基于ASME规范的镍基合金耐蚀堆焊工艺评定

耿亚鸽 白天祥 于成科

（1.河南省锅炉压力容器安全检测研究院；2.中国石油天然气第一建设有限公司）

固溶强化镍基合金（如N08825）具有良好的耐点腐蚀和缝隙腐蚀性能，在氧化和还原环境下均具有抗酸（如硫酸、磷酸、硝酸和有机酸）、碱金属（如氢氧化钠、氢氧化钾和盐酸溶液）腐蚀性能，同时其高镍成分使得该合金具有有效的抗应力腐蚀开裂性能，因此在油气田开采中得到广泛的应用［1～3］。

在镍基合金复合材料压力容器制造过程中，经常会涉及到耐蚀堆焊层的焊接。 制定合理的耐蚀堆焊工艺，并进行相应的焊接工艺评定，对于保证压力容器焊接质量和产品制造质量具有重要意义。

1 压力容器概况

国外某原油开采处理项目中有4台导热油-原油换热器，均按照ASME 规范进行设计和制造［4］。 壳程介质为导热油，主体材料为SA-516M Gr.415；管程介质为原油，主体材料为SA-516MGr.415+UNS N08825， 换热管材料为SB-163M UNS N08825。

该压力容器制造时的难点是镍基复合板的焊接和耐蚀堆焊层的焊接。 为提高与原油接触部位材料的抗腐蚀性能，换热器的固定管板、管箱法兰、浮头法兰及接管法兰等部件都需要进行耐蚀堆焊。 通过查阅相关文献并根据以往的制造经验，按照设计资料和技术文件的要求，初步选定ENiCrMo-3作为堆焊材料，依据ASME规范进行焊条电弧焊的堆焊工艺评定。 ENiCrMo-3证明书中显示的化学成分见表1。

表1 ENiCrMo-3化学成分 %

2 预焊接工艺规程

ASME BPVC.IX—2019中并无 “预焊接工艺规程”这个术语［4］，但通读ASME BPVC.IX—2019可以看出，“WPS-Welding Process Specification”是正式进行工艺评定之前初步拟定的焊接工艺，故参照NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》中的术语和定义［5］，将此处的焊接工艺文件称为预焊接工艺规程。

根 据ASME BPVC.IX—2019 中QW-453 的 相关规定，堆焊工艺评定试件厚度T＜25 mm时，适用的焊件基层厚度为“T～最大厚度不限”，因此选取母材厚度相对较小的钢板。 基层材料为SA-516M Gr.415，钢板厚度10.0 mm；堆焊层焊材为ENiCrMo-3， 堆焊层厚度4.5 mm； 焊接方法采用焊条电弧焊，焊条直径3.2 mm，焊接层数2层，采用直流反接。 堆焊工艺评定试件如图1所示。

图1 堆焊工艺评定试件示意图

堆焊工艺评定试件焊接时拟采用的焊接参数见表2。 焊前应注意按照产品说明书中的相关要求对焊条进行烘干，同时对试件基材表面进行清理，去除可能存在的铁锈、油污及水分等不洁物。 由于镍基合金具有高的焊接热裂纹敏感性，在堆焊时应注意层（道）间温度，一般控制在100 ℃以下。 焊接完成后进行620 ℃±20 ℃的焊后热处理，保温时间2.5 h。

表2 堆焊焊接参数

3 堆焊工艺评定

根 据ASME BPVC.IX—2019 中QW-453 的 相关规定，堆焊工艺评定需要进行渗透检测、弯曲试验及化学成分分析（压力容器制造技术要求中有规定）等。 另外，如果设计文件规定或者技术文件中如果有特殊要求时，还应增加相应的检验项目。 根据该压力容器制造技术要求，本次评定的其他检验项目还有硬度检测、点蚀检测、应力腐蚀开裂试验和晶间腐蚀敏感性检测。

3.1 渗透检测

按照ASME规范第6章的相关要求，对评定试样堆焊层表面进行渗透检测， 并依据ASME BPVC.IX—2019中的QW-195.2进行验收， 结果未发现相关线性显示、 大于5 mm的相关圆形显示等，故检测结果合格。

3.2 弯曲试验

依据ASME BPVC.IX—2019中QW-160和QW-453的相关要求进行试样准备， 在平行和垂直于焊接方向各切取两个弯曲试样，试样的横截面近似矩形，试样厚度10 mm。 对这4个试样进行侧弯试验，弯曲直径40 mm，支距63 mm。 试验后沿任何方向测量，4个试样均未发现开口缺陷，试验结果合格。

3.3 化学成分分析

在距基层熔合线2～3 mm的堆焊层上取样进行化学成分分析，结果见表3，可以看出评定试样化学成分和材料证明书中的基本一致，评定结果合格。

表3 评定试样化学成分 %

3.4 硬度检测

对评定试样进行硬度检测，检测结果列于表4，由表4可以看出，硬度值符合技术文件规定的要求（基层硬度不大于248HV10，堆焊层和熔合线的硬度不大于315HV10， 单个硬度值不大于345HV10）。

表4 评定试样硬度检测结果

3.5 点蚀检测

在堆焊层上取一组（3个）试样，依据ASTM G48-11（R2015）［6］中的A法进行FeCl3点蚀试验，结果见表5。 试验结果表明，试样在温度为50 ℃±2 ℃的6%FeCl3溶液中，经过72 h试验后的平均腐蚀速率仅为0.12 g/m2。另外，在20倍显微镜下检查试样表面，3个试样表面均未发现明显的点蚀痕迹。

表5 点蚀试验结果

3.6 应力腐蚀开裂试验

表6 抗应力腐蚀开裂性能试验结果

3.7 晶间腐蚀敏感性检测

在距基层2～3 mm的堆焊层上取一组（3个）试样，依据ASTM G28-02（R2015）［7］中的A法进行晶间腐蚀敏感性检测，结果见表7。 试验结果表明，试样在50%沸腾硫酸铁-硫酸溶液中， 经过120 h试验后的腐蚀速率满足技术文件要求。

表7 晶间腐蚀敏感性检测结果

4 结束语

对于镍基复合板换热器上需要耐蚀堆焊的部件，采用焊条电弧焊方法，以ENiCrMo-3作为堆焊材料，焊接时注意基层材料表面的清理，同时控制层（道）间温度不高于100 ℃，依据ASME规范进行焊接工艺评定。 经过渗透检测、弯曲试验、化学成分分析、硬度检测、点蚀检测、应力腐蚀开裂试验和晶间腐蚀敏感性检测项目的检验，耐蚀堆焊工艺评定合格。 可以根据该焊接工艺评定制定相应的焊接工艺规程，进行压力容器的制造施焊工作。