GH625高溫鎳基合金鋼焊接質量控制

王益銘，吳明禎

中國石油第二建設有限公司（甘肅 蘭州 730060）

GH625 高溫鎳基合金鋼被廣泛應用在煉油廠重整加氫裝置的高溫高壓設備和管線中，主要用于輸送高溫高壓易燃易爆固液相介質。GH625 高溫鎳基合金鋼是以鎳、鉻、鉬、鈮為主要強化元素的固溶強化型鎳基變形高溫合金，在980 ℃具有良好的抗疲勞、抗氧化和耐腐蝕性能，且高溫狀態下焊接性能、金相組織穩定和抗腐蝕性能優良[1-4]。目前GH625 高溫鎳基合金鋼研究主要集中于合金加工工藝、組織和機械性能方面，而對GH625 焊接質量方面缺少系統的研究和全面認識。煉油廠300 萬t加氫裝置的核心高壓換熱設備管程聯接管為GH625 高溫鎳基合金鋼，屬于耐高溫、抗腐蝕性材料，聯接管直徑為Ф630 mm×30 mm，施工現場條件苛刻，焊接難度大，質量難以控制。通過對GH625高溫鎳基合金鋼焊接性能、焊接工藝、焊接技術和質量控制措施等內容進行探討[5]，制定正確的焊接工藝規程。

1 焊接性能分析

GH625 合金具有高強度、極好的耐蝕性和優良的加工性能。但GH625 高溫鎳基合金鋼的焊接具有與奧氏體不銹鋼相類似的問題：焊接時最常出現的缺陷是熱裂紋，焊接快速冷卻過程中極易產生氣孔，焊接時流動性差也易產生夾渣缺陷。由于GH625高溫鎳基合金鋼具有較高的鎳含量，液態鎳流動性差，焊接時易發生未熔合。母材成分及力學性能見表1及表2。

由表1、表2 可知，該合金鋼主要是依據Cr、Ni元素基體上的Mo、Ni元素的固溶強化作用來提高強度，Cr元素用來提高耐蝕性，C元素均勻分布在基體上,在高溫下體心晶格的Ni3Nb金屬化合物以沉淀物形式促進合金強度提高。GH625 高溫鎳基合金鋼中Ni 元素的含量起決定性作用，使該合金具有較高的韌性、良好的耐蝕性和較好的抗氧化性。因其化學含量中有較高的Cr 及Mo 元素，焊接時焊縫及熱影響區易出現淬硬組織。同時由于GH625 高溫鎳基合金鋼的導熱性較差，容易造成晶粒粗大，晶間增厚，使晶間結合力減弱，促進熱裂紋的產生[5]。

表1 GH625的化學成分（質量分數） %

表2 GH625的力學性能

GH625 高溫鎳基合金鋼在焊接過程中，要特別注意焊接熱輸入增大會造成鎳基合金成分偏析導致碳化物的結晶，大大降低焊接接頭性能。另外焊縫的金屬流動性差，焊縫外觀成型差，即使增大焊接熱輸入也不能改進焊縫金屬的流動性，反而起著有害作用。焊接電流增大不僅會造成焊縫熔池溫度過高，焊接熱裂紋加大，而且會使焊縫金屬中的氧化性增大導致出現氣孔。

2 焊接工藝

2.1 坡口加工形式

為保證焊接質量、減少焊接變形，避免出現未熔合缺陷，聯接管的坡口應采用帶鈍邊雙J型坡口，通過試驗證明此種坡口可以最大限度降低各種焊接缺陷。另外，焊接前坡口應進行宏觀檢查，不得有裂紋。具體坡口形式如圖1所示。

圖1 坡口形式示意圖

2.2 焊接方法及焊材選用

目前對于GH625 高溫鎳基合金的研究主要集中在合金加工工藝、組織和力學性能上。Silva 等[6]在研究GH625 高溫合金的固溶強化路徑中采用的試樣就是TIG 冷絲自動焊接件。顧玉麗等[7]采用TIG 對GH625 高溫合金進行焊接，系統研究了焊接接頭組織、元素分布、晶界特征和力學性能。表明在焊縫處為奧氏體枝晶組織，沒有發現明顯的HAZ區，在熔合區的枝晶間區域觀察到大量的δ相析出。

考慮到現場施工特點，焊接時采用氬弧焊打底、手工焊填充蓋面的方法。氬弧焊打底時，為防止合金元素被氧化，背面必須充氬保護或者使用藥芯焊絲。

焊材選用應根據GH625 高溫鎳基合金鋼的合金成分、力學性能、使用條件和施焊條件進行綜合考慮，焊接時宜選用合金成分與母材合金元素相同或相近的焊接材料，焊材選用見表3、表4。

表3 焊接材料的合金成分（質量分數） %

表4 焊接材料的力學性能

2.3 焊接工藝參數

焊接過程中采用全位置（6G）下向焊接，流水焊接作業，即一道焊口由兩名焊工共同完成。當環境溫度低于5 ℃時，焊前需要及時預熱，預熱溫度為100~150 ℃；施焊間隔打底焊與熱焊之間不超過3 min。焊接層數決定著焊縫的塑性和韌性，但要防止接頭過熱和擴大熱影響區的有害影響，應使用小線能量、短弧焊、不擺動的操作方法，每層熱輸入不大于20 kJ/cm，層間溫度控制在200 ℃以下。為減少焊縫裂紋傾向，提高接頭抗蝕性，焊接電流應比普通合金鋼小10%~15%，采用細直徑焊條或焊絲防止焊縫及熱影響區晶粒長大，造成接頭塑韌性下降[8-9]。具體工藝參數見表5。

表5 焊接工藝參數

3 焊接技術措施

3.1 焊接層數選擇

實踐證明，高壓換熱器聯接管壁厚度大，焊接過程中要充分考慮焊接層數，減少每層焊道焊縫中金屬鐵水的溶解量，降低熱輸入以達到減小敏化溫度區間停留時間。隨著焊接層數的增加，變形量會有所減小，經過實驗發現過渡層為三層時，焊接變形量最小，故中間過濾層2～3 層為最佳,每層焊接厚度不大于4 mm。

3.2 焊接參數選擇

為了避免在焊接過程中出現熱裂紋和氣孔等缺陷，焊接時選用電阻較小和熱膨脹系數較小的焊接工藝，并嚴格控制焊接層間溫度。為保證鎢極氬弧焊獲得良好的焊縫質量，焊接時需要氬氣保護好焊縫背面或采用藥芯焊絲，焊絲干伸長為15～25 mm；采用電弧焊焊接時，除合理地選擇填充金屬外，要求采用短弧焊（一般為2～3 mm）小電流、快速焊、焊條不做擺動以利于減小熔深，從而提高焊接接頭的抗裂性能；每層層間接頭要錯開，層間溫度應控制在200 ℃以下，收弧時填滿弧坑。焊縫宏觀形貌[8]如圖2所示。

圖2 GH625高溫鎳基合金焊縫宏觀形貌

3.3 穩定化熱處理選擇

加氫裝置中H2及H2S腐蝕是換熱器聯接管最嚴重的腐蝕類型。目前GH625 高溫鎳基合金鋼材料均在930～1 050 ℃內供熱，在復雜的安裝施工環境中，難以實現焊縫固溶化處理，采用穩定化熱處理可以達到焊縫預期效果，根據鋼材敏化溫度制定焊縫熱處理曲線如圖3所示。

圖3 GH625高溫鎳基合金焊后熱處理曲線

焊縫采用電加熱智能溫控退火的方法，熱處理加熱范圍以焊縫中心為基準，每側各不少于焊縫寬度的3 倍且不少于25 mm。加熱區域以外的100～500 mm內予以保溫，管段兩端應封閉。嚴格設置升溫曲線，控制升溫速度。采用控溫熱電偶儀進行測溫，測溫點數量應根據施工現場情況，提高升溫速度，盡量減小升溫時間，以減少焊縫在敏化區停留的時間。在溫度為850~900 ℃,恒溫時間S/25 h（S為管道壁厚，mm）,且不小于1/4 h；加熱溫度在400 ℃以上時，不超過（25/t× 220）℃/h（t為焊件焊后熱處理的厚度），且不大于220 ℃/h，恒溫期間最高與最低溫差應小于50 ℃/h；加熱溫度在400 ℃以下時，加熱速度可不控制自然冷卻。

3.4 焊接試件檢驗

焊縫RT無損檢測應符合JB/T 4730.2—2016《承壓設備無損檢測》中II 級合格標準，按100%進行檢測。GH625高溫鎳基合金焊縫硬度值見表6。由表6 可以看出，焊縫和熱影響區的硬度檢測結果都未超過標準規定的220 HB，符合要求。

表6 GH625高溫鎳基合金焊縫及熱影響區硬度值 HB

4 結束語

通過對GH625 高溫鎳基合金鋼的焊接性能分析，制定了正確的焊接工藝規程，確定出了合理的焊接層數、焊接參數、焊后熱處理工藝等質量控制措施，避免了焊接裂紋、氣孔缺陷的產生，提高了GH625 焊縫結構的強度和性能。該工藝在煉油廠300 萬t 柴油加氫裝置的核心高壓換熱設備中安裝應用，設備經過近半年的運行，各項運行指標均符合生產指標的要求，表明該焊接工藝規程合理，焊接接頭質量穩定，可以用于柴油加氫裝置的核心高壓換熱設備管程聯接管的焊接。