堆焊層焊縫、熔合線、熱影響區(qū)及母材進(jìn)行微觀金相觀察，未發(fā)現(xiàn)異常組織的存在。母材基體為晶粒粗大的奧氏體和少許鐵素體組織，堆焊層焊縫金屬為鈷基共晶樹枝晶和枝晶間碳化物，焊縫區(qū)晶粒細(xì)小，熔合區(qū)有一定的寬度，組織較為復(fù)雜。微觀金相組織見圖3。

3 實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用

工藝性試驗(yàn)結(jié)果表明UNS R31233 合金滿足產(chǎn)品使用要求。該管箱封頭隔板及接管內(nèi)壁全部堆焊2層厚度約3 mm的R31233合金，目前該產(chǎn)品已經(jīng)投入使用，設(shè)備運(yùn)行情況良好。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)堆焊層進(jìn)行滲透和超聲檢測、硬度檢測、彎曲檢測、宏觀組織和微觀組織檢測，結(jié)果均滿足相關(guān)技術(shù)要求，說明該工藝參數(shù)比較合理，可以應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)。

(2)UNS R31233 合金在實(shí)際產(chǎn)品中運(yùn)行情況良好，表明其可廣泛應(yīng)用于該類型換熱器管箱封頭中，對(duì)其后續(xù)工藝改進(jìn)起到示范作用。

(3)UNS R31233 合金具有優(yōu)越的抗腐蝕和防沖刷磨損的性能，可推廣到其它容器產(chǎn)品內(nèi)件制造中。