國(guó)產(chǎn)鎳基合金帶極堆焊層的腐蝕性能分析

厚喜榮 王樹(shù)濤 王志剛 古小紅 王詠梅 汪沈陽(yáng)

（1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司；2.中國(guó)石油化工股份有限公司中原油田分公司）

近十年來(lái)，隨著油、氣田的開(kāi)采越來(lái)越困難，采油需添加大量含氯溶劑，氣田集劇毒與強(qiáng)腐蝕性于一體，天然氣中含有大量H2S、CO2和氣田鹵水，腐蝕環(huán)境惡劣。 同時(shí)，由于電脫鹽技術(shù)的局限性，導(dǎo)致介質(zhì)里氯離子頻頻超標(biāo)，油氣在凈化過(guò)程中存在嚴(yán)重的H2S 腐蝕和其他危害，造成設(shè)備腐蝕、泄漏及失效等風(fēng)險(xiǎn)概率高［1，2］。經(jīng)過(guò)調(diào)研，由于選材不當(dāng)，國(guó)內(nèi)外都出現(xiàn)過(guò)運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備發(fā)生腐蝕泄漏的事故，給裝置的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行帶來(lái)極大隱患，也給企業(yè)帶來(lái)很大經(jīng)濟(jì)損失。 因此，提高行業(yè)中關(guān)鍵部位設(shè)備殼體內(nèi)壁的抗腐蝕性能，保證設(shè)備在這種工況下安全運(yùn)行迫在眉睫。

經(jīng)調(diào)查分析，Inconel 625 合金是以鐵、鎳、鈷為基，具有很高的高溫強(qiáng)度、韌性、耐氧化性和疲勞強(qiáng)度；在大氣、天然氣、海水、中性鹽及堿等介質(zhì)中，具有很好的耐腐蝕性能［3］。 因此，選用Inconel 625 合金焊材進(jìn)行設(shè)備殼體內(nèi)壁堆焊，以達(dá)到設(shè)備的耐腐蝕性能要求。

受國(guó)內(nèi)冶煉水平及焊帶、焊劑生產(chǎn)水平等因素的限制，國(guó)產(chǎn)Inconel 625 合金焊帶、匹配焊劑等堆焊材料生產(chǎn)困難，耐腐蝕性差，因此長(zhǎng)期主要依賴進(jìn)口， 而進(jìn)口焊接材料不但價(jià)格昂貴，且供貨周期長(zhǎng)［4］。 故為了打破Inconel 625 合金焊帶的國(guó)外壟斷，提高國(guó)內(nèi)油氣行業(yè)Inconel 625 合金焊接材料生產(chǎn)水平，筆者針對(duì)普光氣田高含硫的惡劣腐蝕工況環(huán)境，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備高含硫天然氣三相分離器殼體選用國(guó)產(chǎn)Inconel 625 合金焊材與進(jìn)口Inconel 625 合金焊材進(jìn)行帶極堆焊試驗(yàn)，并對(duì)照分析腐蝕性能，以指導(dǎo)今后相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造，使國(guó)產(chǎn)鎳基焊材在高等級(jí)的生產(chǎn)制造上占據(jù)一席之地。

1 試驗(yàn)材料及試板的制備

1.1 焊接材料選擇

對(duì)照試驗(yàn)分別選用進(jìn)口Inconel 625 合金焊材（美國(guó)SMC）、國(guó)產(chǎn)Inconel 625 合金焊材（哈焊所）在12Cr2Mo1R 鋼板（δ=36mm）上進(jìn)行帶極堆焊（堆焊層厚度為6mm）。 具體焊材牌號(hào)見(jiàn)表1。

表1 焊接材料

1.2 焊接工藝規(guī)范

根據(jù)以往的制造經(jīng)驗(yàn)和廠家的推薦，確定了兩種焊材的帶極堆焊參數(shù)（表2），并進(jìn)行了帶極堆焊試驗(yàn)。 在堆焊前， 對(duì)待堆試板表面按NB/T 47013.4—2015 進(jìn)行100%的磁粉檢測(cè)（MT），檢測(cè) 質(zhì)量等級(jí)Ⅰ級(jí)合格。

表2 帶極堆焊工藝參數(shù)

1.3 焊接試件的制備

分別采用兩種焊材在12Cr2Mo1R 鋼板 （δ=36mm）上進(jìn)行帶極堆焊，每種焊材分別堆焊5 塊試板，各分為5 種狀態(tài)，分別為焊態(tài)、（690℃±14℃）×8/16/24/32h 退火，5 種狀態(tài)對(duì)應(yīng)做好編號(hào)（表3）。 堆焊完畢后， 對(duì)堆焊層表面進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，對(duì)結(jié)合面進(jìn)行100%超聲檢測(cè)， 檢測(cè)結(jié)果滿足NB/T 47013.5—2015 和NB/T 47013.3—2015 的要求，并測(cè)量堆焊層厚度，應(yīng)符合取樣要求。 然后按要求進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理，焊后熱處理應(yīng)符合：試板進(jìn)爐時(shí)，爐內(nèi)溫度不超過(guò)400℃，升至400℃以后時(shí)，控制升溫速度在50～80℃/h 之間，保溫溫度和時(shí)間分別按表3 執(zhí)行， 降溫速度控制在50～110℃/h 之間，爐冷至400℃以下時(shí)出爐空冷。

表3 不同Inconel 625 合金焊材堆焊試件在不同狀態(tài)下的編號(hào)

2 試驗(yàn)要求

對(duì)鎳基合金堆焊試板的5 種狀態(tài)（含2 種焊材）進(jìn)行宏觀檢查和YB/T 5362 法、ASTM A262 C法（HUEY 法）、ASTM G28 A 法腐蝕試驗(yàn)。

具體試驗(yàn)項(xiàng)目說(shuō)明如下：

a. 宏觀檢查。 對(duì)試板進(jìn)行解剖，剖面取在焊道搭接處，剖面應(yīng)經(jīng)拋光和浸蝕，以能清晰地分清熔合區(qū)和基體金屬為準(zhǔn)。 用5 倍放大鏡觀察無(wú)層下裂紋、未熔合為合格。

b. YB/T 5362 法（應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)）。 取2mm×3mm×30mm（厚×寬×長(zhǎng)）試樣3 件做氯化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，加載應(yīng)力為210MPa。

c. ASTM A262 C 法（HUEY 法，硝酸腐蝕試驗(yàn)）。 取20mm×30mm×3mm（長(zhǎng)×寬×厚）試樣2 件按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，合格指標(biāo)為5 個(gè)周期平均腐蝕速率不大于0.87g/（m2·h）（0.075mm/month）。

d. ASTM G28 A 法 （硫酸-硫酸鐵腐蝕試驗(yàn)）。 取20mm×30mm×3mm（長(zhǎng)×寬×厚）試樣2 件按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)， 合格指標(biāo)為腐蝕速率不大于1.16g/（m2·h）（0.1mm/month）。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 宏觀檢查

宏觀檢查均合格，國(guó)產(chǎn)焊材與進(jìn)口焊材無(wú)差異，各樣品宏觀照片如圖1 所示。

圖1 各樣品宏觀照片

3.2 腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)Inconel 625 合金焊材堆焊試板在不同狀態(tài)下的3 種腐蝕性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

4 結(jié)果分析

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，進(jìn)口Inconel 625 合金焊材（INCONEL Weldstrip 625+INCOFLUX SAS1）與國(guó)產(chǎn)Inconel 625 合金焊材（H625+SJ82B）的堆焊層在焊態(tài)和不同保溫時(shí)間的熱處理狀態(tài)下，宏觀檢查和YB/T 5362 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果均合格，說(shuō)明在不同熱處理狀態(tài)下對(duì)于Inconel 625 合金堆焊層的應(yīng)力腐蝕影響不明顯。

進(jìn)口Inconel 625 合金焊材與國(guó)產(chǎn)Inconel 625 合金焊材堆焊層的ASTM A262 C 法與ASTM G28 A 法腐蝕率在焊態(tài)和690℃×8h 下均滿足合格指標(biāo)要求，且數(shù)據(jù)相近，部分國(guó)產(chǎn)焊材的數(shù)據(jù)甚至更優(yōu)于進(jìn)口焊材。 但以上兩種腐蝕率隨著熱處理時(shí)間的增加而增加，進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)焊材保溫時(shí)間超過(guò)8h 的熱處理試樣其腐蝕率均不合格，且二者數(shù)據(jù)也基本相近。 分析原因可能是熱處理后產(chǎn)生的析出物（碳化物）造成的，長(zhǎng)時(shí)間的熱處理會(huì)造成晶間貧鉻現(xiàn)象，降低了堆焊層的抗晶間腐蝕性能［5］。

表4 不同狀態(tài)下的腐蝕結(jié)果對(duì)照表

5 結(jié)論

5.1 與進(jìn)口焊材相比， 國(guó)產(chǎn)Inconel 625 合金焊材（H625+SJ82B）亦能通過(guò)相關(guān)工藝手段獲得穩(wěn)定、良好的外觀成型。

5.2 使用國(guó)產(chǎn)焊接材料堆焊的625 合金堆焊層在焊態(tài)和690℃×8h 熱處理狀態(tài)下各項(xiàng)抗腐蝕性能均符合技術(shù)要求。 在規(guī)定的熱處理溫度下，隨著熱處理保溫時(shí)間的增長(zhǎng)，堆焊層的抗晶間腐蝕性能下降，因此產(chǎn)品若要保證長(zhǎng)周期運(yùn)行，從本次試驗(yàn)來(lái)看，對(duì)于鎳基合金625 堆焊層進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理保溫時(shí)間不宜超過(guò)8h。

5.3 國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口Inconel 625 合金焊材堆焊后試板的ASTM A262 C 法（HUEY 法）、ASTM G28 A法和YB/T 5362 法腐蝕數(shù)據(jù)極為接近，部分國(guó)產(chǎn)焊材的數(shù)據(jù)甚至更優(yōu)。

5.4 國(guó)產(chǎn)Inconel 625 合金焊材堆焊層能夠滿足油、氣田行業(yè)中高含硫介質(zhì)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)壁的腐蝕要求。

5.5 國(guó)產(chǎn)Inconel 625 合金焊材完全可以應(yīng)用于油、氣田行業(yè)中關(guān)鍵設(shè)備的內(nèi)壁堆焊，對(duì)于國(guó)產(chǎn)高級(jí)別材料的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。