施工現場Alloy X耐腐蝕焊接工藝研究

【摘 "要】依據施工現場對質量和進度的雙重需求，通過正交實驗法，確定了一種既能滿足母材耐腐蝕性能要求，又可一定程度提高施工效率的Alloy X焊接工藝。

【關鍵詞】Alloy X;正交試驗法;焊接工藝

環境保護是21世紀人類面臨的重大問題之一，為實現“十二五”規劃的污染減排目標，同時為保護環境，防治污染，促進石油煉制工業的技術進步和可持續發展，我國于2014年出臺了《石油煉制工業污染物排放標準》，建立了更加嚴格的氮氧化物和二氧化硫控制標準體系，新標準實施后，絕大多數煉油廠催化裂化裝置的煙氣排放將不達標，這就需要增建煙氣脫硫設施以降低煙氣中SO2、NOX、煙塵的含量，滿足新的國家排放標準，實現達標排放。

煙氣吸收塔中煙氣入口處設計溫度通常≥400℃，加上含有硫、氮等腐蝕性氣體，使之煙氣入口處工況復雜、運行條件苛刻。為保證設備整體使用壽命及穩定性，煙氣入口常選用鎳基合金如Alloy X，以滿足高溫抗氧化和耐腐蝕性能要求。

1.Alloy X腐蝕工況

催化裂化裝置中產生的高溫煙氣，主要成分為SO2、NOX（NO和NO2），在進入洗滌塔時，以及進入洗滌塔后被急冷水噴頭噴出的霧化水降溫過程中均會與O2和H2O形成腐蝕性酸霧[1]，相關化學反應如下：

SO2+O2→SO3

SO3+H2O→H2SO4

NO+O2→NO2

NO2 +H2O→HNO3

煙氣洗滌塔進口處煙氣條件見表1：

表1煙氣洗滌塔進口處煙氣條件

Table 1 The inlet flue gas condition of flue gas washing tower

項目 最大 正常

煙氣量（標準狀態）/（m3·h-1）濕基 180000 133000

煙氣溫度/℃ 300.0 200.0

煙氣壓力（表壓）/kPa 5.0 2.48

煙氣SO2質量濃度/（mg·m-3）濕基 8400 4200

煙氣NOX質量濃度/（mg·m-3）濕基 440 240

為縮短實驗時間，本文模擬煙氣入口處腐蝕環境，通過將分析純試劑與蒸餾水混合，配置1%硫酸溶液（質量百分濃度）進行加速腐蝕實驗。

2.試驗方法

失重法是一種簡單而直接的腐蝕測量方法，適用于全面腐蝕，它要求在腐蝕實驗后全部清除腐蝕產物再進行終態稱量，直接表示了由于腐蝕而損失的金屬量，不需按腐蝕產物的化學組成進行換算。選用不同焊接工藝參數焊接AlloyX試板，選取焊縫金屬制作腐蝕試片，規格為10×10×3mm，實驗前將金屬表面用40目、10目、5目的金相砂紙逐級打磨至鏡面光澤，分別用去離子水清洗，丙酮脫脂出油，自然干燥后稱重。將處理好的試片全部浸入腐蝕溶液中。

本腐蝕實驗在三口瓶中完成，為控制溶液成分穩定，設置回流冷凝裝置。實驗在沸騰狀態下，反應36h。腐蝕試驗結束后，去除試樣上附著的疏松腐蝕產物，然后用丙酮溶液清洗除去試樣表面的腐蝕產物或者雜質，進行再次稱量。

根據失重法測定金屬的重量變化，按式（2-3）計算腐蝕速度。

………………………………（2-3）

式中，W0—試樣原始重量，g

Wt—腐蝕試驗后不帶腐蝕產物的試樣量，g

S—試樣表面積，m2

t—實驗周期，h

3.試驗因素選擇

Alloy X是一種在鎳-鉻-鉬系合金基礎上添加了一定量的鈷和鎢而形成的合金，ASME標準中UNS號為N06002。Alloy X與不銹鋼焊接性能類似，有著熱導率小、線膨脹系數大、對S、P雜質元素敏感的特點[2]。焊材及焊接工藝參數選擇不當，將直接導致母材耐蝕性下降，熱裂紋傾向增加。

本文焊材選擇ENiCrMo-3焊條（AWS A5.11），焊條直徑φ5mm。現場實際施工時，通常需要采用盡可能大的焊接電流、焊速等工藝參數，以保證工期進度，但過大的線能量一方面容易使焊縫形成方向性強的粗大柱狀晶組織，有利于有害雜質和元素的偏析，從而形成連續的晶間液態夾層，在熔池凝固過程中，增加熱裂傾向;另一方面也使焊縫和熱影響區在敏化溫度450～850℃停留時間過長，晶間含鉻量降低，與腐蝕介質接觸時出現晶間腐蝕現象[3]，所以本文選擇焊接工藝參數中的焊接電流、焊接速度及層間溫度三個因素，每個因素選用4個水平，希望通過正交實驗法最終得出既滿足腐蝕要求又盡可能提高施工效率的最佳工藝參數。

4.試驗數據及分析

正交試驗設計是研究多因素多水平的一種設計方法，它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點[4]，是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法。

由于有時會遇到各因素水平數不等的情況，因此，一般用失重重量的平均值來反應同一個因素的各個不同水平對試驗結果影響的大小，并以此確定該因素的最佳水平。用同一因素各水平下平均失重量得極差（極差=平均失重量得最大值-平均失重量得最小值）來反映各因素的水平變動對試驗結果影響的大小。極差大就表示該因素的水平變動對試驗結果的影響大，極差小就表示該因素的水平變動對試驗結果的影響小。

通過實驗可得出，各因素對Alloy X耐蝕性影響程度依次為：層間溫度>焊接速度>焊接電流。主要因素應取最好的水平，而次要因素則可根據成本、時間、收益等方面的統籌考慮選取適當的水平。

5.結論

Alloy X由于其優異的抗高溫氧化及煙氣腐蝕性能，近些年被廣泛應用于石化煉廠的煙氣脫硫脫硝裝置中，綜合考慮施工現場對母材耐腐性及施工效率的要求，通過正交試驗法，確定了一種合理的Alloy X焊接工藝，即Alloy X現場使用φ5mm直徑的ENiCrMo-3焊條時，焊接工藝參數可選用：電流200A，焊接速度20cm/min，層間溫度90℃，這樣即可保證母材的抗腐蝕性能滿足要求，又可適當提高施工進度。

參考文獻：

[1]張新國，呂豐財，趙勇.煙氣洗滌塔的結構設計與選材[J].石油化工設備技術，2013，2：6-8.

[2]鄒玉清.Alloy X哈氏合金的焊接工藝研究[J].焊接，2012，11：64-65.

[3]劉書麗，高亞平，鄭和平，李春萍.奧氏體不銹鋼焊接接頭的晶間腐蝕[J].煤礦機械.2008，1：96-98.

[4]劉瑞江，張業旺，聞崇煒，湯建.正交試驗設計和分析方法研究[J].實驗技術與管理，2010，9：52-55.