哈氏合金B3工藝管道的焊接

鮑廣東

中國化學工程第三建設有限公司 安徽淮南 232000

哈氏合金B3工藝管道的焊接

鮑廣東

中國化學工程第三建設有限公司 安徽淮南 232000

1 哈氏合金B3簡介

在江蘇張家港一德資項目中，我公司遇到哈氏合金B3工藝管道的安裝施工，其管道內介質為沸騰狀高濃度的鹽酸。由于哈氏合金B3合金管道是一種新材料，在國內沒有成熟的焊接工藝和較為完整的施工經驗。我們查閱了大量資料，做了焊接工藝評定，對焊接人員進行了培訓，最后地順利地完成了該項目的施工。

哈氏合金B3（以下簡稱B3合金）是哈氏合金系列產品的一個品種，哈氏合金屬于鎳基合金，英文名稱為Hastelloy，是美國Haynes International Inc公司的一個商標，哈氏合金主要可分為 B、C、D、G、N、X、HR 等系列，均以耐腐蝕、抗高溫或同時具備以上兩種特性為主要特點的材料。其中B系列合金是鎳鉬合金，主要針對還原環境，其中B3合金是二十世紀九十年代開發出來產品，針對先前開發的哈氏合金B2的弱點，在化學成分做了調整，它的熱穩定性、耐腐蝕性比哈氏合金B2有了大幅度地提高。

B3合金的標準化學成分，重量百分比如下[1]：

在室溫下B3合金的密度是9.22×103kg/m3，比鋼鐵的密度稍大；B3合金的熔化溫度區間為1370～1418℃。

B3合金對于任何溫度和濃度的鹽酸都有極好的抗腐蝕性，凡使用鹽酸介質場合，B3合金管道及容器均可適用。同時它對于硫酸、乙酸、蟻酸、磷酸及其它不具有氧化性的介質也具有良好的抗腐蝕性，而且它的熱穩定性非常良好。B3合金對點腐蝕、應力腐蝕開裂、刀狀腐蝕和焊接的熱影響區的腐蝕等均有很高的抵抗能力。

2 哈氏合金B3的焊接特性

B3合金和其它鎳基合金一樣，熔化后很粘。這與鎳金屬本身特性，即導熱系數大、固液相溫度區間小、液態金屬黏度大、流動性差有關[2]。B3合金熔化區間是1370～1418℃，比較小，液態焊縫金屬流動性差，不容易流動和潤濕側邊，需要小心操作電弧和焊材。另外由于焊接金屬的“粘性”，B3合金要比典型的碳鋼和不銹鋼難焊透，由于這種“低穿透”的特性，增大了熔融不完全的可能性。

3 哈氏合金B3焊接工藝評定

3.1 焊材的選擇

由于B3合金材料開發較晚，引進我國還是近幾年的事，我國的相關規范上有一些哈氏合金焊材的標準，還沒有B3合金焊材的標準和介紹。

我們查閱了美國焊接協會規范AWS中有兩個關于B3合金焊接材料的標準[3.4]，采用的焊條和焊絲分別是：

Hanyes Internatioal可以提供的直焊絲規格如下[5]：

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

3.2 母材和焊接位置的選擇

我們現場截取一段Φ114.3×2.4mm管道，600mm長，作為評定的母材，采用坡口對接焊縫試件，具有“覆蓋性”較好地45°固定向上焊（6G）位置[6]。

3.3 焊接坡口的設計

對B3合金的對焊坡口，宜采用“大坡口”，本實驗用母材較薄，未做坡口處理，根部間距為2mm。

3.4 焊接方法

我們采用的是手工鎢極氣體保護弧焊（GTAW），焊機電源配備高頻啟動，為了提高電弧的穩定性，在工件上形成窄而深的熔池，來盡量減弱焊接B3合金的“粘性”，電極極性是直流正接(DCEN)。鎢極直徑為1.6/2.4mm，電流為50～95A，電壓為9～12V。焊接實驗在室內，溫度為8℃，濕度為60%，熔敷焊縫厚度為3mm，層間溫度為60～80℃。

3.5 保護氣體

手工GTAW焊接B3合金時選用焊接級99.996%或以上的高純氬氣，當采用全氬氣保護時氬氣流速約為11.8～14.2L/min；采用氬氫混合保護氣體時，氫氣的含量要控制在15%以下，可提高電弧的溫度，增加熔透能力，提高焊接速度，防止咬邊，另外，氫氣具有還原作用，可防止CO氣孔的形成，也非常適合焊接B3合金管道，但考慮氫氬混合保護氣體的使用成本很高，我們采用的是全氬氣保護氣。

3.6 射線探傷

焊接完成后，按照GB3323-2005《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》，對試驗B3合金管道環縫采用雙壁單影透照法進行X射線探傷，定區選取缺陷最嚴重的10×10mm的部位，沒有發現裂紋、未熔合、未焊透等缺陷，但X光片最大圓形缺陷點數為3個，可以評為II級合格[7]。

3.7 彎曲及拉伸試驗

X射線探傷合格后，按照GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》，并參照GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》對B3合金焊接接頭進行了拉伸試驗，按照GB232-1999《金屬材料彎曲試驗方法》，并參照ASME第IX卷標準對B3合金焊接接頭進行了彎曲試驗。

彎曲試驗用的試驗分為四組，分別為面彎兩組，背彎兩組。彎曲試驗試樣長度為152mm，寬度為38mm，彎曲直徑均為試件B3合金管道厚度的四倍，即9.6mm，接頭處按照ASME標準進行了打磨處理。實驗報告如下表，可見實驗結果達到了要求。

4 現場B3合金工藝管道施工注意事項

4.1 B3合金的切割和打磨

焊接區域的準備對焊接抗腐蝕鎳基合金來說非常重要，B3合金也是一樣。B3合金可以使用等離子切割/刨，機加工，打磨等方法，一定要在焊接前把切割的邊界區域清理干凈，達到光亮程度，打磨時應采用專用的有一定導熱性的80粒度碳化硅磨片砂輪，也可采用打磨奧氏體不銹鋼的專用增強樹脂砂輪進行打磨，以提高清理的質量和效率。

除了焊接角坡口，在焊接區域上表面和下表面(正面和根部)都要用磨片砂輪磨出25mm寬度的金屬光澤區域，對B3合金管道來說，需要角向磨光機和內磨頭來打磨管道焊接區域的內表面。如果表面的銹垢不除去，焊接金屬就會和銹垢連在一起造成母材底部開裂，焊接和相鄰區域在焊接之前必須徹底清潔。

4.2 B3合金的焊口清理

所有的油脂，粉筆印，機加工溶液，腐蝕產品，顏料，銹垢，探傷染料及其它雜物都必須被徹底清除。焊縫每側清理區域向外延伸50mm，包括鈍邊和坡口。

B3合金焊口區域按照被清理物質的種類可以采用不同的清理方法。車間污物、油脂可用蒸汽脫脂或用丙酮及其他溶液去除；對于不溶于脫脂劑的漆和其它雜物，可用氯甲烷、堿等合成劑清洗，標志墨水一般用甲醇清洗。由于毒性因素，應盡量不用四氯化碳和二氯乙烷清洗，被壓入焊件表面的雜質，可用磨削、噴丸或鹽酸溶液(10%體積比)清洗并用清水洗凈。

4.3 焊接要點

由于B3合金熔化區間小，液態金屬流動性差，“低穿透”等特點，需要采用小線能量、快速焊，適當稍稍增大電流來增加熔深，解決熔池“粘性”問題，同時，通過增大母材坡口角度和焊工的合理操作，盡量不擺動或稍擺動來解決液態焊縫金屬流動性差，不容易流動和潤濕側邊等問題。

焊槍在焊接時要盡量垂直于焊件，采用窄的焊道，只用剛剛夠的電流熔化基體金屬和焊材就可以了。在焊接中，焊絲端部一定要在保護氣中，防止氧化和由此造成的焊縫金屬污染。焊接過程熔池要保持平靜，避免焊絲攪動熔池。焊絲應在熔池的前端進入熔池，以避免接觸鎢極。下圖1是現場焊接圖。

表1 彎曲拉伸試驗報告

焊工在控制填充材料（焊條、焊絲）加入焊接熔池時，必須盡量減少焊接材料對母材地稀釋。

4.4 焊接場地的要求

B3合金管道應避免與碳鋼、銅金屬的接觸，需要采取一定措施來隔離。在施工現場最好要把B3合金管道單獨劃分一片區域，四周封閉，地面硬化后，再鋪上木板，配備培訓后訓練有素的合格焊工，單獨作業。

5 B3合金的焊接坡口

B3合金根據管道厚度的不同有三種形式[8]如下圖2，具體間距、厚度和夾角如下表2。

表2 B3合金管道對焊坡口設計

6 B3合金的焊接工藝參數

焊接參數如下表3。

表3 B3合金鎢極氣體保護焊(GTAW)焊接參數

7 結語

在此項目中，我們共計焊接B3合金管道114.3m，共221道焊口，1587DB，焊后合格率為100%，得到了外商的高度評價。

1 H-2104a Hastelloy B-3 Alloy Brochure Haynes International.Corrosion-Resistant Alloys Hastelloy B-3 Alloy,1995.

2 廖翼祥，陳文瑋，李鵬.NI200純鎳管道的焊接.化工建設工程[J]，2004（24）：P30-31.

3 AWS A5.11 Specification for Nickel and Nickel-Alloy Welding Electrodes For Shielded Metal Arc Welding November 6,1997.

4 AWS A5.14/A5.14M.ACTV Specification for Nickel and Nickel-Alloy Bare Welding Electrodes and Rods,Deceber 8,1997.

5 H2112 Haynes International High Performance Alloys.Technical Information Hastelloy B-3 alloy Welding Data,1998.

6 鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規則,國家質量監督檢驗檢疫總局,2002.

7 JB/T4372.2-2005.承壓設備無損檢測.國家改革和發展委員會發布,2005.

8 H2010F Fabrication Of Hastelloy And Corrosion-Resistant Alloys.Haynes International Inc,2003.

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1672-9323（2011）01-0059-03

2010-10-07）