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      Incoloy825鎳基合金焊接接頭晶間腐蝕問題

      2018-12-13 05:40:42李久振
      電焊機 2018年11期
      關(guān)鍵詞:蓋面電弧焊氬弧焊

      李久振,王 恒

      (中核集團中國核電工程有限公司,北京100840)

      0 前言

      國內(nèi)某核化工工程中的某臺設(shè)備用于處理工藝運行產(chǎn)生的二次廢液,它一旦發(fā)生泄漏,整個工程就會停工。該設(shè)備主體材料采用Incoloy825鎳基合金,其化學(xué)成分和力學(xué)性能要求分別如表1[1]、表2所示。

      鑒于該設(shè)備的重要性,設(shè)計上要求焊接接頭按照GB/T 15260-2016《鎳基合金晶間腐蝕試驗方法》[2]的D法,即65%硝酸法進行晶間腐蝕敏感性試驗,試驗時間為48×5 h,合格指標為腐蝕速率不大于0.275 mm/a。

      表1 Incoloy825鎳基合金的化學(xué)成分要求 %

      表2 Incoloy825鎳基合金的力學(xué)性能要求

      1 改進前的晶間腐蝕試驗

      查閱文獻[3]可知,焊接Incoloy825鎳基合金選用焊條ENiCrMo-3(GB/T 13814[4])或焊絲ERNiCrMo-3(GB/T 15620[5]),化學(xué)成分分別如表3、表4所示。

      在化學(xué)成分、力學(xué)性能和耐晶間腐蝕性能均滿足要求的母材上,對使用ENiCrMo-3和ERNiCrMo-3焊材的全部氬弧焊焊接接頭以及氬弧焊打底+焊條電弧焊填充、蓋面的焊接接頭進行晶間腐蝕試驗,按GB/T 15260-2016 D法要求制作試樣,將加工好的試樣放置于帶同流冷凝裝置的錐形瓶中,加入65%硝酸溶液,加熱試驗溶液并保持微沸狀態(tài),試驗連續(xù)48 h,重復(fù)以上試驗步驟5次,采用稱重法得到試驗結(jié)果分別如表5、表6所示。

      由表5和表6可知,晶間腐蝕試驗結(jié)果與合格指標(≤0.275 mm/a)差距很大。制造廠后期改進工藝進行多次試驗,包括調(diào)整焊接工藝參數(shù)、增大坡口角度(單邊坡口角度由30°增大到35°),以及避免影響試驗的外界因素等,但試驗結(jié)果均未達到設(shè)計要求的合格指標。

      表3 ENiCrMo-3焊條化學(xué)成分 %

      表4 ERNiCrMo-3焊絲化學(xué)成分 %

      表5 全部氬弧焊焊接接頭的晶間腐蝕試驗結(jié)果(使用ERNiCrMo-3) mm/a

      表6 氬弧焊打底+焊條電弧焊填充、蓋面焊接接頭的晶間腐蝕試驗結(jié)果(使用ERNiCrMo-3和ENiCrMo-3) mm/a

      2 焊接工藝改進

      為了保證整臺設(shè)備的抗晶間腐蝕性能,提出以下焊接工藝改進措施:

      (1)鎢極氬弧焊具有能量集中、熱輸入小等特點,有利于保證焊接接頭焊后具有良好的耐晶間腐蝕性能。因此,對于較薄Incoloy825鎳基合金部件(t≤4 mm)采用全部的鎢極氬弧焊焊接方法;同時考慮到焊接的熔敷效率,對于較厚Incoloy825鎳基合金部件(t>4 mm)采用鎢極氬弧焊打底+焊條電弧焊填充和蓋面的組合焊接方法。

      (2)在多道焊的焊接接頭中,由于先焊的焊道比后焊的多經(jīng)受一次焊接熱循環(huán)的敏化作用,所以在焊接工藝卡中要求設(shè)備的使用面進行最后一道焊道的蓋面焊,以充分利用最后一道焊道的最佳耐晶間腐蝕性能。該設(shè)備使用面的最后一道焊道的蓋面焊采用鎢極氬弧焊。

      (3)為減輕鎳基合金焊接接頭焊后的晶間腐蝕敏感性,在多道焊的焊接過程中,從第二道焊道開始,在焊縫背面采用強制水冷,有效縮短焊縫在高溫區(qū)的停留時間,嚴格控制多層多道焊的道間溫度小于等于60℃,并且層間焊道交接處錯開。

      (4)為保證焊接接頭返修部位的耐晶間腐蝕性能,在焊接工藝評定中考慮進行模擬補焊的晶間腐蝕試驗。

      3 焊接材料改進[4-5]

      為了提高焊接接頭的耐晶間腐蝕性能,使用化學(xué)成分更加合理的焊條ENi8025(GB/T 13814)和焊絲SNi8025(GB/T 15620),焊材的化學(xué)成分分別如表7、表8所示。

      常溫下鎳基合金中的碳溶解度很低,幾乎所有碳含量都可能在晶間以碳化物形式析出,成為產(chǎn)生晶間腐蝕敏感性的最重要因素,因此降低碳含量成為提高耐晶間腐蝕性能最主要途徑。對比表3和表7可知,w(C)上限由0.10%降至0.06%;對比表4和表 8可知,w(C)上限由0.10%降至 0.02%,w(C)要求值大幅降低,有利于提高焊接接頭的耐晶間腐蝕性能。

      表7 ENi8025焊條化學(xué)成分 %

      表8 SNi8025焊絲化學(xué)成分 %

      鎳基合金的晶間腐蝕敏感性主要因貧鉻區(qū)而產(chǎn)生,提高合金中的鉻含量可以相應(yīng)提高貧鉻區(qū)中的鉻含量。由表3、表4以及表7、表8的對比可知,w(Cr)由 20.0%~23.0%提高到 27%~31%,w(Cr)要求值大幅提高,有利于提高焊接接頭的耐晶間腐蝕性能。

      當合金中既含有鉻、鉬,又含有鈦、鈮,且處于既能析出鉻、鉬碳化物,又能析出鈦、鈮碳化物的溫度范圍內(nèi)時,會優(yōu)先析出鈦、鈮碳化物,不析出或很少析出鉻、鉬的碳化物。這樣在敏化區(qū)域就不會產(chǎn)生鉻、鉬碳化物,而貧化區(qū)的鉻、鉬含量不會很低,從而使合金不致產(chǎn)生晶間腐蝕敏感性,加入的鈦、鈮對合金中的碳起穩(wěn)定化作用。對比表3和表7可知,Ti或Nb元素含量上限由不要求提高到1.0%;對比表4和表8可知,Ti或Nb元素含量上限由0.4%提高到1.0%,Ti或Nb元素含量要求值大幅提高,有利于提高焊接接頭的耐晶間腐蝕性能。

      4 改進后的晶間腐蝕試驗

      在化學(xué)成分、力學(xué)性能和耐晶間腐蝕性能均滿足要求的母材上,對使用焊條ENi8025和焊絲SNi8025的全部氬弧焊+氬弧焊封底焊接接頭(焊接工藝參數(shù)見表9)以及氬弧焊打底+焊條電弧焊填充、蓋面+氬弧焊封底焊接接頭(焊接工藝參數(shù)見表10)進行晶間腐蝕試驗,按照GB/T 15260-2016 D法要求制作試樣,并放置于帶同流冷凝裝置的錐形瓶中,加入65%硝酸溶液,加熱試驗溶液,保持微沸狀態(tài),試驗連續(xù)48 h,重復(fù)以上試驗步驟5次,采用稱重法得到的試驗結(jié)果分別如表11和表12所示,均滿足設(shè)計要求的合格指標(≤0.275 mm/a)。腐蝕后的試樣宏觀照片如圖1所示。

      圖1 腐蝕后試樣宏觀照片

      表9 全部氬弧焊+氬弧焊封底焊接接頭的焊接工藝參數(shù)

      表10 氬弧焊打底+焊條電弧焊填充、蓋面+氬弧焊封底焊接接頭的焊接工藝參數(shù)

      表11 全部氬弧焊+氬弧焊封底焊接接頭的晶間腐蝕試驗結(jié)果(使用SNi8025) mm/a

      表12 氬弧焊打底+焊條電弧焊填充、蓋面+氬弧焊封底焊接接頭的晶間腐蝕試驗結(jié)果(使用SNi8025和ENi8025) mm/a

      5 結(jié)論

      為了滿足核化工設(shè)備較為嚴格的耐晶間腐蝕性能要求,解析了Incoloy825鎳基合金焊接接頭的焊接工藝和焊接材料改進措施,如最后一道焊道采用鎢極氬弧焊、焊縫背面采用強制水冷、焊材由E(R)NiCrMo-3更改為E/S Ni8025。采取改進措施后的晶間腐蝕試驗最終通過了設(shè)計要求指標。

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