厚壁哈氏C-276镍基复合板容器的焊接

引言

N10276是一种镍-铬-钼抗腐蚀合金,也称哈氏合金C-276,可以适应多种复杂的腐蚀环境,对局部腐蚀有很强的抵抗能力。镍合金常用来制造石油化工设备,因此镍合金复合板便得到了广泛的应用。某公司承接一厚壁镍基复合板塔式容器项目,基层材料o345R,复层材料Ss-575N10276,最大厚度(125B3)＋＋,容器总重量90+,长度10520＋＋,设计图纸要求焊后整体消除应力热处理。容器焊接分为三大部分:基层、过渡层、复层,基层板较厚,过渡层、复层焊接要考虑对材料腐蚀的影响,焊接难度大。

分析:基层材料o345R常规焊后消除应力热处理温度为(620±20)m,如果采用此温度进行热处理,复层N10276会迅速敏化,耐腐蚀性能严重下降。当选择降温热处理时,按照容器热处理标准,保温时间又大幅增加,将导致基层焊缝抗拉强度下降,甚至不合格。因此选择合理的焊后热处理温度、时间和基层焊接材料尤为重要,既要保证基层焊缝强度,又要保证复层耐腐蚀性能。笔者通过查阅相关资料和标准,并选择不同的焊接材料进行试验,制订了严格的焊接工艺参数,成功解决了这一问题。

1容器结构特点及主要参数

设计标准:Gs150.1~150.4—2011《压力容器》。设计压力:7.0MPa:设计温度:195℃:最低设计金属温度:-15℃:容器类别:Ⅲ类。上封头厚度(82B3)＋＋:筒体厚度(122B3)＋＋:锥体分为三段,厚度分别为(125B3)＋＋、(84B3)＋＋、(52B3)＋＋(图1)。设计图纸要求制备产品焊接试板。

2母材焊接性分析

2.1基层材料Q345R

o345R钢板符合Gs713—2014《锅炉和压力容器用钢板》标准,主要化学成分如表1所示。o345R是低合金高强钢,焊接性良好,钢中含有少量的合金元素。薄板焊接不易产生裂纹,厚板焊接时,焊接工艺不合理会产生裂纹,焊接裂纹分为冷裂纹和热裂纹。

2.1.1焊接冷裂纹

形成焊接冷裂纹的三大要素:淬硬、焊接应力、扩散氢。

(1)o345R碳当量Cep≤0.40%,在焊接过程中基本无脆硬倾向,正常情况下冷裂纹倾向小,但当母材厚度≥25＋＋时,应考虑焊前预热和焊后立即后热消氢处理。

(2)焊接过程中不均匀的加热和冷却都会产生不同的拘束应力,板厚越大,所造成的拘束度也越大,导致产生裂纹的倾向也就越大。o345R厚板焊接时,选择合理的焊接坡口,采用合理的焊接工艺可以降低焊接应力,减小焊接冷裂纹风险。

(3)降低焊缝中氢的措施有:选择低氢型焊接材料、降低焊缝冷却速度、板厚≥50＋＋焊后立即后热消氢处理。

2.1.2焊接热裂纹

o345R板厚较大时,特别是焊缝成型系数较小时(熔池窄而深),焊缝中的S、P等杂质易形成低熔点共晶物,焊缝金属在拉伸应力作用下产生裂纹。热裂纹有两个重要因素:冶金因素和力的因素。减少焊接热裂纹的有效措施有:选用Si、Mn型焊接材料,使焊缝中S与Si、Mn结合形成稳定化合物:制定合理的焊接顺序和焊接工艺以减小焊接应力。

2.2复层哈氏合金C-276

Ss-575N10276符合美国标准ASMEⅡs篇《非铁基材料》,主要化学成分如表2所示。

镍及镍合金获得成功焊接最重要的是清理,焊前要严格将焊接坡口及两侧15＋＋范围内清理干净,尤其要去除表面的氧化层,因为焊接过程中Ni能与P、S、Pb、Al或低熔点的物质形成脆化元素。由于氧化物(一般在540℃以上形成)的熔点高(2040℃)而镍的熔点为1400℃,因而会造成未熔合。另外,在镍及镍合金焊接中的主要有害杂质锌(Zn)、硫(s)、碳(C)、钢(Bi)、铅(Pb)、镉(Cd)等能增加镍基合金的焊接裂纹倾向。氧、氢、一氧化碳等气体在熔化的镍中溶解度极大,而在固态下溶解度大大减小,溶解度的变化是在熔化焊中引起气孔的主要原因。

镍合金焊材所形成的熔池十分黏稠,不可用加大电流的方法增加熔池流动性,加大电流的直接后果是会导致熔池温度过高,使未来的焊缝中出现气孔,同时过热的温度会使焊材中一些补偿性元素意外被蒸发或气化,造成焊缝出现缺陷。应该采用轻微摆动的方法来搅动熔池,以利于溶解气体逸出。

镍合金氩弧焊熔深较小,不足碳钢的一半,为奥氏体不锈钢的2/3左右,因此接头设计时,应加大坡口、减小钝边厚度、适当加大根部间隙,在操作中应注意防止未焊透和根部缺陷。

3焊接工艺评定

焊接工艺评定按NB/T47014一2011《承压设备焊接工艺评定》要求进行试板制备、焊接、理化试验等。

3.1焊接工艺选择

3.1.1热处理温度和时间

分析:容器需要整体消除应力热处理,符合标准GB/T30583一2014《承压设备焊后热处理规程》,镍合金材料热处理时,要考虑温度和时间对母材敏化的影响。美国Haynes公司关于镍合金的资料中有一张图表,是时间一温度一敏化曲线图(图2),很有指导意义。

GB/T30583一2014《承压设备焊后热处理规程》规定o345R最低保温温度为600℃,且标准允许降温热处理,但降温热处理时,热处理时间应按表3规定执行。

容器最大厚度(125＋3)mm,若参考基层o345R焊后热处理常规温度(620±15)℃,按标准计算最短保温时间约为2.8h。由图2可以看出,当复层哈氏合金C-276在620℃热处理时,保温0.2h出现敏化,如果选择(620±15)℃热处理温度对复层C-276耐腐蚀性影响较大,此热处理温度不合适,需重新选择。参考表3降温热处理与最低保温时间关系进行分析,选择降温80℃进行热处理时,保温时间过长,基层母材抗拉强度会降低太多,影响产品使用安全。综合考虑热处理温度和时间对基层强度、复层敏化的影响,选择降温55℃,按表3计算,热处理时间最低约为302min,笔者认为容器进行555EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(0℃/302~310min焊后热处理比较合理。

3.1.2焊接材料

基层采用焊条电弧焊或焊条电弧焊＋埋弧焊两种方法,焊条选用低氢型E5015(J507),埋弧焊选用氟碱型焊剂。容器需要进行5个多小时热处理,焊接工艺评定热处理时间应考虑3个热循环,工艺评定热处理时间为16h,考虑到长时间热处理会对焊缝抗拉强度影响较大,采购焊接材料时,要求焊材厂家做焊缝金属模拟焊后热处理。焊接材料选择:GB/T5117一2012《非合金钢及细晶粒钢焊条》中的E5015(J507),小4.0mm:埋弧焊丝和焊剂分别选择标准GB/T5293一1999《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》中的焊丝H10Mn2、焊剂F5P2-H10Mn2(sJ101),美国标准AsMEsFA-5.17《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂标准》中的焊丝EH14、焊剂F48P2-EH14(sJ101),焊丝直径小4.0mm。

焊材采购前要求至少两家焊材供应商分别做焊缝金属模拟焊后热处理试验,试验要求:

手工电焊条:熔敷金属s、P含量≤0.015%,进行555EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(0℃保温16h模焊处理,熔敷金属夏比V型缺口冲击试验的KV2(-20℃)值≥54J。

埋弧焊丝和焊剂要求满足:熔敷金属s、P含量≤0.015%,进行555EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(0℃保温16h模焊处理,熔敷金属夏比V型缺口冲击试验的KV2(-20℃)值>41J。

两家焊材厂家反馈焊缝金属成分及模拟焊后热处理结果,如表4所示。

由表4可以得出结论:焊条E5015化学成分、机械性能符合标准要求,焊丝H10Mn2配合焊剂F5P2-H10Mn2焊缝金属化学成分、冲击指标合格,但抗拉强度452MPa、460MPa过低,不符合标准最低480MPa要求。EH14焊丝配合F48P2-EH14焊剂化学成分、机械性能符合标准要求。分析埋弧焊焊材组合F5P2-H10Mn2不合格原因:长时间热处理导致焊缝金属抗拉强度下降。而F48P2-EH14组合由于EH14焊丝含Mn量稍高,Mn是提高金属强度的重要因素,即使经过长时间模拟热处理,试验结果仍合格。A、B焊材厂家焊条E50l5(J507)、埋弧焊丝EHl4配合埋弧焊剂F48P2-EHl4化学成分、机械性能都可以达到标准要求,从经济性考虑选择B厂家焊条、埋弧焊丝和焊剂。

复层耐蚀堆焊采用机械、手工钨极氩弧焊或其组合方法,过渡层、复层焊丝分别选用美国牛津oxford公司生产的ERNiCrMo-3、ERNiCrMo-4。氩弧焊焊丝符合美国标准AsMEsFA-5.l4《镍和镍合金光填充丝和焊丝标准》,质量保证书中焊丝主要化学成分如表5所示。

3.2基层Q345R焊接工艺评定

分析:封头采用瓜瓣冷成型方式加工,封头厂定位拼接好,回公司焊接拼缝,与主筒体焊接后随容器做整体消应力热处理。因此,根据容器厚度,基层焊接工艺评定做一项,焊条电弧焊(sMAW)＋埋弧焊(sAW):555℃消应力l6h,板厚44mm,焊缝金属厚度各22mm(正面sMAW,背面sAW),焊接工艺参数如表6所示。

工艺评定试板进行l00%RT检测,按NB/T47013.2一2015《承压设备无损检测第2部分:射线检测》,Ⅰ级合格。

理化试验结果:

(1)拉伸2件,抗拉强度(Rm)分别为5l2MPa、5l8MPa:断裂位置:焊缝。

(2)侧弯4件,弯曲l80o无裂纹。

(3)焊缝、热影响区-20℃冲击各2组(上、下各1/4T处,KV2,单位:J)。焊缝(上l/4T):96,88,l02:焊缝(下l/4T):86,92,98:热影响区(上1/4T):76,90,82:热影响区(下l/4T):72,80,86。

试验结果合格。

3.3复层耐蚀堆焊焊接工艺评定

复层堆焊采用机械钨极氩弧焊(机械GTAW)和手工钨极氩弧焊(手工GTAW),焊丝直径分别为1.2mm、2.4mm,过渡层焊丝ERNiCrMo-3,复层焊丝ERNiCrMo-4,工艺评定2项,焊接工艺参数如表7所示。

(1机械GTAW:555℃消应力l6h,板厚26mm,过渡层焊l层,复层焊3层:

(2)手工GTAW:555℃消应力l6h,板厚26mm,过渡层焊l层,复层焊3层。

工艺评定试板复层进行l00%PT检测,按NB/T470l3.5一20l5《承压设备无损检测第5部分:渗透检测》,I级合格。

理化试验结果:侧弯各4件,弯曲l80o无裂纹。

熔合线以上2.5mm、3mm分别取样进行化学成分分析,结果如表8所示。

由表8可以看出,机械GTAW试板熔合线以上2.5mm取样位置,Cr含量l7.2%,高于标准的l4.5%~l6.5%,Mo含量l4.5%,低于标准的l5%~l7%,试验结果不合格。机械GTAW试板熔合线以上3.0mm取样、手工GTAW试板熔合线以上2.5mm和3.0mm取样试验结果合格。堆焊层经美国材料协会mATMG28《锻造镍基含铬材料腐蚀试验》m法,硫酸铁-硫酸腐蚀24h,腐蚀率分别为:机械GTmw堆焊4.05mm/a:手工GTmw堆焊3.88mm/a,均小于12mm/a,腐蚀试验结果合格。

4容器焊接

4.1焊前准备

根据焊接工艺评定(P0R)编制专用焊接工艺规程(wPA)、焊缝布置图、焊接工艺等。施焊前由焊接检验员确认焊工资格,焊接工艺参数严格按焊接工艺规程执行。

焊接试板应由施焊该容器的焊工,采用与施焊容器相同的条件、过程与焊接工艺(包括施焊之后的热处理条件)施焊,有热处理要求的容器,试件一般应当随容器进行热处理,否则应当采取措施保证试件按照与容器相同的工艺进行热处理[4]。

根据上述要求,焊接试板分别设置在封头拼接焊缝(m01A)、主筒体拼接焊缝(m1A)。主体对接焊缝坡口设计如图3所示。

4.2锻件堆焊

编制专用堆焊工艺卡,法兰、法兰盖堆焊使用机械氩弧焊,不能使用机械氩弧焊部位使用手工氩弧焊堆焊。机械氩弧焊盘丝焊接过程中注意避免污染,手工氩弧焊焊丝用丙酮擦拭干净,过渡层堆焊前打磨出金属光泽,清除油、锈等杂质。堆焊前基层预热≥80℃,控制道间温度≤100℃,过渡层堆焊1层:复层堆焊4~6层,控制道间温度≤80℃,堆焊总厚度6~7.5mm(包括机加工余量1~1.5mm)。

过渡层、复层堆焊后,分别进行100%PT检测,按NB/T47013.5一2015《承压设备无损检测第5部分:渗透检测》,I级合格:复层堆焊后进行100%UT检测,按NB/T47013.3一2015《承压设备无损检测第3部分:超声检测》,I级合格。

4.3基层焊接

封头、主筒体、锥体拼接焊缝分别进行施焊。如图1所示,焊缝m01~m08、m010、m01A、m8~m9、B2~B4采用焊条电弧焊,m1~m7、m1A、m09、B1基层采用焊条电弧焊＋埋弧焊,锻件接管与主体焊缝采用焊条电弧焊。焊接前,先将焊条E5015、埋弧焊焊剂AJ101烘干,烘干温度300~350℃,保温2h。基层焊接前预热≥150℃,所有焊道焊接前不可低于此预热温度,焊接过程中温度实时监控,测温点为焊缝两侧200mm范围内,焊接过程中控制道间温度≤250℃,背面碳弧气刨清根前预热≥150℃。基层焊缝全部焊接完成后,立即进行300~350℃、2h后热消氢处理,使用保温棉缓冷。

基层焊接后进行100%UT检测,按NB/T47013.3一2015《承压设备无损检测第3部分:超声检测》,I级合格。

4.4过渡层、复层焊接

焊缝m09、m1、m2、B1堆焊采用机械氩弧焊,其余焊缝堆焊采用手工氩弧焊,使用99.999%高纯氩气。过渡层堆焊前坡口应打磨出金属光泽,清除油、锈等杂质。机械氩弧焊堆焊时,ERNiCrMo-3盘丝应避免污染:手工氩弧焊时,焊丝ERNiCrMo-3表面用丙酮擦拭清除油污。过渡层焊接前基层预热≥80℃,控制道间温度≤100℃,过渡层堆焊1层。

复层堆焊前,坡口两侧20mm范围内、过渡层表面及手工氩弧焊焊丝ERNiCrMo-4用丙酮擦拭清除杂质,机械氩弧焊焊丝应避免污染,焊接过程中控制道间温度≤80℃,复层堆焊3层。

过渡层、复层堆焊后分别进行100%PT检测,按NB/T47013.5一2015《承压设备无损检测第5部分:渗透检测》,I级合格:容器纵、环焊缝整体进行100%RT检测,按NB/T47013.2一2015《承压设备无损检测第2部分:射线检测》,Ⅱ级合格。

5容器热处理

容器焊接完毕后,整体进行消除应力热处理,两块焊接试板随炉热处理。编制专用热处理工艺卡,按555℃/302~310min进行热处理。

热处理后容器主体纵、环缝进行100%UT检测,按NB/T47013.3一2015《承压设备无损检测第3部分:超声检测》,I级合格。产品焊接试板根据NB/T470162011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》进行理化试验,机械性能合格:堆焊层腐蚀率分别为A09s:3.06mm/a、A1s:3.18mm/a,均小于12mm/a,腐蚀结果合格。

6结论

(1)分别对基层O345R、复层哈氏合金C-276焊接特性进行分析,基层焊接难点在于避免焊接裂纹,减少裂纹的措施有:焊前清理杂质:选用低氢焊接材料:焊前预热、焊后后热消氢处理等。复层焊接难点在于镍合金导热性差、黏性强、流动性差、熔深较浅、易产生氧化,焊接操作难度大,杂质较多时会形成低熔点共晶物,产生热裂纹,坡口、焊丝清洁尤为重要,氩弧焊时选用99.999%高纯氩气,焊接时选用较小的线能量,同时严格控制道间温度。

(2)分析焊后消除应力热处理温度和时间对基层抗拉强度、复层耐腐蚀性能的影响,根据"时间一温度一敏化曲线"选择合理的焊后消除应力温度及时间。

(3)基层焊接材料进行模拟焊接热处理,选择既满足母材抗拉强度又具有经济性的焊接材料。容器焊接时尽量采用机械焊接方法,以降低劳动强度、提高生产效率。基层焊接后增加超声波检测,发现缺陷及时返修,避免了后续射线检测发现超标缺陷,返修周期长的问题。容器主体焊缝射线探伤合格率100%,产品焊接试板机械性能、腐蚀率合格,容器分别经7.0MPa气密性试验、10.22MPa水压试验,试验结果合格。