Incoloy825鎳基合金焊接接頭晶間腐蝕問題

李久振，王 恒

（中核集團中國核電工程有限公司，北京100840）

0 前言

國內(nèi)某核化工工程中的某臺設(shè)備用于處理工藝運行產(chǎn)生的二次廢液，它一旦發(fā)生泄漏，整個工程就會停工。該設(shè)備主體材料采用Incoloy825鎳基合金，其化學(xué)成分和力學(xué)性能要求分別如表1[1]、表2所示。

鑒于該設(shè)備的重要性，設(shè)計上要求焊接接頭按照GB/T 15260-2016《鎳基合金晶間腐蝕試驗方法》[2]的D法，即65%硝酸法進行晶間腐蝕敏感性試驗，試驗時間為48×5 h，合格指標為腐蝕速率不大于0.275 mm/a。

表1 Incoloy825鎳基合金的化學(xué)成分要求 %

表2 Incoloy825鎳基合金的力學(xué)性能要求

1 改進前的晶間腐蝕試驗

查閱文獻[3]可知，焊接Incoloy825鎳基合金選用焊條ENiCrMo-3（GB/T 13814[4]）或焊絲ERNiCrMo-3（GB/T 15620[5]），化學(xué)成分分別如表3、表4所示。

在化學(xué)成分、力學(xué)性能和耐晶間腐蝕性能均滿足要求的母材上，對使用ENiCrMo-3和ERNiCrMo-3焊材的全部氬弧焊焊接接頭以及氬弧焊打底+焊條電弧焊填充、蓋面的焊接接頭進行晶間腐蝕試驗，按GB/T 15260-2016 D法要求制作試樣，將加工好的試樣放置于帶同流冷凝裝置的錐形瓶中，加入65%硝酸溶液，加熱試驗溶液并保持微沸狀態(tài)，試驗連續(xù)48 h，重復(fù)以上試驗步驟5次，采用稱重法得到試驗結(jié)果分別如表5、表6所示。

由表5和表6可知，晶間腐蝕試驗結(jié)果與合格指標（≤0.275 mm/a）差距很大。制造廠后期改進工藝進行多次試驗，包括調(diào)整焊接工藝參數(shù)、增大坡口角度（單邊坡口角度由30°增大到35°），以及避免影響試驗的外界因素等，但試驗結(jié)果均未達到設(shè)計要求的合格指標。

表3 ENiCrMo-3焊條化學(xué)成分 %

表4 ERNiCrMo-3焊絲化學(xué)成分 %

表5 全部氬弧焊焊接接頭的晶間腐蝕試驗結(jié)果（使用ERNiCrMo-3） mm/a

表6 氬弧焊打底+焊條電弧焊填充、蓋面焊接接頭的晶間腐蝕試驗結(jié)果（使用ERNiCrMo-3和ENiCrMo-3） mm/a

2 焊接工藝改進

為了保證整臺設(shè)備的抗晶間腐蝕性能，提出以下焊接工藝改進措施：

（1）鎢極氬弧焊具有能量集中、熱輸入小等特點，有利于保證焊接接頭焊后具有良好的耐晶間腐蝕性能。因此，對于較薄Incoloy825鎳基合金部件（t≤4 mm）采用全部的鎢極氬弧焊焊接方法；同時考慮到焊接的熔敷效率，對于較厚Incoloy825鎳基合金部件（t＞4 mm）采用鎢極氬弧焊打底+焊條電弧焊填充和蓋面的組合焊接方法。

（2）在多道焊的焊接接頭中，由于先焊的焊道比后焊的多經(jīng)受一次焊接熱循環(huán)的敏化作用，所以在焊接工藝卡中要求設(shè)備的使用面進行最后一道焊道的蓋面焊，以充分利用最后一道焊道的最佳耐晶間腐蝕性能。該設(shè)備使用面的最后一道焊道的蓋面焊采用鎢極氬弧焊。

（3）為減輕鎳基合金焊接接頭焊后的晶間腐蝕敏感性，在多道焊的焊接過程中，從第二道焊道開始，在焊縫背面采用強制水冷，有效縮短焊縫在高溫區(qū)的停留時間，嚴格控制多層多道焊的道間溫度小于等于60℃，并且層間焊道交接處錯開。

（4）為保證焊接接頭返修部位的耐晶間腐蝕性能，在焊接工藝評定中考慮進行模擬補焊的晶間腐蝕試驗。

3 焊接材料改進[4-5]

為了提高焊接接頭的耐晶間腐蝕性能，使用化學(xué)成分更加合理的焊條ENi8025（GB/T 13814）和焊絲SNi8025（GB/T 15620），焊材的化學(xué)成分分別如表7、表8所示。

常溫下鎳基合金中的碳溶解度很低，幾乎所有碳含量都可能在晶間以碳化物形式析出，成為產(chǎn)生晶間腐蝕敏感性的最重要因素，因此降低碳含量成為提高耐晶間腐蝕性能最主要途徑。對比表3和表7可知，w（C）上限由0.10%降至0.06%；對比表4和表 8可知，w（C）上限由0.10%降至 0.02%，w（C）要求值大幅降低，有利于提高焊接接頭的耐晶間腐蝕性能。

表7 ENi8025焊條化學(xué)成分 %

表8 SNi8025焊絲化學(xué)成分 %

鎳基合金的晶間腐蝕敏感性主要因貧鉻區(qū)而產(chǎn)生，提高合金中的鉻含量可以相應(yīng)提高貧鉻區(qū)中的鉻含量。由表3、表4以及表7、表8的對比可知，w（Cr）由 20.0%～23.0%提高到 27%～31%，w（Cr）要求值大幅提高，有利于提高焊接接頭的耐晶間腐蝕性能。

當合金中既含有鉻、鉬，又含有鈦、鈮，且處于既能析出鉻、鉬碳化物，又能析出鈦、鈮碳化物的溫度范圍內(nèi)時，會優(yōu)先析出鈦、鈮碳化物，不析出或很少析出鉻、鉬的碳化物。這樣在敏化區(qū)域就不會產(chǎn)生鉻、鉬碳化物，而貧化區(qū)的鉻、鉬含量不會很低，從而使合金不致產(chǎn)生晶間腐蝕敏感性，加入的鈦、鈮對合金中的碳起穩(wěn)定化作用。對比表3和表7可知，Ti或Nb元素含量上限由不要求提高到1.0%；對比表4和表8可知，Ti或Nb元素含量上限由0.4%提高到1.0%，Ti或Nb元素含量要求值大幅提高，有利于提高焊接接頭的耐晶間腐蝕性能。

4 改進后的晶間腐蝕試驗

在化學(xué)成分、力學(xué)性能和耐晶間腐蝕性能均滿足要求的母材上，對使用焊條ENi8025和焊絲SNi8025的全部氬弧焊+氬弧焊封底焊接接頭（焊接工藝參數(shù)見表9）以及氬弧焊打底+焊條電弧焊填充、蓋面+氬弧焊封底焊接接頭（焊接工藝參數(shù)見表10）進行晶間腐蝕試驗，按照GB/T 15260-2016 D法要求制作試樣，并放置于帶同流冷凝裝置的錐形瓶中，加入65%硝酸溶液，加熱試驗溶液，保持微沸狀態(tài)，試驗連續(xù)48 h，重復(fù)以上試驗步驟5次，采用稱重法得到的試驗結(jié)果分別如表11和表12所示，均滿足設(shè)計要求的合格指標（≤0.275 mm/a）。腐蝕后的試樣宏觀照片如圖1所示。

圖1 腐蝕后試樣宏觀照片

表9 全部氬弧焊+氬弧焊封底焊接接頭的焊接工藝參數(shù)

表10 氬弧焊打底+焊條電弧焊填充、蓋面+氬弧焊封底焊接接頭的焊接工藝參數(shù)

表11 全部氬弧焊+氬弧焊封底焊接接頭的晶間腐蝕試驗結(jié)果（使用SNi8025） mm/a

表12 氬弧焊打底+焊條電弧焊填充、蓋面+氬弧焊封底焊接接頭的晶間腐蝕試驗結(jié)果（使用SNi8025和ENi8025） mm/a

5 結(jié)論

為了滿足核化工設(shè)備較為嚴格的耐晶間腐蝕性能要求，解析了Incoloy825鎳基合金焊接接頭的焊接工藝和焊接材料改進措施，如最后一道焊道采用鎢極氬弧焊、焊縫背面采用強制水冷、焊材由E(R)NiCrMo-3更改為E/S Ni8025。采取改進措施后的晶間腐蝕試驗最終通過了設(shè)計要求指標。