INCONEL600 镍基合金管道小角度坡口焊接施工方法

温兴奇 彭琴琴

中国化学工程第十六建设有限公司 湖北 宜昌 443000

INCONEL600 管道材料为Ni- Cr- Fe 合金，属于镍基合金的一种。INCONEL600 镍基合金材料由于其优良的抗腐蚀性能，广泛应用于石油化工等各行各业。在中国化学工程第十六建设有限公司承接的各类项目中，该种材质及类似材质使用越来越多，经过在施工过程中的不断总结创新和实践改进，形成了一个相对成熟的INCONEL600 镍基合金管道小角度坡口施工方法。以滨化集团五氟乙烷装置INCONEL600 镍基合金管道为例，介绍镍基合金的小角度坡口焊接工艺。INCONEL600 镍基合金管道规格见表1。

表1 INCONEL600 镍基合金管道规格一览表

1 INCONEL600 镍基合金性能分析

INCONEL600 的Ni- Cr- Fe 基固溶强化合金熔点高、耐热、耐腐蚀、强度高，在高温下具有良好的抗氧化性和抗渗碳性，在室温和略高于室温的条件下具有良好的机械性能。但INCONEL600 镍基合金导热性差，在结晶时晶粒有严重的长大倾向，易导致晶粒粗大，且焊缝金属中含有的S、P、Si、Sb 等元素容易与Ni 形成低熔点共晶，产生热裂纹。热输入过大时，易形成方向性强的单相奥氏体组织，杂质偏析严重，易产生热裂纹；若收弧不当，易产生弧坑裂纹；受焊接热循环影响，近缝区有产生液化裂纹的倾向，且液体流动性能较差，易发生融合现象，焊接难度大，合格率偏低。INCONEL600 的物理性能及化学成分等分别见表2 和表3。

表2 INCONEL600 的物理性能

表3 INCONEL600 的化学成分

2 INCONEL600 镍基合金材料焊接工艺分析

INCONEL600 镍基合金材料焊接时，有低熔点共晶化合物 (Ni2S2 共晶温度为645℃,Ni2P 共晶温度为990℃）的液态膜残留在晶界区,由于收缩应力的作用而开裂，形成弧坑裂纹和焊道裂纹，且有害气体来不及逸出而形成气孔。焊件表面的污染物质也会对焊缝金属性能产生很大影响。镍基合金焊接熔池流动差、熔池“粘”，焊接操作难度大，以及结晶时气液相时间短给焊接带来不利因素。

目前，INCONEL600 镍基合金材料焊接普遍采用大角度坡口的手工钨极氩弧焊，熔覆效率低，焊缝易出现夹渣、气孔等缺陷，并且极易出现焊丝烧损的现象。同时，母材容易氧化的区域大，降低了母材的耐腐蚀性能，导致焊接质量未达到二级合格水平。经过在施工过程中的不断总结创新和实践改进，形成了一个相对成熟的INCONEL600 镍基合金管道小角度坡口施工方法。传统的大角度坡口条件下，焊丝较粗，采用“一层一道”焊接。由于热量的不均匀性，极易出现夹渣、气孔等缺陷，且不利用晶粒的细化。为此，在小角度坡口条件下采用多层多道焊技术，不仅可以明显减少夹渣、气孔等缺陷，而且提高了氩气的保护效果，加快焊接成型速度并提高焊接表面平整美观度。

（1）针对管道直径的不同，对焊丝直径进行细化分级，结合小电流、多层焊接的工艺，控制了焊接区域的热量和热影响区范围，减轻了对钨极的烧蚀，缩小了母材氧化区域，提高了管道抗腐蚀性。

（2）采用后退焊法施工，焊接采用小线能量、窄焊道和保持电弧电压的温度，结合焊丝的预热和焊枪小幅螺旋摆动运行方式。小摆动幅度应不大于焊条直径的2.5倍，形成对熔池合金液体的有利搅动，延缓熔池的凝固速度，显著降低焊缝气孔夹渣缺陷，保证了焊接质量。

通过采用此施工方法，不仅能够加快INCONEL600镍基合金管道的施工进度，降低施工成本，而且提高了施工质量，具有明显的经济效益和质量效益。

3 焊接施工准备

3.1 焊接环境管理

（1）预制场必要时用脚手架钢管搭设防风棚，并用彩条布遮挡，防止风、雨的影响；

（2）现场作业期间，氩弧焊时若风速≥2m/ s，手工电弧焊时若风速≥8m/ s，均应采取防风措施；

（3）焊接电弧1m 范围内的相对湿度＞90%，室外作业在雨天应停止施焊；

（4）当焊件表面潮湿、覆盖有冰雪，或在下雨、下雪、刮风期间，若焊工及焊件无保护措施，不得进行焊接。

3.2 焊接人员的控制

（1）根据焊接工艺评定所提供的工艺参数，在技术人员的指导下组织焊工进行学习，并请有经验的焊工师傅作示范，对将参与焊接的焊工进行操作技能培训。所有焊工均必须取得质量技术监督局颁发的焊工合格证，在现场由业主组织考试，经考试检测合格后发放焊工上岗证，才能上岗操作，且只能从事合格证有效范围内的焊接工程。焊工应严格按照给定的焊接工艺指导书施焊，当出现异常情况时，应及时报告有关人员，不得自行处理。

（2）焊接技术人员和焊接质检人员由有经验、有能力胜任本职工作的人员担任。

（3）无损检测人员和理化分析人员应具备相应资格证书。

3.3 材料管理

（1）INCONEL600 材质管道及其配件应具有生产厂家的产品合格证及质量证明书，经复检，其规格、化学成分、力学性能及供货状态均应符合要求。为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、干净和安全的仓库，并指定专人负责保管。安装前车间门窗封闭、地面打扫干净；安装过程中工人穿干净的工作服，戴干净的手套，不得直接用手摸材料；预制材料放在干净的工作平台上，并用塑料薄膜覆盖；材料不得与铁件、地面接触；在材料表面不得用记号笔作标记等。

（2）焊材在使用前，要检查出厂合格证和材质证明书，并进行外观检查。

（3）焊接材料分类存放保管，由专人负责，统一管理，作好记录，材料工程师要定期进行检查。焊材库应配置空气除湿机、温湿度记录仪，以保证温度在5～35℃之间，湿度不超过60%。焊条、焊丝应存放在架子上，架子离地面和墙面的距离不应小于300mm，集装箱可靠墙放置。

3.4 现场施工管理

（1）施工人员使用专用设备和专用手套施工；

（2）组对时采用专用夹具固定，管内两侧100mm 处衬可溶纸，点焊时充氩气保护；

（3）收弧时注意填满弧坑，防止产生弧坑裂纹；

（4）焊接部位设置挡风板挡风；

（5）表面质量控制：焊缝加强高≤1.5mm，焊缝宽度差≤2mm，不平度≤1mm；

（6）射线探伤要求Ⅱ级合格。3.5 焊接方法的选择

滨化集团五氟乙烷装置INCONEL600 镍基合金管道采用全氩弧焊。

4 INCONEL600 镍基合金管道小角度坡口施工工艺

4.1 坡口制作

INCONEL镍基合金管子切割和坡口加工必须采用机械方法。管子可采用砂轮切割机下料切割，坡口使用角向磨光机或管子坡口机进行加工。砂轮切割机和角向磨光机使用的砂轮片必须专用，不得切割或打磨其他材料。坡口用角向磨光机打磨后应用挫刀修磨坡口表面，清除砂粒、毛刺。由于采用大角度坡口，焊丝填充材料消耗很大，而镍及镍基合金焊丝非常昂贵，因而大大增加了材料成本。经过试验总结，选用坡口角度15°～20°的小角度坡口，坡口端面间隙为1～2mm。图1 为坡口制作现场图。

图1 坡口制作

4.2 焊前清理

组对前用角向磨光机将坡口及母材两侧表面20mm范围内的氧化物、油污、熔渣及其他有害杂质清理干净，并将凹凸不平处打磨平整。坡口及其内外侧表面不得有裂纹、夹层等缺陷；焊前必须认真清理接头两侧各100mm范围，包括钝边和坡口。一般采用丙酮、不锈钢丝刷等清理。

4.3 组对

（1）为避免增加内应力和产生应力集中，壁厚相同时，其内壁应尽量平齐，内壁错边量不得大于0.5mm。壁厚不同，内壁差大于0.5mm 或外壁差大于2mm 时，不得对焊接接头进行加热校正，不得采用强力组对。

（2）组对时应垫置牢固，并应采取措施防止焊接过程中产生附加应力和变形。图2 为现场组对。

图2 现场组对

4.4 焊丝直径选定

在传统大角度坡口条件下，焊丝直径具有广泛的适用性，从细管到粗管均可采用2.0mm 或2.4mm 的焊丝。因焊接电流大，增大了焊接母材热影响区，导致氧化较为严重，对母材的材质和耐蚀性能影响很大。

在小角度坡口条件下，必须使用小的较细的焊丝和较小的焊接电流，以减小对对母材的热影响，保证焊完后表面母材基本不变色。选定焊丝规格为1.0～1.6mm：对5mm 壁厚以下（含5mm）的选用1.0mm 的焊丝，对5mm壁厚以下（含5mm）的选用1.6mm 的焊丝。通过试焊操作，焊丝熔敷效果良好，既保证了填充量足够，又保证了填充效率。

4.5 操作要点

对于INCONEL600 管道材质焊接，通常的焊接操作手法为前进焊法，焊炬指向待焊部位，而且要求焊枪的横向摆动比较大，以克服焊液“粘性大”、焊接熔池流动性不强的问题。但在小角度坡口的条件下，由于空间有限，不适用传统的焊枪操作技术。

采用后退焊法施工，焊接电弧指向已焊完的金属焊缝，使熔池冷却缓慢，有利于改善焊接组织，减少未熔合、气孔、夹渣等缺陷。焊接应采用小线能量、窄焊道，并保持电弧电压的温度，焊枪由原来的较大幅度“之”字形横向摆动改为小幅（不大于焊条直径的2.5 倍）螺旋摆动，改善熔池焊液的流动性，提高了热利用率，从而提高焊接熔敷效率。

4.6 焊接工艺要点

采用电阻加热进行预热处理，Φ88.9×5.49 及以下规格管道预热温度选定在50℃左右，Φ88.9×5.49 规格管道预热温度选定在100℃，焊丝预热50～70℃。

打底焊间隙小，并且为了提高内外氩气的保护效果，焊接时必须迅速成形，采用一层一道。填充层根据管道规格选用多层多道，焊接时选用细焊丝，盖面层选用较粗的焊丝，采用一层一道，要求盖面层熔敷层厚度约1mm 左右，并且焊接表面成型美观。

4.7 焊接工艺参数

（1）坡口角度15°～20°，坡口端面间隙1～2mm。

（2）焊丝预热温度50～70℃，Φ88.9×5.49 及以下规格管道预热温度选定在50℃左右，Φ88.9×5.49 规格管道预热温度选定在100℃左右。

（3）焊接电源种类：直流；极性：正接；焊接电流80～110A、电弧电压12～17V；焊丝为氩弧焊丝ERNiCr- 3 直径1.6mm；焊把氩气流量10l/ min、充气氩气流量8L/ min；钨棒直径1.2mm、喷嘴直径5mm；焊接速度7～10cm/ min；焊接层数：单层。

（4）焊接层道：打底层1 道，填充层2 道，盖面层2～3 道。

4.8 焊后清理

焊后将焊缝表面的飞溅、焊渣等清理干净，并用砂轮打磨修整。

4.9 外观检查

(1）焊缝外观成型应良好，且应平滑过渡；焊缝宽度应以每边超过坡口边缘2mm 为宜，焊缝表面不得低于母材表面；焊缝余高（∆h）应符合下列要求：100%射线检测焊接接头，∆h ≤1+0.1b（b 为焊缝宽度），且不应大于2mm；其余焊接接头，∆h≤1+0.2b（b 为焊缝宽度），且不应大于3mm。

(2）焊缝表面不允许有裂纹、未熔合、气孔、夹渣和飞溅等缺陷存在。

4.10 无损检测

X 射线无损检测合格标准：Ⅱ级合格。

4.11 系统强度性试验

（1）经检验合格的预制管道按单线图进行管道安装，安装时不能用强制方法固定管子。从事现场作业的焊工应全位置焊接培训考试合格。

（2）管道安装完毕后，按规范规定和设计要求进行水压试验、水冲洗和化学脱脂。

5 技术措施

（1）严格执行焊接工艺标准，提高焊缝一次合格率；

（2）挑选操作技能水平高、责任心强的焊工进行培训，使之熟练掌握焊接操作技能；

（3）及时进行并迅速反馈焊缝探伤结果，对返修焊缝中所出现的缺陷认真查找原因，提出预防措施；

（4）为焊工提供性能可靠、能满足焊接施工要求的焊机和清理工具。

6 其他措施

（1）严格执行原材料的检查验收制度，严禁不符合质量要求的材料进入施工现场。

（2）投入优良的施工设备，定期维修施工机械设备，确保施工机具完好率和利用率，保证施工正常进行，施工人员正确操作施工机械。认真执行计量管理标准，按计量检测标准、规范配备符合要求的计量器具。

（3）对于不合格产品，严格控制，及时消除质量隐患。

（4）坚持“三工序”原则，即施工人员要干好本道工序，保护上道工序，服务下道工序；运用“目测、量测、试验”等手段做好自检、互检、专检工作；利用质量专题会议形式定期分析总结质量情况，找出质量控制因素，确保管道施工质量的控制。

（5）合理安排施工进度和焊接工作量，合理解决焊接质量、焊缝探伤与施工进度之间的关系。

（6）焊工、专职质检员及无损检测人员严把质量关。

（7）管道下料、组对、焊接、热处理等每道工序必须经过业主、监理验收，并做好过程中的控制记录。

7 结论

INCONEL600 镍基合金管道小角度坡口施工工艺成功应用于滨化集团五氟乙烷项目的四氯乙烯装置上，严格按照焊接方法及要求进行INCONEL600 管道焊接。焊接过程中控制好焊接间隙，以及母材和焊丝预热温度，对焊缝的质量具有至关重要的影响。该技术不仅施工进度快，而且成本大大降低。焊后经无损检测，焊接合格率高，焊接质量优良。