INCONEL600 鎳基合金管道小角度坡口焊接施工方法

溫興奇 彭琴琴

中國化學(xué)工程第十六建設(shè)有限公司 湖北 宜昌 443000

INCONEL600 管道材料為Ni- Cr- Fe 合金，屬于鎳基合金的一種。INCONEL600 鎳基合金材料由于其優(yōu)良的抗腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于石油化工等各行各業(yè)。在中國化學(xué)工程第十六建設(shè)有限公司承接的各類項目中，該種材質(zhì)及類似材質(zhì)使用越來越多，經(jīng)過在施工過程中的不斷總結(jié)創(chuàng)新和實踐改進，形成了一個相對成熟的INCONEL600 鎳基合金管道小角度坡口施工方法。以濱化集團五氟乙烷裝置INCONEL600 鎳基合金管道為例，介紹鎳基合金的小角度坡口焊接工藝。INCONEL600 鎳基合金管道規(guī)格見表1。

表1 INCONEL600 鎳基合金管道規(guī)格一覽表

1 INCONEL600 鎳基合金性能分析

INCONEL600 的Ni- Cr- Fe 基固溶強化合金熔點高、耐熱、耐腐蝕、強度高，在高溫下具有良好的抗氧化性和抗?jié)B碳性，在室溫和略高于室溫的條件下具有良好的機械性能。但I(xiàn)NCONEL600 鎳基合金導(dǎo)熱性差，在結(jié)晶時晶粒有嚴(yán)重的長大傾向，易導(dǎo)致晶粒粗大，且焊縫金屬中含有的S、P、Si、Sb 等元素容易與Ni 形成低熔點共晶，產(chǎn)生熱裂紋。熱輸入過大時，易形成方向性強的單相奧氏體組織，雜質(zhì)偏析嚴(yán)重，易產(chǎn)生熱裂紋；若收弧不當(dāng)，易產(chǎn)生弧坑裂紋；受焊接熱循環(huán)影響，近縫區(qū)有產(chǎn)生液化裂紋的傾向，且液體流動性能較差，易發(fā)生融合現(xiàn)象，焊接難度大，合格率偏低。INCONEL600 的物理性能及化學(xué)成分等分別見表2 和表3。

表2 INCONEL600 的物理性能

表3 INCONEL600 的化學(xué)成分

2 INCONEL600 鎳基合金材料焊接工藝分析

INCONEL600 鎳基合金材料焊接時，有低熔點共晶化合物 (Ni2S2 共晶溫度為645℃,Ni2P 共晶溫度為990℃）的液態(tài)膜殘留在晶界區(qū),由于收縮應(yīng)力的作用而開裂，形成弧坑裂紋和焊道裂紋，且有害氣體來不及逸出而形成氣孔。焊件表面的污染物質(zhì)也會對焊縫金屬性能產(chǎn)生很大影響。鎳基合金焊接熔池流動差、熔池“粘”，焊接操作難度大，以及結(jié)晶時氣液相時間短給焊接帶來不利因素。

目前，INCONEL600 鎳基合金材料焊接普遍采用大角度坡口的手工鎢極氬弧焊，熔覆效率低，焊縫易出現(xiàn)夾渣、氣孔等缺陷，并且極易出現(xiàn)焊絲燒損的現(xiàn)象。同時，母材容易氧化的區(qū)域大，降低了母材的耐腐蝕性能，導(dǎo)致焊接質(zhì)量未達(dá)到二級合格水平。經(jīng)過在施工過程中的不斷總結(jié)創(chuàng)新和實踐改進，形成了一個相對成熟的INCONEL600 鎳基合金管道小角度坡口施工方法。傳統(tǒng)的大角度坡口條件下，焊絲較粗，采用“一層一道”焊接。由于熱量的不均勻性，極易出現(xiàn)夾渣、氣孔等缺陷，且不利用晶粒的細(xì)化。為此，在小角度坡口條件下采用多層多道焊技術(shù)，不僅可以明顯減少夾渣、氣孔等缺陷，而且提高了氬氣的保護效果，加快焊接成型速度并提高焊接表面平整美觀度。

（1）針對管道直徑的不同，對焊絲直徑進行細(xì)化分級，結(jié)合小電流、多層焊接的工藝，控制了焊接區(qū)域的熱量和熱影響區(qū)范圍，減輕了對鎢極的燒蝕，縮小了母材氧化區(qū)域，提高了管道抗腐蝕性。

（2）采用后退焊法施工，焊接采用小線能量、窄焊道和保持電弧電壓的溫度，結(jié)合焊絲的預(yù)熱和焊槍小幅螺旋擺動運行方式。小擺動幅度應(yīng)不大于焊條直徑的2.5倍，形成對熔池合金液體的有利攪動，延緩熔池的凝固速度，顯著降低焊縫氣孔夾渣缺陷，保證了焊接質(zhì)量。

通過采用此施工方法，不僅能夠加快INCONEL600鎳基合金管道的施工進度，降低施工成本，而且提高了施工質(zhì)量，具有明顯的經(jīng)濟效益和質(zhì)量效益。

3 焊接施工準(zhǔn)備

3.1 焊接環(huán)境管理

（1）預(yù)制場必要時用腳手架鋼管搭設(shè)防風(fēng)棚，并用彩條布遮擋，防止風(fēng)、雨的影響；

（2）現(xiàn)場作業(yè)期間，氬弧焊時若風(fēng)速≥2m/ s，手工電弧焊時若風(fēng)速≥8m/ s，均應(yīng)采取防風(fēng)措施；

（3）焊接電弧1m 范圍內(nèi)的相對濕度＞90%，室外作業(yè)在雨天應(yīng)停止施焊；

（4）當(dāng)焊件表面潮濕、覆蓋有冰雪，或在下雨、下雪、刮風(fēng)期間，若焊工及焊件無保護措施，不得進行焊接。

3.2 焊接人員的控制

（1）根據(jù)焊接工藝評定所提供的工藝參數(shù)，在技術(shù)人員的指導(dǎo)下組織焊工進行學(xué)習(xí)，并請有經(jīng)驗的焊工師傅作示范，對將參與焊接的焊工進行操作技能培訓(xùn)。所有焊工均必須取得質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的焊工合格證，在現(xiàn)場由業(yè)主組織考試，經(jīng)考試檢測合格后發(fā)放焊工上崗證，才能上崗操作，且只能從事合格證有效范圍內(nèi)的焊接工程。焊工應(yīng)嚴(yán)格按照給定的焊接工藝指導(dǎo)書施焊，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，應(yīng)及時報告有關(guān)人員，不得自行處理。

（2）焊接技術(shù)人員和焊接質(zhì)檢人員由有經(jīng)驗、有能力勝任本職工作的人員擔(dān)任。

（3）無損檢測人員和理化分析人員應(yīng)具備相應(yīng)資格證書。

3.3 材料管理

（1）INCONEL600 材質(zhì)管道及其配件應(yīng)具有生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品合格證及質(zhì)量證明書，經(jīng)復(fù)檢，其規(guī)格、化學(xué)成分、力學(xué)性能及供貨狀態(tài)均應(yīng)符合要求。為了避免材料受到污染，施工前INCONEL600 管子、管件一定要存放在干燥、干凈和安全的倉庫，并指定專人負(fù)責(zé)保管。安裝前車間門窗封閉、地面打掃干凈；安裝過程中工人穿干凈的工作服，戴干凈的手套，不得直接用手摸材料；預(yù)制材料放在干凈的工作平臺上，并用塑料薄膜覆蓋；材料不得與鐵件、地面接觸；在材料表面不得用記號筆作標(biāo)記等。

（2）焊材在使用前，要檢查出廠合格證和材質(zhì)證明書，并進行外觀檢查。

（3）焊接材料分類存放保管，由專人負(fù)責(zé)，統(tǒng)一管理，作好記錄，材料工程師要定期進行檢查。焊材庫應(yīng)配置空氣除濕機、溫濕度記錄儀，以保證溫度在5～35℃之間，濕度不超過60%。焊條、焊絲應(yīng)存放在架子上，架子離地面和墻面的距離不應(yīng)小于300mm，集裝箱可靠墻放置。

3.4 現(xiàn)場施工管理

（1）施工人員使用專用設(shè)備和專用手套施工；

（2）組對時采用專用夾具固定，管內(nèi)兩側(cè)100mm 處襯可溶紙，點焊時充氬氣保護；

（3）收弧時注意填滿弧坑，防止產(chǎn)生弧坑裂紋；

（4）焊接部位設(shè)置擋風(fēng)板擋風(fēng)；

（5）表面質(zhì)量控制：焊縫加強高≤1.5mm，焊縫寬度差≤2mm，不平度≤1mm；

（6）射線探傷要求Ⅱ級合格。3.5 焊接方法的選擇

濱化集團五氟乙烷裝置INCONEL600 鎳基合金管道采用全氬弧焊。

4 INCONEL600 鎳基合金管道小角度坡口施工工藝

4.1 坡口制作

INCONEL鎳基合金管子切割和坡口加工必須采用機械方法。管子可采用砂輪切割機下料切割，坡口使用角向磨光機或管子坡口機進行加工。砂輪切割機和角向磨光機使用的砂輪片必須專用，不得切割或打磨其他材料。坡口用角向磨光機打磨后應(yīng)用挫刀修磨坡口表面，清除砂粒、毛刺。由于采用大角度坡口，焊絲填充材料消耗很大，而鎳及鎳基合金焊絲非常昂貴，因而大大增加了材料成本。經(jīng)過試驗總結(jié)，選用坡口角度15°～20°的小角度坡口，坡口端面間隙為1～2mm。圖1 為坡口制作現(xiàn)場圖。

圖1 坡口制作

4.2 焊前清理

組對前用角向磨光機將坡口及母材兩側(cè)表面20mm范圍內(nèi)的氧化物、油污、熔渣及其他有害雜質(zhì)清理干凈，并將凹凸不平處打磨平整。坡口及其內(nèi)外側(cè)表面不得有裂紋、夾層等缺陷；焊前必須認(rèn)真清理接頭兩側(cè)各100mm范圍，包括鈍邊和坡口。一般采用丙酮、不銹鋼絲刷等清理。

4.3 組對

（1）為避免增加內(nèi)應(yīng)力和產(chǎn)生應(yīng)力集中，壁厚相同時，其內(nèi)壁應(yīng)盡量平齊，內(nèi)壁錯邊量不得大于0.5mm。壁厚不同，內(nèi)壁差大于0.5mm 或外壁差大于2mm 時，不得對焊接接頭進行加熱校正，不得采用強力組對。

（2）組對時應(yīng)墊置牢固，并應(yīng)采取措施防止焊接過程中產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形。圖2 為現(xiàn)場組對。

圖2 現(xiàn)場組對

4.4 焊絲直徑選定

在傳統(tǒng)大角度坡口條件下，焊絲直徑具有廣泛的適用性，從細(xì)管到粗管均可采用2.0mm 或2.4mm 的焊絲。因焊接電流大，增大了焊接母材熱影響區(qū)，導(dǎo)致氧化較為嚴(yán)重，對母材的材質(zhì)和耐蝕性能影響很大。

在小角度坡口條件下，必須使用小的較細(xì)的焊絲和較小的焊接電流，以減小對對母材的熱影響，保證焊完后表面母材基本不變色。選定焊絲規(guī)格為1.0～1.6mm：對5mm 壁厚以下（含5mm）的選用1.0mm 的焊絲，對5mm壁厚以下（含5mm）的選用1.6mm 的焊絲。通過試焊操作，焊絲熔敷效果良好，既保證了填充量足夠，又保證了填充效率。

4.5 操作要點

對于INCONEL600 管道材質(zhì)焊接，通常的焊接操作手法為前進焊法，焊炬指向待焊部位，而且要求焊槍的橫向擺動比較大，以克服焊液“粘性大”、焊接熔池流動性不強的問題。但在小角度坡口的條件下，由于空間有限，不適用傳統(tǒng)的焊槍操作技術(shù)。

采用后退焊法施工，焊接電弧指向已焊完的金屬焊縫，使熔池冷卻緩慢，有利于改善焊接組織，減少未熔合、氣孔、夾渣等缺陷。焊接應(yīng)采用小線能量、窄焊道，并保持電弧電壓的溫度，焊槍由原來的較大幅度“之”字形橫向擺動改為小幅（不大于焊條直徑的2.5 倍）螺旋擺動，改善熔池焊液的流動性，提高了熱利用率，從而提高焊接熔敷效率。

4.6 焊接工藝要點

采用電阻加熱進行預(yù)熱處理，Φ88.9×5.49 及以下規(guī)格管道預(yù)熱溫度選定在50℃左右，Φ88.9×5.49 規(guī)格管道預(yù)熱溫度選定在100℃，焊絲預(yù)熱50～70℃。

打底焊間隙小，并且為了提高內(nèi)外氬氣的保護效果，焊接時必須迅速成形，采用一層一道。填充層根據(jù)管道規(guī)格選用多層多道，焊接時選用細(xì)焊絲，蓋面層選用較粗的焊絲，采用一層一道，要求蓋面層熔敷層厚度約1mm 左右，并且焊接表面成型美觀。

4.7 焊接工藝參數(shù)

（1）坡口角度15°～20°，坡口端面間隙1～2mm。

（2）焊絲預(yù)熱溫度50～70℃，Φ88.9×5.49 及以下規(guī)格管道預(yù)熱溫度選定在50℃左右，Φ88.9×5.49 規(guī)格管道預(yù)熱溫度選定在100℃左右。

（3）焊接電源種類：直流；極性：正接；焊接電流80～110A、電弧電壓12～17V；焊絲為氬弧焊絲ERNiCr- 3 直徑1.6mm；焊把氬氣流量10l/ min、充氣氬氣流量8L/ min；鎢棒直徑1.2mm、噴嘴直徑5mm；焊接速度7～10cm/ min；焊接層數(shù)：單層。

（4）焊接層道：打底層1 道，填充層2 道，蓋面層2～3 道。

4.8 焊后清理

焊后將焊縫表面的飛濺、焊渣等清理干凈，并用砂輪打磨修整。

4.9 外觀檢查

(1）焊縫外觀成型應(yīng)良好，且應(yīng)平滑過渡；焊縫寬度應(yīng)以每邊超過坡口邊緣2mm 為宜，焊縫表面不得低于母材表面；焊縫余高（?h）應(yīng)符合下列要求：100%射線檢測焊接接頭，?h ≤1+0.1b（b 為焊縫寬度），且不應(yīng)大于2mm；其余焊接接頭，?h≤1+0.2b（b 為焊縫寬度），且不應(yīng)大于3mm。

(2）焊縫表面不允許有裂紋、未熔合、氣孔、夾渣和飛濺等缺陷存在。

4.10 無損檢測

X 射線無損檢測合格標(biāo)準(zhǔn)：Ⅱ級合格。

4.11 系統(tǒng)強度性試驗

（1）經(jīng)檢驗合格的預(yù)制管道按單線圖進行管道安裝，安裝時不能用強制方法固定管子。從事現(xiàn)場作業(yè)的焊工應(yīng)全位置焊接培訓(xùn)考試合格。

（2）管道安裝完畢后，按規(guī)范規(guī)定和設(shè)計要求進行水壓試驗、水沖洗和化學(xué)脫脂。

5 技術(shù)措施

（1）嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)，提高焊縫一次合格率；

（2）挑選操作技能水平高、責(zé)任心強的焊工進行培訓(xùn)，使之熟練掌握焊接操作技能；

（3）及時進行并迅速反饋焊縫探傷結(jié)果，對返修焊縫中所出現(xiàn)的缺陷認(rèn)真查找原因，提出預(yù)防措施；

（4）為焊工提供性能可靠、能滿足焊接施工要求的焊機和清理工具。

6 其他措施

（1）嚴(yán)格執(zhí)行原材料的檢查驗收制度，嚴(yán)禁不符合質(zhì)量要求的材料進入施工現(xiàn)場。

（2）投入優(yōu)良的施工設(shè)備，定期維修施工機械設(shè)備，確保施工機具完好率和利用率，保證施工正常進行，施工人員正確操作施工機械。認(rèn)真執(zhí)行計量管理標(biāo)準(zhǔn)，按計量檢測標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范配備符合要求的計量器具。

（3）對于不合格產(chǎn)品，嚴(yán)格控制，及時消除質(zhì)量隱患。

（4）堅持“三工序”原則，即施工人員要干好本道工序，保護上道工序，服務(wù)下道工序；運用“目測、量測、試驗”等手段做好自檢、互檢、專檢工作；利用質(zhì)量專題會議形式定期分析總結(jié)質(zhì)量情況，找出質(zhì)量控制因素，確保管道施工質(zhì)量的控制。

（5）合理安排施工進度和焊接工作量，合理解決焊接質(zhì)量、焊縫探傷與施工進度之間的關(guān)系。

（6）焊工、專職質(zhì)檢員及無損檢測人員嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。

（7）管道下料、組對、焊接、熱處理等每道工序必須經(jīng)過業(yè)主、監(jiān)理驗收，并做好過程中的控制記錄。

7 結(jié)論

INCONEL600 鎳基合金管道小角度坡口施工工藝成功應(yīng)用于濱化集團五氟乙烷項目的四氯乙烯裝置上，嚴(yán)格按照焊接方法及要求進行INCONEL600 管道焊接。焊接過程中控制好焊接間隙，以及母材和焊絲預(yù)熱溫度，對焊縫的質(zhì)量具有至關(guān)重要的影響。該技術(shù)不僅施工進度快，而且成本大大降低。焊后經(jīng)無損檢測，焊接合格率高，焊接質(zhì)量優(yōu)良。