Incoloy 800H管道現場焊接實用技術

于吉俊，桑梓心，魏 樂

（中國石油天然氣第六建設公司，廣西桂林541004）

Incoloy 800H管道現場焊接實用技術

于吉俊，桑梓心，魏 樂

（中國石油天然氣第六建設公司，廣西桂林541004）

Incoloy 800H鐵鎳合金（Ni-Fe-Cr合金）管道在乙烯項目32萬t/年苯乙烯裝置工程中大量應用，共需要焊接焊縫105道，管道規格主要有：4″×8.56 mm、6″×7.11 mm、24″×12.70 mm、30″×12.70 mm，管道總長298 m，焊縫100％射線檢測，熱處理后100％滲透檢測。重點和難點是：現場施工中需要解決24″、30″Incoloy 800H管道固定口底層內部充氬保護和熱裂紋問題。焊接攻關小組在底層焊道上通過手工鎢極氬弧焊和焊條電弧焊相結合的焊接工藝，完成了所有固定口的焊接，焊縫質量符合設計要求，積累了Incoloy 800H鐵鎳合金管道焊接經驗，給現場焊接需要充氬保護的鐵鎳合金、鎳合金、不銹鋼等大直徑管道施工提供借鑒和參考。

Incoloy 800H；鐵鎳合金；充氬保護；熱裂紋

0 前言

Incoloy 800H為面心立方晶格結構，極低的碳含量和提高了的Ti∶C比率增加了結構的穩定性和最大的抗敏化性以及抗晶間腐蝕性，其固態組織為奧氏體。

Incoloy 800H在500℃極高溫的水性介質中具有出色的抗腐蝕性、抗應力腐蝕性能以及良好的加工性。

Incoloy 800H的化學成分如表1所示，良好的特性決定了它在石油精制、化學、石化工業、電力工業等領域用途得到擴展。雖然進行了Incoloy 800H焊接性試驗，也得到質量符合要求的焊接接頭，確定了焊接工藝規程，但是由于現場安裝條件各異，焊工對新材料焊接特性認識不足，執行焊接工藝存在偏差，Incoloy 800H現場焊接的焊縫易產生熱裂紋、晶間腐蝕、氣孔、夾渣等焊接缺陷。各國牌號對照如表2所示。

32萬t/年苯乙烯裝置工程中，Incoloy 800H管道的焊接是裝置的焊接重點和難點，由于管道和焊接材料都是從美國進口，富余量不多，需要嚴格的質量控制，以避免返工造成材料不足，拖延施工周

期，造成不必要的經濟損失。

表1 Incoloy 800H的化學成分％

表2 牌號對照

1 Incoloy 800H焊接工藝技術[1-3]

1.1 焊工選擇

焊工按照《特種設備焊接操作人員考核細則》有關規定，取得相關焊接項目資質。優先選用焊接合格率優良、經驗豐富且奧氏體不銹鋼焊接技能熟練的焊工。焊工先進行練習，熟悉Incoloy 800H焊接特點，掌握焊接技能，經過考試合格后，焊工持證上崗。

1.2 焊接設備

選用ZX7-400STG高頻電焊機，此類焊機可以高頻起弧、衰減收弧，避免和減少了傳統焊機在焊接Incoloy 800H合金時容易出現的焊接起弧和收弧缺陷。

1.3 焊接環境管理

（1）Incoloy 800H管道預制要設置專門的場所，管道現場安裝時要與其他材質管道隔離，防止碳鋼對鐵鎳合金管道的污染。施工時，所有接觸管道的工具應使用不銹鋼材質。

（2）當焊接環境條件達到下列情況時，采取措施后方可施焊：相對濕度大于90％；風速——鎢極氬弧焊大于2 m/s，焊條電弧焊大于8 m/s。當風速超過上述規定時，要有防風措施，下雨需采取防雨措施，如搭設防風、防雨棚，否則不可施焊。

（3）焊接環境低于0℃或母材溫度低于15℃時，應將接頭兩側250～300 mm區域加熱至20℃。

1.4 焊接材料選用和管理

（1）根據合格的《焊接工藝評定報告》，選用焊絲ERNiCrCoMo-1，φ2.4；焊條ENiCrCoMo-1，φ3.2。

（2）ENiCrCoMo-1焊條按產品說明進行烘焙和恒溫，烘干溫度150℃，恒溫1 h。現場施工時，烘干好的焊條放在保溫筒內不許超過4h，否則重新烘干。技術質量人員隨時現場檢查焊材的使用，避免誤用焊材。

（3）手工鎢極氬弧焊使用的氬氣純度不低于99.99％，底層背充氬保護使用同樣的氬氣。

1.5 坡口形式和尺寸

以7.11 mm厚度為例，坡口形式和坡口角度、鈍邊、間隙及焊接層次如圖1所示。

圖1 坡口形式及焊接層次

母材厚度變化時，焊縫層數、道數可適當增減。

1.6 焊縫組對

（1）宜采用機械加工坡口，如用等離子切割機加工坡口必須除去坡口表面的氧化皮、熔渣，并將凹凸不平處打磨平整，打磨片使用不銹鋼專用砂輪片。

（2）施焊前需用角向磨光機或軸向磨光機將坡口內外兩側表面20 mm范圍內的油、漆、銹、垢、毛刺等對焊接有害的雜物清除干凈，坡口不得有裂紋、夾層等缺陷；打磨好后用丙酮清洗坡口及兩側50 mm區域。

（3）焊口組對要求。

a.為避免附加應力的產生，嚴禁強力組對。

b.管道對接焊縫組對時，應使內壁平齊，其錯邊量不超過0.5 mm。固定口組對優先考慮仰焊部位的質量，主要是內壁錯邊量和間隙大小，錯邊量過大容易造成單邊未熔合，間隙過大容易造成底層內凹，間隙過小容易造成未焊透，間隙選擇大于焊

絲0.5～1 mm為宜，必要時，以方便采取內送絲手法獲得仰焊部位內部的無凹陷外觀成形。

1.7 焊接技術交底

焊接前，焊接技術人員對參加Incoloy 800H管道施工的管工、焊工進行焊接技術交底，講解材料特性、焊接材料、接頭形式、焊縫組對、焊接工藝、施工安全等技術、質量和安全要求。

1.8 焊接工藝

（1）鎢極氬弧焊：焊絲ERNiCrCoMo-1（Inconel 617）、φ2.4mm，正接，焊接電流80～110 A，焊接電壓9～14 V，焊接速度4～8 cm/min。鎢極氬弧焊進行底層焊接時，采用小擺動操作，確保兩側熔合良好，背面成形高度控制在1～2 mm。同時避免鎢極與焊絲、坡口表面相碰，以防焊縫夾鎢，影響焊縫內部質量。

（2）焊條電弧焊：焊條ENiCrCoMo-1（Inconel 117）、φ3.2 mm，反接，焊接電流90～120 A，焊接電壓22～25V，焊接速度7～10cm/min。焊條電弧焊時，各層、道之間接頭應相互錯開。焊條電弧焊采用短弧連續焊，小電流、小擺動、快速焊接，嚴格控制好線能量。如果電流過大對焊接有害，引起裂紋和氣孔，增大熱裂紋敏感性。

1.9 定位焊

采用過橋定位點焊，焊接接近點焊部位時，打磨清除點焊部位。定位焊的長度和點焊數量根據管道直徑大小確定，定位焊長度10～15 mm，沿管周均勻分布。點焊長度過短，點數過少易使定位焊失效，產生焊縫錯邊超標、管道變形等缺陷。

1.10 手工鎢極氬弧焊注意事項

鎢極打磨。尖頭鎢極可保持電弧穩定與足夠的熔深，通常打磨成圓錐角30°～60°，尖端磨平，直徑約0.4 mm。當焊接規范一定時，鎢極的形狀影響焊縫的熔深和寬度。

手工鎢極氬弧焊打底時，需要在管道內部進行有效的充氬保護，避免焊縫根部高溫氧化現象。Incoloy 800H充氬保護類似于不銹鋼氬弧焊底層進行的充氬保護，2″以下管道可采用全充方式進行內部的充氬保護。3″～16″中等直徑管道內部的焊縫兩側可使用海綿加膠木板做堵頭的方式封閉，氬氣輸入口設置在海綿中心，焊縫的外面使用封口膠布進行密封，形成充氬室，留一小孔排氣。布置充氬室應綜合考慮，充氬室空間盡可能小，以獲得良好的充氬保護效果，氬氣保護氣體流量8～12 L/min。18″以上可以進人的管道采用充氬保護罩進行背后保護，此方法效果好，是充氬保護的最好形式之一，但應特別注意安全，保持管道內部空氣流通。

充氬后開始焊接的時間根據充氬室空間大小確定。充氬保護效果的好壞可依據以下經驗進行判斷：內側焊縫出現五彩顏色，則充氬保護效果良好；內側焊縫出現光滑的淺黑色，則充氬保護效果正常；內側焊縫出現燒枯現象，則充氬保護效果不好，需要打磨清除已經焊接的部位。充氬保護效果對Incoloy 800H底層焊道質量有重要影響，焊縫底層質量對焊縫質量有決定性影響。

氬弧焊時，氬弧焊槍垂直于焊縫保護效果最佳。焊接過程中焊絲加熱端必須處于氬氣中，以避免熱的末端氧化和由此造成的焊縫金屬的污染。

氬弧焊打底接近完成時，應使用手電筒檢查內部的焊縫底層質量，確認充氬保護效果正常，外觀質量良好后再焊接封閉剩余焊縫，“觀察窗”焊縫段宜設置在容易獲得良好外觀質量位置。

氬弧焊打底完成后，進行焊縫填充焊接時，應根據底層的厚度靈活選擇是否進行充氬保護焊縫根部，避免焊縫底層在填充焊接時產生高溫氧化現象，導致RT檢測不合格。

底層完成后應連續進行中間層的焊接，當天不能焊完的焊縫，必須將中間層填充至母材厚度約2/3以上位置，重新焊接前進行滲透檢測，確認無裂紋后繼續焊接。

1.11 焊條電弧焊注意事項

焊條電弧焊在填充和蓋面焊接時，應采用小線能量、窄焊道、短弧小擺動的焊接方式，同時保持電弧電壓的穩定。收弧時使弧坑飽滿，每個收弧處均應打磨，以清除收弧熱裂紋缺陷，確認無缺陷后再繼續焊接。焊接時，引弧在坡口內進行，嚴禁在坡口外引弧。

1.12 層間溫度控制

層間溫度嚴格控制在100℃以下，采用紅外線測溫儀檢測溫度。過高的層間溫度會引發熱裂紋，這是在焊接實踐中感受的。為提高效率，可以采用兩條焊縫交錯焊接的方法，既可控制層間溫度，又能保證焊接效率。

1.13 焊后自檢

焊后清理焊縫表面焊渣及飛濺，焊縫外形尺寸應符合質量要求，焊縫和熱影響區不應有裂紋、氣

孔、夾渣等缺陷，存在表面缺陷的進行修補。

2 連頭、固定口焊接工藝實用技術

2.1 固定口的焊接

焊縫盡可能地在活動口位置焊接完成，減少固定口數量，以降低焊接難度。最后固定口位置設置需要重點考慮氬弧焊打底時充氬保護的難易程度。如采用焊條電弧焊打底，最后固定口位置宜設置在管道的垂直固定口位置（2G），此位置用焊條電弧焊進行底層焊接，焊工操作習慣，難度不大，易獲得內部成形良好，RT檢測合格率高的焊縫。

2.1.1 水平固定口（5G）底層焊接

工程后期，Incoloy 800H管道除4道固定口焊縫外，均已完成焊接，無損檢測合格，剩下焊縫：24″兩道，水平固定口（5G）位置；30″兩道，水平固定口（5G）、垂直固定口（2G）位置各1道。30″的2G位置焊縫用電弧焊打底、填充、蓋面順利完成，無損檢測合格。1道24″的5G位置焊縫因為可以從另外1道焊縫處取出背面充氬氣的不銹鋼保護罩和支撐，底層使用氬弧焊，電弧焊填充、蓋面，順利通過無損檢測。最后2道5G位置的固定口不具備相同條件，需要嘗試新的焊接方法。

（1）使用焊條電弧焊打底。由于ENiCrCoMo-1焊條焊縫金屬的流動性差，電弧吹力稍弱和操作難度大等原因，仰焊部位底層內部外觀通常出現凹陷缺陷，外觀檢測不合格，射線檢測難合格。從Incoloy 800H焊接熟練的高手中挑選了兩名焊工進行試焊均未獲得成功。

（2）水溶性紙封閉管內兩側的方法。組對前用多層水溶性紙封閉焊縫管內兩側，焊縫外面使用封口膠布進行密封，形成充氬室，氬氣輸入口設置在外面間隙處。先用一瓶氬氣輸入后焊接，出現高溫氧化燒枯現象，后試用兩瓶或三瓶同時輸入后焊接，效果稍好于一瓶氬氣，但仍然存在高溫氧化燒枯現象，期間嘗試了多次變化氬氣輸入口、排氣孔位置，變化氬氣輸入流量，并且是等氬氣置換空氣30 min后焊接，兩名電焊技師多次試焊均未獲得理想效果。顯然，Incoloy 800H鐵鎳合金底層背面需要比較高的氬氣濃度保護才能避免高溫氧化現象。

（3）鎢極氬弧焊+焊條電弧焊底層焊接工藝。仰焊部位向上部分采用氬弧焊，內部用充氬保護罩保護，平焊部位附近采用電弧焊打底，如圖2所示，先氬弧焊焊接a、b段，然后焊條電弧焊焊接c、d段。由于充氬保護罩不能像預制口一樣取出，所以不能使用不銹鋼材料制作，應進行特殊制作，如圖3所示，尺寸為240 mm×100 mm×100 mm。保護罩用紙盒材料制作，設置兩條塑料氬氣輸入管，紙盒里面用漿糊粘貼一些施工現場有的保溫材料（材料要求：可耐一定溫度又可完全燃燒），然后用封口膠布將兩條焊絲ERNiCrCoMo-1、φ2.4 mm捆綁固定在保護罩背面上，焊絲起支撐和拉的作用。保護罩制作完成后進行試焊，保護效果良好和不燃燒就算合格，焊縫組對前將充氬保護罩放入管內，組對后一人負責壓緊保護罩，一人進行氬弧焊打底，焊槍氬氣流量8～12 L/min，充氬保護流量20～22 L/min。焊接完成圖2中的a、b段后，用手電筒認真檢查底層內部成形，確認外觀質量良好，無根部未熔合缺陷后就可毀掉充氬保護罩，先拉出兩條塑料氬氣輸入管，然后順著焊絲穿過間隙滴入少量煤油或汽油，用氧氣乙炔火焰切割槍點火并間斷對保護罩進行燃燒，燃燒時讓保護罩處在管道中心部位，紙材保護罩小于2 mm時1～2 min就能燃燒完畢，少量的煤油或汽油也不會產生大的熱作用，不會對鐵鎳合金使用性能和底層焊縫的性能產生負面影響；待保護罩全部燃燒完畢后，拉出焊絲，用氧乙炔火焰切割槍吹開灰燼，保證焊縫中心兩側各100 mm區域清潔，以免影響RT檢測結果。隨后進行焊條電弧焊打底焊接c、d段，完成底層焊接；應多采用焊工習慣的氬弧焊打底。滲透檢測確認無裂紋后繼續進行填充、蓋面焊接。經過RT無損檢測，焊縫一次合格率100％。

圖2 焊接順序示意

該方法的優點是：（1）氬弧焊無需練習，焊工容易獲得仰焊部位內部良好的外觀質量；（2）焊條電弧焊稍加練習，稍熟悉焊條ENiCrCoMo-1打底手法即可，焊條電弧焊打底位置方便焊工操作，容易獲得內

部良好的外觀質量；（3）充氬保護質量良好；（4）副作用小，剩下極少量的灰燼和打底焊渣在管內。

另外，固定口根部焊道完成時先進行射線探傷，后進行填充、蓋面的方法不宜使用，根據實踐經驗，底層焊道完成后應連續進行中間層填充的焊接，底層焊道放置時間長可能會因應力等原因產生裂紋。

圖3 充氬保護罩

3 焊接質量控制技術

3.1 熱裂紋

1道24″、1道30″固定口底層、中間層焊接完成一層后進行滲透檢測，發現焊縫、熱影響區存在多處熱裂紋，如圖4所示。熱影響區裂紋成網狀和線狀，比較淺，深度不超過1 mm，焊縫上裂紋大多與焊波垂直，成線狀，比較深，深度0.5～2.0 mm。

圖4 焊接熱裂紋

3.1.1 熱裂紋產生原因分析和預防措施

（1）電流過大，焊條擺動范圍過寬。高熱輸入在熱影響區產生一定程度的退火和晶粒長大；高熱輸入可能產生過度的偏析、碳化物的沉淀或其他有害的冶金現象，可能引起熱裂紋。預防措施為：嚴格執行焊接工藝卡的焊接電流、速度規程，焊條擺動范圍不超過焊芯直徑的3倍。

（2）層間溫度過高。過高的層間溫度增加了熱裂紋的敏感性。預防措施為：嚴格執行焊接工藝卡，層間溫度不超過100℃。

（3）同一部位重復焊接造成合金元素燒損。Incoloy 800H焊接時，從焊接性的角度來說主要是Nb、Cr、Fe、Al、Ti、S、P、C、Si等元素。總體上講Nb、Cr、Fe、Mo等對于合金性能和焊接性有利，Nb的加入可以明顯減少熱裂紋的出現，Ni-Fe-Cr合金中這種效果更加突出。Mo能明顯起到固溶強化和時效強化作用，而且可以提高合金的熱強性，在Ni-Fe-Cr合金中還能大大提高抗裂性。由于加入了Al和Ti，起到脫氧作用，提高了材料的抗結晶開裂性能。重復焊接易造成合金元素燒損，增加了熱裂紋的傾向。預防措施為：避免重復焊接。裂紋嚴重時，用機械冷切割清除重復焊接部分，重新組對和焊接。

3.1.2 熱裂紋處理

（1）使用角向磨光機打磨清除焊縫上的熱裂紋，注意不要太壓緊磨光機打磨，避免打磨時高溫產生新的裂紋。

（2）使用角向磨光機打磨清除熱影響區裂紋。如果打磨產生新的微裂紋，則用不銹鋼銼刀清除。

（3）清除完裂紋后重新進行滲透檢測，檢測合格后繼續焊接。

3.2 氣孔

Incoloy 800H除熱裂紋缺陷外，常見的缺陷是氣孔。因為液態鎳能溶解大量的氧，凝固時氧的溶解度下降，凝固過程中過剩的氧將Ni氧化成NiO，NiO與熔池中的氫結合，Ni被還原，而氫和氧結合成水，水在熔池中來不及逸出，即形成氣孔。另外，合金密度大、熔池流動性較差，影響氣體的逸出，也是形成氣孔的原因之一。

3.2.1 預防氣孔產生的措施

（1）選用焊接規程內的電流，避免電流過大使焊縫金屬中的脫氧劑蒸發，出現氣孔。

（2）將坡口內外兩側對焊接有害雜物清除干凈，打磨好后用丙酮清洗坡口及兩側50 mm區域。

（3）ENiCrCoMo-1焊條按要求進行烘焙和恒溫。

（4）采取措施保證焊接環境符合質量管理要求。

3.3 夾渣

Incoloy 800H合金焊縫金屬熔深淺，層間清理需要認真進行，防止產生夾渣。

4 其他質量管理措施

4.1 管道隔離、保護

Incoloy 800H價格昂貴，應注意對半成品、成品的保護。可考慮安排在別的管道完成后最后施工，如同時進行施工，防止其他管道切割、焊接時的飛濺物對其造成污染。隔離采用對管道無害的木板等軟材料進行支撐和隔墊。

4.2 管內清潔度控制

預制時，保持管段內部清潔。管道現場安裝時，焊縫組對前應對兩側進行清潔度檢查，確保管內清潔度符合要求。

5 結論

（1）在正確焊接工藝的指導下，對人、機、料、法、環五個環節從嚴進行質量控制，Incoloy 800H鐵鎳合金管道的焊接接頭質量良好。

（2）Incoloy 800H現場焊接技術應用于32萬t/年苯乙烯裝置工程中，焊縫射線檢測合格率99％，管道質量符合設計要求。裝置于2009年交付使用，目前管道運行狀況良好，產品質量合格。

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（第二卷材料的焊接第16章）[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2]中國工程建設標準化協會化工分會.現場設備、工業管道焊接工程施工規范（GB50236-2011）[S].

[3]中華人民共和國工業和信息化部.石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金和鎳合金焊接規程（SH/T3523-2009）[S].

Field welding technology of Incoloy 800H pipeline

YU Jijun，SANG Zixin，WEI Le
（China Petroleum and Natural Gas Sixth Construction Company，Guilin 541004，China）

The Incoloy 800H iron-nickel alloy（Ni-Fe-Cr alloy）pipes are widely used in the project with 320 000 tons styrene setup engineering.There are totally 105 welded joints.Piping specifications mainly include four types as following：4″×8.56 mm，6″× 7.11 mm，24″×12.70 mm，30″×12.70 mm.The total length of the pipe is 298 m.All welded joints are detected by ray.100％penetrated tests are carried out after heat treatment for all welded joints.The research focus and difficult is that the inside argon protection and the thermal crack problem of the 24″，30″Incoloy 800H pipe should be solved in the field construction.All fixed ports are welded with combining the GTAW welding process and the SMAW welding process by the welding research team.The weld quality can meet the design requirement.The welding experiences of Incoloy 800H iron-nickel alloy pipe are accumulated.The research results can provide a good reference for the field welding of large diameter pipeline construction.

Incoloy 800H；iron-nickel alloy；argon protection；thermal crack

TG457.19

B

1001－2303（2016）07－0041-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.10

2016-06-09；

2016-07-16

于吉俊（1962—），男，廣西桂林人，主要從事工程質檢及相關工作。