镍基合金的焊接技术与研究
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摘要: 通过对镍基合金的焊接性进行了分析,并针对焊接中容易出现的缺陷制定了相应的措施,最终成功的完成了镍基合金管道的安装。
Abstract: Based on the analysis of the weldability of nickel-based alloy, this paper made corresponding measures for the defects in the welding, finally successfully completed the installation of nickel-based alloy pipes.
关健词: 镍基合金;焊接性;缺陷;防治措施
Key words: nickel-based alloy;the weldability;the defects;prevention and control measures
中图分类号:TG4文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)17-0133-02、
0引言
普光气田作为四川盆地已发现的最大气田,该气田的开发建设面临“三高”的困难,即压力高、含H2S高、含CO2高,这些特点为气田开发增加了危险系数。硫化氢对钢材有强烈腐蚀作用,含硫天然气在有游离水组成的H2S+CO2+H2O腐蚀环境下,对管道和设备的腐蚀主要为硫化物应力开裂腐蚀(SSC)、氢致开裂腐蚀(HIC),对管道造成严重的内腐蚀。镍基合金具有独特的物理、力学和耐腐蚀性能,同时具有良好的高温、低温力学性能。
因此,在普光气田的建设中,在井口至加热炉段采用了抗腐蚀比较好的镍基合金材料。本工程使用的材质为INCOLOY825,管材规格主要为?准114.3×14.2,?准114.3×17.5。根据镍基合金材料的特点,我们采用了特殊的工艺措施,焊缝一次探伤合格率为98%。
1镍基合金的物理特性及化学成分
镍固态具有面心立方结构,无同素异构转变。化学活泼性低,在大气中是抗蚀性最强的金属之一。在各种浓度的碱性溶液,中性和碱性盐溶液、碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐和亚硝酸盐的溶液中均是稳定的。在稀有机酸及其他有机化合物中也是很稳定的。
在Ni中添加Al、Cr、Cu、Fe、Mo、Co、Ti、W和V可以固溶强化,其中Al、Cr、Mo和W能引起较强的固溶强化。Mo和W可以改善高温强度。Ni和Cu可以完全固溶。Cr、Cu、Mo等主要合金元素的添加不但增加其耐腐蚀性,而且对其焊接性并没有不利影响。母材和焊缝金属的晶粒不能通过热处理细化。
2镍基合金焊接特点
2.1 液态焊缝金属流动性差镍基合金不能像钢焊缝金属那样通过增大焊接电流改进焊缝金属的流动性,若增加电流,反而起着有害作用。这是镍基合金的固有特性。由于焊缝金属流动性差,不易流到焊缝两边。因此为获得良好的焊缝成形,有时采用摆动工艺,但这种摆动是小摆动。大的摆幅容易引起咬边。为了消除这一缺陷,焊工在摆动到每一侧极限位置时,要稍停顿一下,以便有足够的时间使熔化的焊缝金属填满咬边。此外焊接的电弧要尽量短。
2.2 焊缝金属熔深浅焊缝金属熔深浅是镍基合金的固有特性。同样不能通过增大焊接电流来增加熔深。如上所述,如果电流过大对焊接有害,引起裂纹和气孔。由于焊缝金属熔深浅,接头钝边的厚度要薄一些。
3焊接工艺
3.1 焊接方法的选择通常镍基合金的焊接采用焊条电弧焊、熔化极气体保护焊、钨极气体保护焊和埋弧焊等,本次采用了钨极气体保护焊+焊条电弧焊组合的方法对镍基合金DN100管道进行焊接。
3.2 焊材的选择焊接材料选用INCONEL625 Φ2.4mm根焊焊丝和INCONEL112 Φ3.2mm填充盖面焊条。
3.3 接头型式及坡口加工
3.3.1 接头的坡口型式接头V型坡口、坡口角度:65±5℃、钝边:0-1mm,坡口间隙: 3～4mm
3.3.2 管道的加工①管道应按规定的尺寸预制坡口,坡口加工应采用机械方法,严禁火焰切割;②应采用机械方法在管段上开孔、切割; ③管道加工使用的工具须为不锈钢或硬质合金类材料;④须有专用的场所放置加工好的管道,严禁铁离子污染等问题出现。
3.4 焊前准备
3.4.1 焊前清理焊接前,应采用机械和化学清洗方法,对坡口及其两侧各50mm范围内的氧化皮、油脂和污染物等进行彻底清理。
3.4.1.1 机械清理使用不锈钢丝刷或硬质合金铰刀等对焊接坡口表面的氧化膜进行清除,清理工具应专用并保持清洁,防止铁污染等问题出现。
3.4.1.2 化学清洗使用丙酮等溶液对焊接坡口进行清洗,清除其表面的氧化膜,情洗后用清水冲洗并用丝布擦干,清洗后的坡口表面应呈现银白色。
3.4.2 内部气体置换①焊接前使用充氩置换方式对管道内部坡口、热影响区部位金属进行气体置换;②管道内部气体充氩置换工作完成后, 应进行试焊,通过观察焊道色泽来判断充氩置换和气体保护的质量,只有在确认充氩置换和外部气体保护质量已经达到合格要求后,方可进行正式焊接。
3.5 接头的组对①组对同一公称壁厚的管口时,其错边量不应大于0.5mm;对错边量大于0.5mm的管道,应使用机械加工的方法进行削边处理;②严禁用锤击或加热管子的方法来校正错口;③管道组对过程中宜使用辅助对口卡具和其他工具进行辅助对口,辅助对口工具与管道接触部分应使用不锈钢材料制作;④点固焊所用的焊材、焊接工艺参数及保护气体等条件应与正式焊接相同;⑤定位焊缝应均匀分布,定位焊缝长度以10-15mm为宜;⑥焊接过程中点固焊缝须打磨干净,点固焊缝不能作为永久焊缝存在。
3.6 操作技术及工艺参数
3.6.1 钨极气体保护焊的操作技术采用Φ2.4mm的铈钨极,钨极伸出长度3~5mm,焊缝不预热,层间温度低于100℃,喷嘴直径10mm(喷嘴越大效果越好,最好采用喷嘴加拖罩方法)。在焊接焊缝的背面先用99.999%氩气将管内空气置换干净后再进行焊接,气流量为15-25L/min,焊接的保护气体为99.999% Ar,气流量为 10-15L/min。
采用高频引弧,焊枪在焊接时要尽量垂直于焊件,这样能更好的控制熔池的大小,而且可使喷嘴氩气均匀的保护熔池不被氧化。降低热输入,采用小电流、快的焊接速度,焊枪不得停止不动和搅拌熔池。在焊接过程中焊丝加热端必须处于保护气体中,以避免热的末端氧化和由此造成的焊缝金属污染。焊丝应在熔池的前端进入熔池,以避免接触钨极。
3.6.2 焊条电弧焊的操作技术第一层填充焊接时,为防止背面氧化,焊缝背面也应充氩保护。
为防止热裂纹,应采用小线能量焊接,采用短电弧不摆动或小摆动的多层多道焊,严格控制层间温度在100℃以下,收弧填满弧坑,焊完一道焊缝后,要待焊件冷至用手摸后再焊下一道。允许用水或风强制冷却,必要时也可将焊件置于水中或边焊边用水或风冷却,每层焊接完成,都要清理干净后,再进行下一层的焊接。
运条时焊条不作横向摆动,如必须摆动时,摆幅不应超过焊条直径的3倍。
3.6.3 工艺参数见表4所示。
4焊接过程中产生缺陷分析
4.1 热烈纹镍基合金具有较高的热裂纹敏感性。热裂纹分结晶裂纹、液化裂纹和高温失塑裂纹。结晶裂纹最容易发生在焊道弧坑,形成火口裂纹。结晶裂纹多半沿焊缝中心纵向开裂,也有垂直于焊波。液化裂纹多出现在紧靠融合线的热影响区中,有的还出现在多层焊的前层焊缝中。高温失塑裂纹既可能发生在热影响区中,也可能发生在焊缝中。各种热裂纹有时是宏观裂纹,且有宏观裂纹时常常伴有微观裂纹,但有时仅有微观裂纹。热裂纹发生是高温状态,常温下不再扩展。在镍基合金焊接时,由于S、Si等杂质在焊缝金属中偏析,S、Ni形成Ni-NiS低熔点共晶,在焊缝金属凝固过程中,这种低熔点共晶在晶界间形成一层液态薄膜, 在焊接应力的作用下形成复杂的硅酸盐,在凝固过程中形成高温低塑性裂纹。加上导热性差,焊接热不易散出,容易形成过热,造成晶粒粗大。使晶间夹层增厚,减弱晶间结合力,还能使液固相态存在时间加长,促进热裂纹的产生。
4.2 夹渣①焊接过程中,若焊丝端头在高温过程中,脱离了氩气保护区,容易在空气中被氧化,当再次焊接时被氧化的焊丝端头未清理,又送入熔池中,容易形成夹渣。②焊件表面的清洁性是成功地焊接镍基合金的一个重要要求。焊件表面的污染物质主要是表面氧化皮和引起脆化的元素。镍基合金表面氧化皮的熔点比母材高得多,常常可能形成夹渣或细小的不连续氧化物。这类氧化物不连续特别细小,一般用射线探伤和着色渗透也检查不出来。由于铁的氧化物的熔点和一般铁本身的熔点十分接近,如铁的熔点1537℃,氧化亚铁(FeO)的熔点1420℃(低于铁熔点),氧化铁(Fe2O3)的熔点1565℃(和铁熔点基本一致);但是镍和镍的氧化物的熔点就相差十分悬殊,如镍的熔点1446℃,氧化镍(NiO) 2090℃(比镍的熔点高约45%);由此可以看出,镍的氧化物的熔点差不多比镍本身的熔点高了45%――就是说当镍熔化的时候,氧化镍还远远没有达到它的熔点。所以,在表面清洁的时候没有彻底清除的氧化镍。
4.3 气孔焊接电流过大,不仅使熔池过热,增加热裂纹的敏感性,而且使焊缝金属中的脱氧剂蒸发,出现气孔。因此操作时采用了短弧焊。
4.4 咬边由于镍基合金焊缝金属流动性差,有时采用摆动工艺,在摆动到每一侧极限位置时,停留的时间过短,以至于没有足够的时间使熔化的焊缝金属填满,造成咬边现象。
5结论
通过以上分析,我们掌握了镍基合金管材在焊接中易产生缺陷的原因以及预防措施。在工程施工中,我们按照焊接规范和技术防御措施进行施工,保证了焊接质量,对接管焊缝经X射线检测焊接一次合格率达到了98%,经超声波检测焊接一次合格率达到了100%。