鮑廣東
中國(guó)化學(xué)工程第三建設(shè)有限公司 安徽淮南 232000
哈氏合金B(yǎng)3工藝管道的焊接
鮑廣東
中國(guó)化學(xué)工程第三建設(shè)有限公司 安徽淮南 232000
在江蘇張家港一德資項(xiàng)目中,我公司遇到哈氏合金B(yǎng)3工藝管道的安裝施工,其管道內(nèi)介質(zhì)為沸騰狀高濃度的鹽酸。由于哈氏合金B(yǎng)3合金管道是一種新材料,在國(guó)內(nèi)沒有成熟的焊接工藝和較為完整的施工經(jīng)驗(yàn)。我們查閱了大量資料,做了焊接工藝評(píng)定,對(duì)焊接人員進(jìn)行了培訓(xùn),最后地順利地完成了該項(xiàng)目的施工。
哈氏合金B(yǎng)3(以下簡(jiǎn)稱B3合金)是哈氏合金系列產(chǎn)品的一個(gè)品種,哈氏合金屬于鎳基合金,英文名稱為Hastelloy,是美國(guó)Haynes International Inc公司的一個(gè)商標(biāo),哈氏合金主要可分為 B、C、D、G、N、X、HR 等系列,均以耐腐蝕、抗高溫或同時(shí)具備以上兩種特性為主要特點(diǎn)的材料。其中B系列合金是鎳鉬合金,主要針對(duì)還原環(huán)境,其中B3合金是二十世紀(jì)九十年代開發(fā)出來(lái)產(chǎn)品,針對(duì)先前開發(fā)的哈氏合金B(yǎng)2的弱點(diǎn),在化學(xué)成分做了調(diào)整,它的熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性比哈氏合金B(yǎng)2有了大幅度地提高。
B3合金的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分,重量百分比如下[1]:
在室溫下B3合金的密度是9.22×103kg/m3,比鋼鐵的密度稍大;B3合金的熔化溫度區(qū)間為1370~1418℃。
B3合金對(duì)于任何溫度和濃度的鹽酸都有極好的抗腐蝕性,凡使用鹽酸介質(zhì)場(chǎng)合,B3合金管道及容器均可適用。同時(shí)它對(duì)于硫酸、乙酸、蟻酸、磷酸及其它不具有氧化性的介質(zhì)也具有良好的抗腐蝕性,而且它的熱穩(wěn)定性非常良好。B3合金對(duì)點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、刀狀腐蝕和焊接的熱影響區(qū)的腐蝕等均有很高的抵抗能力。
B3合金和其它鎳基合金一樣,熔化后很粘。這與鎳金屬本身特性,即導(dǎo)熱系數(shù)大、固液相溫度區(qū)間小、液態(tài)金屬黏度大、流動(dòng)性差有關(guān)[2]。B3合金熔化區(qū)間是1370~1418℃,比較小,液態(tài)焊縫金屬流動(dòng)性差,不容易流動(dòng)和潤(rùn)濕側(cè)邊,需要小心操作電弧和焊材。另外由于焊接金屬的“粘性”,B3合金要比典型的碳鋼和不銹鋼難焊透,由于這種“低穿透”的特性,增大了熔融不完全的可能性。
3.1 焊材的選擇
由于B3合金材料開發(fā)較晚,引進(jìn)我國(guó)還是近幾年的事,我國(guó)的相關(guān)規(guī)范上有一些哈氏合金焊材的標(biāo)準(zhǔn),還沒有B3合金焊材的標(biāo)準(zhǔn)和介紹。
我們查閱了美國(guó)焊接協(xié)會(huì)規(guī)范AWS中有兩個(gè)關(guān)于B3合金焊接材料的標(biāo)準(zhǔn)[3.4],采用的焊條和焊絲分別是:
Hanyes Internatioal可以提供的直焊絲規(guī)格如下[5]:
直焊絲 1.6mm(0.062in),2.4mm(0.094in),3.2mm(0.125in)
3.2 母材和焊接位置的選擇
我們現(xiàn)場(chǎng)截取一段Φ114.3×2.4mm管道,600mm長(zhǎng),作為評(píng)定的母材,采用坡口對(duì)接焊縫試件,具有“覆蓋性”較好地45°固定向上焊(6G)位置[6]。
3.3 焊接坡口的設(shè)計(jì)
對(duì)B3合金的對(duì)焊坡口,宜采用“大坡口”,本實(shí)驗(yàn)用母材較薄,未做坡口處理,根部間距為2mm。
3.4 焊接方法
我們采用的是手工鎢極氣體保護(hù)弧焊(GTAW),焊機(jī)電源配備高頻啟動(dòng),為了提高電弧的穩(wěn)定性,在工件上形成窄而深的熔池,來(lái)盡量減弱焊接B3合金的“粘性”,電極極性是直流正接(DCEN)。鎢極直徑為1.6/2.4mm,電流為50~95A,電壓為9~12V。焊接實(shí)驗(yàn)在室內(nèi),溫度為8℃,濕度為60%,熔敷焊縫厚度為3mm,層間溫度為60~80℃。
3.5 保護(hù)氣體
手工GTAW焊接B3合金時(shí)選用焊接級(jí)99.996%或以上的高純氬氣,當(dāng)采用全氬氣保護(hù)時(shí)氬氣流速約為11.8~14.2L/min;采用氬氫混合保護(hù)氣體時(shí),氫氣的含量要控制在15%以下,可提高電弧的溫度,增加熔透能力,提高焊接速度,防止咬邊,另外,氫氣具有還原作用,可防止CO氣孔的形成,也非常適合焊接B3合金管道,但考慮氫氬混合保護(hù)氣體的使用成本很高,我們采用的是全氬氣保護(hù)氣。
3.6 射線探傷
焊接完成后,按照GB3323-2005《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》,對(duì)試驗(yàn)B3合金管道環(huán)縫采用雙壁單影透照法進(jìn)行X射線探傷,定區(qū)選取缺陷最嚴(yán)重的10×10mm的部位,沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、未焊透等缺陷,但X光片最大圓形缺陷點(diǎn)數(shù)為3個(gè),可以評(píng)為II級(jí)合格[7]。
3.7 彎曲及拉伸試驗(yàn)
X射線探傷合格后,按照GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》,并參照GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)B3合金焊接接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn),按照GB232-1999《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》,并參照ASME第IX卷標(biāo)準(zhǔn)對(duì)B3合金焊接接頭進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)。
彎曲試驗(yàn)用的試驗(yàn)分為四組,分別為面彎兩組,背彎兩組。彎曲試驗(yàn)試樣長(zhǎng)度為152mm,寬度為38mm,彎曲直徑均為試件B3合金管道厚度的四倍,即9.6mm,接頭處按照ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了打磨處理。實(shí)驗(yàn)報(bào)告如下表,可見實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了要求。
4.1 B3合金的切割和打磨
焊接區(qū)域的準(zhǔn)備對(duì)焊接抗腐蝕鎳基合金來(lái)說(shuō)非常重要,B3合金也是一樣。B3合金可以使用等離子切割/刨,機(jī)加工,打磨等方法,一定要在焊接前把切割的邊界區(qū)域清理干凈,達(dá)到光亮程度,打磨時(shí)應(yīng)采用專用的有一定導(dǎo)熱性的80粒度碳化硅磨片砂輪,也可采用打磨奧氏體不銹鋼的專用增強(qiáng)樹脂砂輪進(jìn)行打磨,以提高清理的質(zhì)量和效率。
除了焊接角坡口,在焊接區(qū)域上表面和下表面(正面和根部)都要用磨片砂輪磨出25mm寬度的金屬光澤區(qū)域,對(duì)B3合金管道來(lái)說(shuō),需要角向磨光機(jī)和內(nèi)磨頭來(lái)打磨管道焊接區(qū)域的內(nèi)表面。如果表面的銹垢不除去,焊接金屬就會(huì)和銹垢連在一起造成母材底部開裂,焊接和相鄰區(qū)域在焊接之前必須徹底清潔。
4.2 B3合金的焊口清理
所有的油脂,粉筆印,機(jī)加工溶液,腐蝕產(chǎn)品,顏料,銹垢,探傷染料及其它雜物都必須被徹底清除。焊縫每側(cè)清理區(qū)域向外延伸50mm,包括鈍邊和坡口。
B3合金焊口區(qū)域按照被清理物質(zhì)的種類可以采用不同的清理方法。車間污物、油脂可用蒸汽脫脂或用丙酮及其他溶液去除;對(duì)于不溶于脫脂劑的漆和其它雜物,可用氯甲烷、堿等合成劑清洗,標(biāo)志墨水一般用甲醇清洗。由于毒性因素,應(yīng)盡量不用四氯化碳和二氯乙烷清洗,被壓入焊件表面的雜質(zhì),可用磨削、噴丸或鹽酸溶液(10%體積比)清洗并用清水洗凈。
4.3 焊接要點(diǎn)
由于B3合金熔化區(qū)間小,液態(tài)金屬流動(dòng)性差,“低穿透”等特點(diǎn),需要采用小線能量、快速焊,適當(dāng)稍稍增大電流來(lái)增加熔深,解決熔池“粘性”問題,同時(shí),通過(guò)增大母材坡口角度和焊工的合理操作,盡量不擺動(dòng)或稍擺動(dòng)來(lái)解決液態(tài)焊縫金屬流動(dòng)性差,不容易流動(dòng)和潤(rùn)濕側(cè)邊等問題。
焊槍在焊接時(shí)要盡量垂直于焊件,采用窄的焊道,只用剛剛夠的電流熔化基體金屬和焊材就可以了。在焊接中,焊絲端部一定要在保護(hù)氣中,防止氧化和由此造成的焊縫金屬污染。焊接過(guò)程熔池要保持平靜,避免焊絲攪動(dòng)熔池。焊絲應(yīng)在熔池的前端進(jìn)入熔池,以避免接觸鎢極。下圖1是現(xiàn)場(chǎng)焊接圖。
表1 彎曲拉伸試驗(yàn)報(bào)告
焊工在控制填充材料(焊條、焊絲)加入焊接熔池時(shí),必須盡量減少焊接材料對(duì)母材地稀釋。
4.4 焊接場(chǎng)地的要求
B3合金管道應(yīng)避免與碳鋼、銅金屬的接觸,需要采取一定措施來(lái)隔離。在施工現(xiàn)場(chǎng)最好要把B3合金管道單獨(dú)劃分一片區(qū)域,四周封閉,地面硬化后,再鋪上木板,配備培訓(xùn)后訓(xùn)練有素的合格焊工,單獨(dú)作業(yè)。
B3合金根據(jù)管道厚度的不同有三種形式[8]如下圖2,具體間距、厚度和夾角如下表2。
表2 B3合金管道對(duì)焊坡口設(shè)計(jì)
焊接參數(shù)如下表3。
表3 B3合金鎢極氣體保護(hù)焊(GTAW)焊接參數(shù)
在此項(xiàng)目中,我們共計(jì)焊接B3合金管道114.3m,共221道焊口,1587DB,焊后合格率為100%,得到了外商的高度評(píng)價(jià)。
1 H-2104a Hastelloy B-3 Alloy Brochure Haynes International.Corrosion-Resistant Alloys Hastelloy B-3 Alloy,1995.
2 廖翼祥,陳文瑋,李鵬.NI200純鎳管道的焊接.化工建設(shè)工程[J],2004(24):P30-31.
3 AWS A5.11 Specification for Nickel and Nickel-Alloy Welding Electrodes For Shielded Metal Arc Welding November 6,1997.
4 AWS A5.14/A5.14M.ACTV Specification for Nickel and Nickel-Alloy Bare Welding Electrodes and Rods,Deceber 8,1997.
5 H2112 Haynes International High Performance Alloys.Technical Information Hastelloy B-3 alloy Welding Data,1998.
6 鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)則,國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2002.
7 JB/T4372.2-2005.承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè).國(guó)家改革和發(fā)展委員會(huì)發(fā)布,2005.
8 H2010F Fabrication Of Hastelloy And Corrosion-Resistant Alloys.Haynes International Inc,2003.
TG4
B
1672-9323(2011)01-0059-03
2010-10-07)