四氯化硅冷氫化裝置中N08810不銹鋼管道焊接工藝的研究

田新衍，張拾根，王建鑫

（1.江西賽維LDK光伏硅科技有限公司，江西 新余 338000；2.新余市安全生產(chǎn)應(yīng)急救援指揮中心，江西 新余338000）

四氯化硅冷氫化裝置中N08810不銹鋼管道焊接工藝的研究

田新衍1，張拾根2，王建鑫1

（1.江西賽維LDK光伏硅科技有限公司，江西 新余 338000；2.新余市安全生產(chǎn)應(yīng)急救援指揮中心，江西 新余338000）

N08810不銹鋼材料焊接時(shí)具有熔點(diǎn)高、電阻率大、液態(tài)金屬粘稠度大、流動(dòng)性較差、不容易潤(rùn)濕坡口側(cè)以及可焊性差等缺點(diǎn)，焊接時(shí)易產(chǎn)生熱裂紋、氣孔、夾渣和未熔合等缺陷。筆者結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對(duì)四氯化硅冷氫化裝置中N08810不銹鋼管道的焊接工藝進(jìn)行了研究和總結(jié)，有效避免了熱裂紋、夾渣、氣孔等焊接缺陷，為冷氫化裝置的安全運(yùn)行提供了保障。

N08810不銹鋼；焊接工藝；焊接特性

江西賽維LDK光伏硅科技有限公司于2014年7月完成新建兩套10萬(wàn)t/a四氯化硅冷氫化裝置，該裝置在國(guó)內(nèi)屬同類(lèi)大型裝置，核心工藝由美國(guó)REC公司合作提供，美國(guó)FLUOR工程公司設(shè)計(jì)。該裝置工藝流程復(fù)雜，管道材質(zhì)多，且物料多為有毒、有害、易燃、易爆介質(zhì)。其核心設(shè)備FBR流化床反應(yīng)器與急冷器、熱回收換熱器、電加熱器及之間連接管道材質(zhì)均為N08810不銹鋼，最高設(shè)計(jì)溫度650℃，設(shè)計(jì)壓力3.5 MPa，最大管徑DN400，壁厚12 mm，工藝介質(zhì)為氯硅烷和氫氣。本研究主要對(duì)冷氫化裝置中N08810不銹鋼管道的焊接工藝進(jìn)行研究。

1 N08810 不銹鋼焊接性能分析

N08810不銹鋼是一種廣泛應(yīng)用于高溫承壓結(jié)構(gòu)件的奧氏體耐熱合金，屬鎳鐵鉻系鐵鎳基耐蝕合金，化學(xué)成分[1]見(jiàn)表1。由于其具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能、抗腐蝕性能、抗熱沖擊性能、熱疲勞和蠕變性能，常用于593℃以上的溫度環(huán)境中，需更高的抗蠕變和應(yīng)力開(kāi)裂能力。但多晶硅工藝介質(zhì)要求管道無(wú)油無(wú)水，安裝完成后用潔凈空氣進(jìn)行吹掃試壓，無(wú)油無(wú)水的配管潔凈度要求給焊接工作增加了一定的難度。N08810不銹鋼材料的可焊性較差，焊接時(shí)產(chǎn)生的主要缺陷為熱裂紋、氣孔、夾渣和未熔合，而防止焊接熱裂紋和氣孔等缺陷是控制焊接Incoloy 800H管道的關(guān)鍵。

表1 N08810不銹鋼的化學(xué)成分 %

1.1 熱裂紋

N08810不銹鋼具有較高的焊接熱裂紋敏感性，焊接接頭一般情況下達(dá)不到與母材等強(qiáng)度的要求，特別是在高溫下的持久強(qiáng)度大幅降低，熱處理后也得不到改善。熱裂紋主要以結(jié)晶裂紋形式出現(xiàn)，產(chǎn)生機(jī)理是在收縮時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用下，溶質(zhì)（S，P）偏析形成低熔點(diǎn)共晶液膜，而Ni極易被S及P脆化，在晶界上產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶體引發(fā)焊縫凝固裂紋[2]。雜質(zhì)含量越大，其熱裂紋傾向也越大；另外，結(jié)構(gòu)應(yīng)力也是導(dǎo)致接管處焊縫裂紋環(huán)向擴(kuò)展的主要因素。因此，焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫中S和P等雜質(zhì)以及焊接熱輸入[3]。

1.2 氣孔

造成氣孔的因素很多，如焊接件表面的油垢、氧化膜、潮氣等，在焊接加熱過(guò)程中這些雜質(zhì)若清理不干凈，則被吸附、分解成氫和水氣，焊接熔池在高溫液態(tài)下，能溶解較多的氫、氧、氮?dú)怏w，由于N08810不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)低，鎳合金焊材所形成的熔池十分粘稠，流動(dòng)性較差，冷卻凝固時(shí)部分氣體來(lái)不及逸出，造成氣孔[4]。

1.3 夾渣和未熔合

N08810不銹鋼中 w（Ni）=30%～35%， 使該合金在焊接時(shí)，熔池金屬的流動(dòng)性較差，表面易形成難熔的氧化膜（NiO）[5]，鎳的氧化物的熔點(diǎn)比鎳本身的熔點(diǎn)高，當(dāng)鎳熔化時(shí)，氧化鎳還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到它的熔點(diǎn)，使得熔透性差。因此，若不徹底清除焊縫坡口和焊絲表面被氧化的鎳，則這些摻雜在熔池中的氧化鎳就會(huì)產(chǎn)生未熔合和夾渣缺陷。

2 焊接工藝

2.1 焊接材料

焊接材料的選用主要根據(jù)母材的合金類(lèi)別、化學(xué)成分以及使用的環(huán)境，一般來(lái)說(shuō)，焊接材料主要化學(xué)成分和母材應(yīng)盡量相似，以保證焊接接頭的各項(xiàng)性能與母材相當(dāng)。由于N08810不銹鋼的Ni和Cr含量高，其焊接性較差，為了保證工程質(zhì)量，焊接材料選用含Ni高、抗裂性好的德國(guó)產(chǎn)ERNiCr－3焊絲。

2.2 焊接方法

焊接方法采用鎢極氬弧焊（GTAW）[6]，鎢極電極直徑φ3.0 mm，保護(hù)氣體氬氣純度99.99%，氣體流速為10～15 L/min。焊接時(shí)風(fēng)速超過(guò)2 m/s，必須設(shè)置擋風(fēng)棚，防止風(fēng)力過(guò)大破壞保護(hù)氣流，造成焊接氣孔。

2.3 坡口制備

N08810不銹鋼合金的液態(tài)金屬粘稠度大，流動(dòng)性較差，同等條件下熔深僅為普通奧氏體不銹鋼的60%。若坡口形式不適合，焊接時(shí)極易發(fā)生未熔合及夾渣現(xiàn)象，為保證焊接接頭熔合良好，坡口應(yīng)適當(dāng)增大角度，減小根部鈍邊厚度，稍微加大對(duì)口間隙，坡口形式設(shè)計(jì)為V形，坡口角度為50°，DN300管道坡口形式如圖1所示。

圖1 DN300管道坡口形式

坡口采用機(jī)械加工，用不銹鋼砂輪和不銹鋼絲刷打磨，清理坡口兩側(cè)各50 mm范圍內(nèi)的油、銹和毛刺等雜物，直至露出金屬光澤，并用丙酮清洗坡口表面。

2.4 定位組焊

根部定位焊不少于3處，焊縫厚度不小于6 mm，長(zhǎng)度不小于20 mm，焊接工藝同正式焊一致，定位焊縫焊接完成清除渣皮后進(jìn)行檢查，確認(rèn)無(wú)缺陷后將兩端修磨成緩坡?tīng)?，作為正式焊縫的組成部分予以保留。

采用N08810不銹鋼管道下料料頭切割拍平制作組對(duì)板和卡具，管道點(diǎn)焊焊材同正式焊材一致，拆除時(shí)采用不銹鋼砂輪切割并打磨平整，禁止強(qiáng)力敲擊，避免拉傷母材，母材上焊疤修磨處進(jìn)行PT檢測(cè)。

對(duì)接焊縫組對(duì)時(shí)，做到內(nèi)壁平齊，內(nèi)壁錯(cuò)邊量控制在1 mm以?xún)?nèi)，組對(duì)過(guò)程中不得使用鐵質(zhì)工具直接對(duì)N08810不銹鋼材質(zhì)的管道組成件表面進(jìn)行敲打。避免強(qiáng)力組對(duì)，以減少拘束力對(duì)焊接過(guò)程的影響，從而減輕焊接裂紋的產(chǎn)生。

2.5 氬氣保護(hù)

焊接時(shí)采用管內(nèi)充氬氣保護(hù)，防止焊縫內(nèi)側(cè)金屬氧化返砂，采用液氬作為氣源，純度要求99.99%，氣體流量為10～15 L/min。在開(kāi)始焊接前提前送氣，待管內(nèi)空氣全部排出后開(kāi)始焊接，管內(nèi)空間較大時(shí)可以用氧氣分析儀檢測(cè)管內(nèi)空氣排出情況。管口及其他壓力元件接口采用不透膠帶密封，只留焊接口。

2.6 焊接控制

N08810不銹鋼焊接不需要預(yù)熱，但當(dāng)母材溫度低于5℃時(shí)，應(yīng)對(duì)兩側(cè)250～300 mm寬的區(qū)域加熱到15～20℃，以免濕氣冷凝導(dǎo)致焊縫氣孔。焊接時(shí)不能在焊接件表面起弧，應(yīng)在焊接面起弧，以防起弧點(diǎn)導(dǎo)致腐蝕。先在對(duì)接焊縫處打底一層，后一層層不斷填充，但焊接過(guò)程中要在保證熔透的情況下采用小線能量、快速焊的方法，盡可能減少焊接熱輸入，保持穩(wěn)定的電弧電壓，始終保持短弧，嚴(yán)格控制線能量[7]，采用小電流多層多道焊，并嚴(yán)格控制層間溫度≤100℃。在焊接過(guò)程中用紅外線測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)并記錄層間溫度，確保層間溫度控制在100℃以下，以減少焊接缺陷的產(chǎn)生。焊縫的外形應(yīng)稍凸，留有一定余高。由于鎳合金焊縫金屬的流動(dòng)性不如普通低合金鋼，焊接時(shí)可適當(dāng)擺動(dòng)焊絲，但幅度不能大于2.5倍焊絲直徑，焊絲每次擺動(dòng)結(jié)束時(shí)要稍停頓一下，以便使粘稠的焊縫金屬有充分的時(shí)間來(lái)填充，避免咬邊和夾渣。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

熱量輸入按公式（1）計(jì)算，

式中：U—電弧電壓，V；

I—焊接電流，A；

v—焊接速度，cm/min。

2.7 無(wú)損檢測(cè)

所有N08810不銹鋼管道的對(duì)接環(huán)縫采用100%RT探傷（按 JB/T 4730—2005Ⅱ級(jí)合格）、100%PT探傷（按JB/T 4730—2005[8]Ⅰ級(jí)合格）和X射線探傷，采用單壁單影方式，X射線主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。所有C/D類(lèi)焊縫管口接管法蘭對(duì)接環(huán)縫采用100%PT探傷（按JB/T 4730—2005[8]Ⅰ級(jí)合格），焊接拍片一次合格率達(dá)到99.5%，所有無(wú)損檢測(cè)按照TSG D0001.2009[9]執(zhí)行。

表3 X射線主要技術(shù)參數(shù)

拍片不合格的主要表現(xiàn)形式為裂紋和未焊透。未焊透主要是焊接人員的水平和注意力所致，而焊接裂紋是焊接產(chǎn)品危害最大的缺陷，主要表現(xiàn)形式有焊道裂紋、弧坑裂紋、焊縫金屬微裂紋和熱影響區(qū)微裂紋[10]。N08810不銹鋼管道焊接裂紋主要出現(xiàn)在焊道層間，表現(xiàn)為熱影響區(qū)微裂紋，可能原因是焊接時(shí)產(chǎn)生的熱影響區(qū)對(duì)層間的影響。避免的方法有：①合理設(shè)計(jì)焊接接頭和焊接順序，減少管道的拘束度；②采用小的焊接電流和多層多道焊，減少熱輸入，并保證每道焊縫有足夠的冷卻時(shí)間。

2.8 焊后熱處理

ASTM B366中對(duì)N08810不銹鋼的熱處理未給出推薦的熱處理溫度[11]，南京德邦金屬裝備有限公司作為國(guó)內(nèi)N08810不銹鋼設(shè)備的重要制造商，摸索出了對(duì)N08810不銹鋼熱處理的特有工藝，即為避免N08810不銹鋼焊接部件在538℃以上可能發(fā)生的應(yīng)力松弛而導(dǎo)致晶界開(kāi)裂[1]，采用在885～930℃對(duì)焊縫進(jìn)行焊后熱處理，保溫時(shí)間≥1.5 h，熱處理后空氣自然冷卻，并做好記錄。工廠預(yù)制部分采用熱處理爐整體熱處理，現(xiàn)場(chǎng)焊接部分采用加熱帶對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理（熱處理工藝要求見(jiàn)表4），熱處理后，均進(jìn)行100%PT檢測(cè)。

表4 熱處理工藝要求

3 結(jié) 語(yǔ)

采用ERNiCr－3焊絲和 ENiCrFe－2焊絲進(jìn)行冷氫化裝置中N08810不銹鋼管道焊接，選擇合適的焊接方法和焊接參數(shù)，嚴(yán)格控制層間溫度，加快焊后的冷卻速度等焊接工藝，并在焊接過(guò)程中進(jìn)行嚴(yán)格控制，可有效避免熱裂紋、氣孔、夾渣和未熔合等缺陷，焊接拍片一次合格率達(dá)到99.5%，管道試壓和投料運(yùn)行后無(wú)泄漏，保障了冷氫化裝置的安全運(yùn)行。

［1］ ASTM B407－08,Standard Specification for Nickel-ironchromium Alloy Seamless Pipe and Tube[S].

［2］夏琳，李軍，張建君.石油化工裝置中Incoloy 800H合金的焊接[J].焊接技術(shù)，2001，30(S1)：79－80.

［3］王桐海.制氫轉(zhuǎn)化爐Icoloy 800H合金下豬尾管斷裂分析[J].化工機(jī)械， 2011， 38(03)： 361－363.

［4］楊錦明.Incoloy 800H合金的應(yīng)用和性能分析[J].煉油設(shè)計(jì)， 2002， 32(06)： 18－20.

［5］ CHEN W S， KAI W， TSAY L W， et al.The oxidation behavior of three different zones of welded Incoloy 800H alloy[J].Nuclear Engineering and Design，2014（272）： 92－98.

［6］ PURMOHAMAD H， KERMANPUR A， SHAMANIAN M.Numerical simulation and experimental investigation of temperature distribution in the circumferentially butt GTAW of Incoloy 800H pipes[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping， 2010(87)：424－432.

［7］SH/T 3523—2009，石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金和鎳合金焊接規(guī)程[S].

［8］TSG D0001—2009，壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程—工業(yè)管道[S].

［9］JB/T 4730—2005，承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)釋義[S].

［10］孫朝陽(yáng)，劉金榕.Incoloy 800H高溫變形流動(dòng)應(yīng)力預(yù)測(cè)模型[J].金屬學(xué)報(bào)， 2011， 47（02）： 191－196.

［11］ ASTM B366－10， Standard Specification for Factorymade Wrought Nickel and Nickel Alloy Fittings[S].

Study on Welding Process of N08810 Stainless Steel Pipes in Hydrochlorination Device

TIAN Xinyan1， ZHANG Shigen2，WANG Jianxin1
（1.LDK PV silicon Technology CO.,Ltd.,Xinyu 338000,Jiangxi,China；2.Xinyu Emergency Rescue Command Center of Safety Production,Xinyu 338000,Jiangxi,China）

N08810 stainless steel is with some disadvantages during welding process,including high welding melting point,high resistivity,high liquid metal viscosity,bad fluidity,not easy to wet groove side,bad weldability etc.,which all easily generate hot crack,welding pore,slag inclusion,incomplete fusion and other defects.In this article,combined with relevant standards and norms,the welding process of N08810 stainless steel pipelines in hydrochlorination device was studied and summarized,which effectively avoid the welding defects such as hot crack,slag inclusion,welding pore etc.,and provides guarantee for safe operation of the Hydrochlorination Device.

N08810 Stainless steel;welding process;welding characteristics

TG142.71

B

1001－3938（2015）06-0043-04

田新衍（1967—），男，江西南昌人，高級(jí)工程師，主要從事太陽(yáng)能級(jí)多晶硅料生產(chǎn)的研究。

2014－09－06

張 歌