哈氏合金B3工艺管道的焊接

2011-09-24鲍广东

石油化工建设 2011年1期

关键词：哈氏焊丝熔池

鲍广东

中国化学工程第三建设有限公司安徽淮南 232000

哈氏合金B3工艺管道的焊接

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中国化学工程第三建设有限公司安徽淮南 232000

1 哈氏合金B3简介

在江苏张家港一德资项目中，我公司遇到哈氏合金B3工艺管道的安装施工，其管道内介质为沸腾状高浓度的盐酸。由于哈氏合金B3合金管道是一种新材料，在国内没有成熟的焊接工艺和较为完整的施工经验。我们查阅了大量资料，做了焊接工艺评定，对焊接人员进行了培训，最后地顺利地完成了该项目的施工。

哈氏合金B3（以下简称B3合金）是哈氏合金系列产品的一个品种，哈氏合金属于镍基合金，英文名称为Hastelloy，是美国Haynes International Inc公司的一个商标，哈氏合金主要可分为 B、C、D、G、N、X、HR 等系列，均以耐腐蚀、抗高温或同时具备以上两种特性为主要特点的材料。其中B系列合金是镍钼合金，主要针对还原环境，其中B3合金是二十世纪九十年代开发出来产品，针对先前开发的哈氏合金B2的弱点，在化学成分做了调整，它的热稳定性、耐腐蚀性比哈氏合金B2有了大幅度地提高。

B3合金的标准化学成分，重量百分比如下[1]：

在室温下B3合金的密度是9.22×103kg/m3，比钢铁的密度稍大；B3合金的熔化温度区间为1370～1418℃。

B3合金对于任何温度和浓度的盐酸都有极好的抗腐蚀性，凡使用盐酸介质场合，B3合金管道及容器均可适用。同时它对于硫酸、乙酸、蚁酸、磷酸及其它不具有氧化性的介质也具有良好的抗腐蚀性，而且它的热稳定性非常良好。B3合金对点腐蚀、应力腐蚀开裂、刀状腐蚀和焊接的热影响区的腐蚀等均有很高的抵抗能力。

2 哈氏合金B3的焊接特性

B3合金和其它镍基合金一样，熔化后很粘。这与镍金属本身特性，即导热系数大、固液相温度区间小、液态金属黏度大、流动性差有关[2]。B3合金熔化区间是1370～1418℃，比较小，液态焊缝金属流动性差，不容易流动和润湿侧边，需要小心操作电弧和焊材。另外由于焊接金属的“粘性”，B3合金要比典型的碳钢和不锈钢难焊透，由于这种“低穿透”的特性，增大了熔融不完全的可能性。

3 哈氏合金B3焊接工艺评定

3.1 焊材的选择

由于B3合金材料开发较晚，引进我国还是近几年的事，我国的相关规范上有一些哈氏合金焊材的标准，还没有B3合金焊材的标准和介绍。

我们查阅了美国焊接协会规范AWS中有两个关于B3合金焊接材料的标准[3.4]，采用的焊条和焊丝分别是：

Hanyes Internatioal可以提供的直焊丝规格如下[5]：

直焊丝 1.6mm(0.062in)，2.4mm(0.094in)，3.2mm(0.125in)

3.2 母材和焊接位置的选择

我们现场截取一段Φ114.3×2.4mm管道，600mm长，作为评定的母材，采用坡口对接焊缝试件，具有“覆盖性”较好地45°固定向上焊（6G）位置[6]。

3.3 焊接坡口的设计

对B3合金的对焊坡口，宜采用“大坡口”，本实验用母材较薄，未做坡口处理，根部间距为2mm。

3.4 焊接方法

我们采用的是手工钨极气体保护弧焊（GTAW），焊机电源配备高频启动，为了提高电弧的稳定性，在工件上形成窄而深的熔池，来尽量减弱焊接B3合金的“粘性”，电极极性是直流正接(DCEN)。钨极直径为1.6/2.4mm，电流为50～95A，电压为9～12V。焊接实验在室内，温度为8℃，湿度为60%，熔敷焊缝厚度为3mm，层间温度为60～80℃。

3.5 保护气体

手工GTAW焊接B3合金时选用焊接级99.996%或以上的高纯氩气，当采用全氩气保护时氩气流速约为11.8～14.2L/min；采用氩氢混合保护气体时，氢气的含量要控制在15%以下，可提高电弧的温度，增加熔透能力，提高焊接速度，防止咬边，另外，氢气具有还原作用，可防止CO气孔的形成，也非常适合焊接B3合金管道，但考虑氢氩混合保护气体的使用成本很高，我们采用的是全氩气保护气。

3.6 射线探伤

焊接完成后，按照GB3323-2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》，对试验B3合金管道环缝采用双壁单影透照法进行X射线探伤，定区选取缺陷最严重的10×10mm的部位，没有发现裂纹、未熔合、未焊透等缺陷，但X光片最大圆形缺陷点数为3个，可以评为II级合格[7]。

3.7 弯曲及拉伸试验

X射线探伤合格后，按照GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》，并参照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》对B3合金焊接接头进行了拉伸试验，按照GB232-1999《金属材料弯曲试验方法》，并参照ASME第IX卷标准对B3合金焊接接头进行了弯曲试验。

弯曲试验用的试验分为四组，分别为面弯两组，背弯两组。弯曲试验试样长度为152mm，宽度为38mm，弯曲直径均为试件B3合金管道厚度的四倍，即9.6mm，接头处按照ASME标准进行了打磨处理。实验报告如下表，可见实验结果达到了要求。

4 现场B3合金工艺管道施工注意事项

4.1 B3合金的切割和打磨

焊接区域的准备对焊接抗腐蚀镍基合金来说非常重要，B3合金也是一样。B3合金可以使用等离子切割/刨，机加工，打磨等方法，一定要在焊接前把切割的边界区域清理干净，达到光亮程度，打磨时应采用专用的有一定导热性的80粒度碳化硅磨片砂轮，也可采用打磨奥氏体不锈钢的专用增强树脂砂轮进行打磨，以提高清理的质量和效率。

除了焊接角坡口，在焊接区域上表面和下表面(正面和根部)都要用磨片砂轮磨出25mm宽度的金属光泽区域，对B3合金管道来说，需要角向磨光机和内磨头来打磨管道焊接区域的内表面。如果表面的锈垢不除去，焊接金属就会和锈垢连在一起造成母材底部开裂，焊接和相邻区域在焊接之前必须彻底清洁。

4.2 B3合金的焊口清理

所有的油脂，粉笔印，机加工溶液，腐蚀产品，颜料，锈垢，探伤染料及其它杂物都必须被彻底清除。焊缝每侧清理区域向外延伸50mm，包括钝边和坡口。

B3合金焊口区域按照被清理物质的种类可以采用不同的清理方法。车间污物、油脂可用蒸汽脱脂或用丙酮及其他溶液去除；对于不溶于脱脂剂的漆和其它杂物，可用氯甲烷、碱等合成剂清洗，标志墨水一般用甲醇清洗。由于毒性因素，应尽量不用四氯化碳和二氯乙烷清洗，被压入焊件表面的杂质，可用磨削、喷丸或盐酸溶液(10%体积比)清洗并用清水洗净。

4.3 焊接要点

由于B3合金熔化区间小，液态金属流动性差，“低穿透”等特点，需要采用小线能量、快速焊，适当稍稍增大电流来增加熔深，解决熔池“粘性”问题，同时，通过增大母材坡口角度和焊工的合理操作，尽量不摆动或稍摆动来解决液态焊缝金属流动性差，不容易流动和润湿侧边等问题。

焊枪在焊接时要尽量垂直于焊件，采用窄的焊道，只用刚刚够的电流熔化基体金属和焊材就可以了。在焊接中，焊丝端部一定要在保护气中，防止氧化和由此造成的焊缝金属污染。焊接过程熔池要保持平静，避免焊丝搅动熔池。焊丝应在熔池的前端进入熔池，以避免接触钨极。下图1是现场焊接图。