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

哈氏合金B(yǎng)3工藝管道的焊接

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哈氏合金B(yǎng)3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。其中B系列合金是鎳鉬合金，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。文章通過(guò)分析哈氏合金B(yǎng)3的焊接特性、焊接方法、焊接要點(diǎn)，系統(tǒng)探討了哈氏合金B(yǎng)3工藝管道的焊接整個(gè)過(guò)程。

哈氏合金B(yǎng)3 焊接方法 焊接要點(diǎn)

1 哈氏合金B(yǎng)3簡(jiǎn)介

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(méi)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)，最后順利地完成了該項(xiàng)目的施工。

1.1 哈氏合金B(yǎng)3的特點(diǎn)

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(kāi)發(fā)出來(lái)產(chǎn)品，針對(duì)先前開(kāi)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。

1.2 B3合金的化學(xué)成分

（1）B3合金的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分，重量百分比如下[1]：65Nib-28.5Mo-1.5Cr-1.5Fe-3Co*-3Mn*-3W*-0.5Al*0.2Ti*-0.1Si*-0.01C*(b：最小，*：最大)。

（2）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℃。

（3）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(kāi)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。

2 哈氏合金B(yǎng)3的焊接特性

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 哈氏合金B(yǎng)3焊接工藝評(píng)定

3.1 焊材的選擇

由于B3合金材料開(kāi)發(fā)較晚，我國(guó)還是近幾年剛引進(jìn)，我國(guó)的相關(guān)規(guī)定上有一些哈氏合金焊材的標(biāo)準(zhǔn)，還沒(méi)有B3合金焊材的標(biāo)準(zhǔn)和介紹。

3.1.1 通過(guò)查閱美國(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：

①AWS-A5.11-98，ENiMo-10；②AWS-A5.14-98，ERNiMo-10。

3.1.2 Hanyes Internatioal可以提供的直焊絲規(guī)格如下[5]：

直焊絲 1.6mm(0.062 英寸)、2.4mm(0.094 英寸)、3.2mm(0.125 英寸)。

3.2 母材和焊接位置的選擇

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”，本次采用母材較薄，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，以盡量減弱焊接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11.8～14.2 L/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(méi)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)告見(jiàn)表1，可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了要求。

表1 彎曲拉伸試驗(yàn)報(bào)告

4 現(xiàn)場(chǎng)B3合金工藝管道施工注意事項(xiàng)

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(shù)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(kāi)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(wèn)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(wèn)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。圖1是現(xiàn)場(chǎng)焊接圖。

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，配備訓(xùn)練有素的合格焊工，單獨(dú)作業(yè)。

5 B3合金的焊接坡口

B3合金根據(jù)管道厚度的不同有三種形式[8]見(jiàn)圖2，具體間距、厚度和夾角見(jiàn)表2。

表2 B3合金管道對(duì)焊坡口設(shè)計(jì)

6 B3合金的焊接工藝參數(shù)

焊接參數(shù)見(jiàn)表3

表3 B3合金鎢極氣體保護(hù)焊(GTAW)焊接參數(shù)

7 結(jié)語(yǔ)

在此項(xiàng)目中，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)。

參考資料

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 Nickeland 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.

TG42

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1672-9323（2010）06-0063-03

2010-05-14）