N06600合金焊接要點及通過ASTM G28-A法試驗技術措施

朱　寧

（中國石化集團南京化學工業有限公司化工機械廠，江蘇南京210048）

N06600合金焊接要點及通過ASTM G28-A法試驗技術措施

朱寧

（中國石化集團南京化學工業有限公司化工機械廠，江蘇南京210048）

以ATR氧氣加熱器制造為例，介紹N06600耐腐蝕性能和焊接技術要點以及制造該設備所需要的焊接工藝評定，進而討論N06600合金焊接通過ASTM G28-A法晶間腐蝕試驗所采取的措施及注意事項。

N06600合金；耐腐蝕性能；焊接技術要點；ASTM G28-A法

0　前言

隨著石油、化工行業對裝置設備的要求不斷提高，很多設備需要較高的機械強度和良好的耐高溫腐蝕性能。鎳基合金是一種耐高溫高壓、高濃度或混有不純物等苛性腐蝕環境的比較理想的金屬結構材料，因而鎳基合金的應用日益廣泛，但因其價格比較昂貴，故常采用堆焊鎳基焊材降低成本。

某公司的ATR氧氣加熱器（見圖1）由南京化學工業有限公司化工機械廠承制，該設備的筒體材料為15CrMoR（φ273mm×13mm），管箱材料為N06600（δ=6 mm），管板為15CrMoⅢ鍛+堆焊N06600結構，換熱管材料為N06600（φ14 mm×2 mm）。因該設備圖紙技術要求規定“N06600及其焊接接頭均按ASTMG28-A法進行耐腐蝕試驗，母材及焊接接頭的腐蝕率≤12 mm/a”，ASTMG28-A法晶間腐蝕試驗腐蝕溶液為硫酸鐵-50％硫酸，N06600合金在這種溶液里做晶間腐蝕試驗在廠里尚屬首次，故進行了一系列的焊接工藝評定試驗以確保N06600材料焊后通過ASTMG28-A法晶間腐蝕試驗。

1　N06600材料耐腐蝕性能分析

N06600合金是Ni-Cr、Ni-Cr-Fe代表性合金，是較早應用的耐應力腐蝕的合金，有耐高溫氧化和耐氯離子介質的應力腐蝕性能。含有高鎳和不高鉻的合金在沸騰溫度濃度低于80％的NaOH溶液中、在室溫下的硫酸和磷酸中，在溫度低于550℃的高溫氟化氫氣體中都有良好的耐蝕性。它常用作核動力輕水堆耐應力腐蝕的結構材料，亦用作化學工業的加熱器、換熱器、蒸發器等耐高溫水腐蝕設備，亦用于高溫熱處理設備及構件。N06600合金含量鉻不高，在弱氧化性環境具有抗腐蝕性能，但在熱的強氧化性濃硝酸溶液里有弱的抗蝕性。該合金在固溶狀態在不含Cl-和O2的高純水中有晶間腐蝕開裂傾向；在228℃時有堿脆現象；在593℃～704℃短時間加熱后發生晶間腐蝕；焊接熱影響區在純水中也發生晶間應力腐蝕開裂。這是因為C在高Ni合金中溶解度極低，固溶處理時合金自動敏化引起M7C3碳化物沿晶界析出產生晶界邊緣貧鉻化所致。

綜上分析，N06600材料耐腐蝕性能對溫度很敏感，而焊接是一個不均勻加熱和冷卻的過程，所以該種材料的焊接若焊接規范控制和焊材選擇不當，很容易產生晶間腐蝕問題，因此N06600材料焊接焊前一般不需要預熱，除非金屬的溫度顯著低于周圍的環境溫度，這是防止濕氣冷凝產生氣孔。層間溫度最好控制在100℃以下。N06600材料焊接焊后也不需要熱處理，熱處理反而降低了耐蝕性。

圖1　ATR氧氣加熱器設備

2　N06600材料焊接技術要點

N06600材料與低碳鋼、不銹鋼相比存在異同，但只要掌握了其焊接特點，焊接也并不難。N06600材料的焊接工藝與不銹鋼的焊接工藝非常相似，且它的熱膨脹性能和碳鋼相似，所以焊接過程的變形趨勢也與碳鋼幾乎相同。雖然大多數工人熟悉低碳鋼、不銹鋼獲得合格焊接接頭的所必須的焊接技術，但對N06600材料的焊接存在一定的限制。

焊接N06600材料若要獲得合格的焊接接頭需要注意三個基本的焊接技術，大部分鎳基合金都存在此焊接問題，在焊接其他鎳基合金材料時可作為參考：（1）必須嚴格清理焊接區；（2）熔池的熔融金屬流動粘滯緩慢；（3）固有的低的焊接穿透力。

2.1嚴格清理焊接區域

焊接N06600材料出現的大多數問題是因焊前沒有徹底的清理。焊前清理主要是清除從接頭區域帶來的兩種類型的外來材料：一是大量的表面氧化物；二是脆性元素。

（1）必須從焊接區域清除外來的第一類型材料是表面金屬氧化物。N06600表面的金屬氧化物會導致焊接缺陷，在大氣溫度下形成的微量氧化物不會引起焊接問題，但是如果在高溫環境中并且生成的氧化物非常多，就必須要清除。因為氧化物的熔點通常要比母材金屬高很多，N06600鎳合金的熔化區間為1370℃～1425℃，而鎳氧化物熔點達2090℃。焊接過程中，母材金屬熔化了而氧化物仍保持固態，這將造成未熔合的缺陷。所以在焊接前必須用打磨、噴砂、酸洗或機械方法將氧化物從接頭處去除。

（2）必須從焊接區域清除外來的第二類型材料實際上是脆性元素的組合。高溫時，N06600鎳合金非常容易受硫、磷、石墨以及其他一些低熔點物質的影響而變脆，導致焊縫和熱影響區產生裂紋。這些物質通常來自于金屬加工的輔助材料，例如機油或潤滑油、切削液、標記顏色筆、從裝配或其他機械加工場地來的油霧、車間污物和灰塵等。為避免這些脆性物帶來的不利影響，在焊接前或高溫作業前必須徹底清理N06600鎳合金。車間臟污、標記筆記或墨跡以及其他具有油基或脂基的污跡可以通過丙酮或酒精去除，油漆或其他污物需要采用堿性或合適的特殊成分的清洗劑去除。

2.2熔池的熔融金屬流動粘滯緩慢

N06600合金焊接第二個重要的特點是熔池的熔融金屬流動粘滯緩慢。熔融的鎳基合金材料不會像碳鋼那樣容易流動或鋪展。焊工必須能熟練的操作控制焊接熔池，引導填充金屬材料到達接頭中合適的部位。因而接頭必須有足夠的空間，以保證焊槍和填充金屬的運動。有的焊工對N06600合金不熟悉，試圖用提高超過推薦范圍的電流來增加焊接金屬的流動性，過大的電流不但不能提高焊接金屬濕潤的特性，反而帶來了不利影響。超過推薦范圍的電流使熔池過熱和焊接金屬的脫氧劑蒸發，從而引起了氣孔，焊條電弧焊的大電流會使焊條過熱，藥皮開裂、脫落，電弧吹力損失。

由于N06600合金焊接金屬在接頭坡口面上不流動，焊工必須把焊條巧妙地安放在正確的位置或使用擺動的方法。輕微的擺動寬度不要超過3倍的焊條直徑。為了使焊工更好地使用擺動技巧，其坡口與碳鋼坡口相比通常更寬、角度更大一點。

2.3低的焊接穿透力

N06600合金固有的低的焊接穿透力是由鎳合金的物理性能決定的。N06600合金的穿透力是低碳鋼穿透力的50％。有的焊工采用增加電流的方法試圖獲得穿透力，對于碳鋼可行，但對于N06600合金，過大的電流不能增加穿透力反而帶來了過熱和蒸發問題。

3　N06600材料焊接工藝評定試驗

N06600合金焊接工藝評定按JB4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》和JB/T4756-2006《鎳基鎳合金壓力容器》附錄B的有關規定和該項目的圖紙及技術文件的要求進行一些列的工藝評定試驗。主要是管箱變徑段拼縫和管子-管板評定，且試驗的重點不是N06600合金的力學性能而是耐腐蝕性能。

3.1焊接工藝評定試驗材料

管箱變徑段拼縫評定選擇的母材材料與產品一樣同為N06600合金（δ=6 mm，執行標準ASME SB-168），交貨狀態是退火，分別采用焊條電弧焊和手工鎢極氬弧焊兩種焊接方法進行評定；管板采用堆焊結構，管板基層材料是15CrMoR（δ=20 mm，執行標準GB6654），交貨狀態是正火+回火；管子是N06600合金（規格φ14 mm×2 mm，執行標準ASME SB-163），交貨狀態是退火，采用手工鎢極氬弧焊焊接。根據N06600合金的化學成分、力學性能和圖紙技術要求選擇ENiCrFe-3焊條（規格φ4mm×350mm）和ERNiCr-3焊絲（規格φ2 mm）。評定所用母材及焊材的化學成分和力學性能如表1、表2所示（數據來源于質保書）。

表1　評定用母材及焊材的化學成分％

表2　評定用母材及焊材的力學性能

3.2焊接工藝評定試驗采取措施

3.2.1管箱變徑段拼縫評定技術措施及評定結果

（1）采用V型坡口（見圖2），使用丙酮清洗坡口及坡口兩側50 mm范圍內的油污、臟物。

圖2　管箱變徑段拼縫評定的坡口形式

（2）焊條按規定350℃烘干，保溫1 h。

（3）分別用焊條電弧焊和手工鎢極氬弧焊焊接試板，注意操作手法，使熔敷金屬鋪開良好并嚴格控制規范（見表3）。

（4）為保證其腐蝕性能，避免高溫停留時間，嚴格控制層間溫度小于100℃，盡可能不連續焊。

（5）第二層焊接之前，一定要嚴格清理焊縫表面，先用不銹鋼絲刷清理再用丙酮清洗。

（6）焊條焊試板采用雙面焊，背面需要打磨清根，嚴格清理待焊面后再施焊，氬弧焊試板采用單面焊且要采用背氣保護。

以上兩個評定焊后進行RT100％Ⅱ級+PT100％Ⅰ級探傷，并滿足JB/T4730-2005標準要求，探傷合格后按JB4708-2000和產品技術條件進行力學性能和腐蝕性能的檢驗，試驗結果如表4所示。

表3　管箱變徑段拼縫評定焊接工藝參數

表4　管箱變徑段拼縫評定試驗結果

3.2.2管子-管板評定技術措施及評定結果

3.2.2.1管板堆焊技術措施

（1）使用砂輪機打磨待堆焊面露出金屬光澤，堆焊前用丙酮清洗堆焊面，確保堆焊區域清潔。

（2）基層母材是15CrMoR材料，屬于耐熱鋼，焊前需預熱150℃以上，避免出現焊接裂紋。

（3）焊條電弧堆焊第一層，焊接規范如表5所示，注意操作手法，使熔敷金屬鋪開良好。

表5　管板堆焊評定焊接工藝參數

（4）待層間溫度降至100℃以下，嚴格清理堆焊表面，先用不銹鋼絲刷清理再用丙酮清洗，確保堆焊堆焊區域清潔后再堆焊第二層；按此措施堆焊第三層、第四層（滿足堆焊高度大于等于10 mm）。

管板堆焊評定逐層進行PT100％Ⅰ級探傷，并滿足JB/T4730-2005標準要求，探傷合格后按JB4708-2000和產品技術條件進行力學性能和腐蝕性能的檢驗，試驗結果如表6所示。

表6　管板堆焊評定試驗結果

圖3　管子管板焊接坡口

3.2.2.2管子-管板的焊接技術措施

（1）按3.2.2.1節的管板堆焊技術措施再堆焊一塊試板，劃線、鉆孔。

（2）使用丙酮或酒精清洗堆焊面、管子及管孔，確保焊接區域清潔。

（3）焊接管子管板，坡口如圖3所示。因ERNiCr-3焊絲熔敷金屬的流動性差，為防止出現未焊透缺陷，第一道采用自熔、焊后快冷（可用風吹或涂抹酒精方式冷卻）。第一次焊接沒有采用快冷的方式，結果晶間腐蝕不合格，腐蝕試樣嚴重破壞。分析其原因是管子直徑比較?。é?4 mm×2 mm），換熱管的中心距只有19 mm，受熱集中，熱量不易散失，使得高溫停留時間比較長，而這種合金在593℃～704℃短時間加熱后就容易析出碳化物，產生晶間腐蝕現象。為避免這種現象發生，故焊后采取快冷的措施。

（4）焊前嚴格清洗焊接表面，手工鎢極氬弧焊填絲焊第二道，焊后快冷。

管子-管板評定焊接工藝參數如表7所示，焊后逐層進行PT100％Ⅰ級探傷，并滿足JB/T4730-2005標準要求，探傷合格后按JB4708-2000和產品技術條件進行宏觀金相和ASTM G28-A法（硫酸鐵-50％硫酸溶液，腐蝕24h）晶間腐蝕試驗，腐蝕率4.64mm/a，試驗結果滿足要求。

表7　管子管板評定焊接工藝參數

4　結論

（1）為了獲得高質量耐腐蝕的焊接接頭，N06600合金的焊前清理工作非常關鍵。

（2）焊接操作時要注意N06600合金的熔融金屬流動粘滯緩慢和低的穿透能力。

（3）N06600合金耐蝕性能對溫度很敏感，因而焊前一般不需要預熱和焊后不需要熱處理。

（4）焊接規范和層間溫度不能過大，如果熱量集中不易散失，焊后采用快冷方式可以考慮。

（5）鉻對鐵鎳基和鎳基耐蝕合金的耐蝕性與不銹鋼有相同的作用原理。含鉻量越高，合金的耐氧化性介質腐蝕、抗高溫氧化、硫化等性能就越好。盡量選擇含碳量低、含鉻量高的焊材。

[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[M].北京：機械工業出版社，1995.

[2]SMC國際超合金集團焊接產品公司.鎳基合金焊接指南[M].上海：SMC國際超合金集團焊接產品公司，2004.

Welding points of N06600 alloy and test technology measures by G28-A ASTM method

ZHU Ning
（Chemical Machinery Works，Nanjing Chemical Industrial Co.，Ltd.，Sinopec.，Nanjing 210048，China）

By using ATR oxygen heater manufacturing as an example，this paper introduced the corrosion resistance and welding techniques of N06600 alloy and the welding procedure qualification of this equipment.Then discussed the measures and the matters needing attention in the welding procedure of N06600 alloy to meet the requirements of ASTM G28-A method for intergranular corrosion test.

N06600 alloy；corrosion resistance；welding technology points；G28-A ASTM method

TG457.1

A

1001－2303（2016）03－0039-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.08

2016-01-09；

2016-02-01

朱寧（1984—），男，遼寧錦州人，學士，主要從事承壓設備焊接工藝編制和焊接管理工作。