INCONEL600 鎳基合金管道小角度坡口焊接施工方法

溫興奇 彭琴琴

中國化學工程第十六建設有限公司 湖北 宜昌 443000

INCONEL600 管道材料為Ni- Cr- Fe 合金，屬于鎳基合金的一種。INCONEL600 鎳基合金材料由于其優良的抗腐蝕性能，廣泛應用于石油化工等各行各業。在中國化學工程第十六建設有限公司承接的各類項目中，該種材質及類似材質使用越來越多，經過在施工過程中的不斷總結創新和實踐改進，形成了一個相對成熟的INCONEL600 鎳基合金管道小角度坡口施工方法。以濱化集團五氟乙烷裝置INCONEL600 鎳基合金管道為例，介紹鎳基合金的小角度坡口焊接工藝。INCONEL600 鎳基合金管道規格見表1。

表1 INCONEL600 鎳基合金管道規格一覽表

1 INCONEL600 鎳基合金性能分析

INCONEL600 的Ni- Cr- Fe 基固溶強化合金熔點高、耐熱、耐腐蝕、強度高，在高溫下具有良好的抗氧化性和抗滲碳性，在室溫和略高于室溫的條件下具有良好的機械性能。但INCONEL600 鎳基合金導熱性差，在結晶時晶粒有嚴重的長大傾向，易導致晶粒粗大，且焊縫金屬中含有的S、P、Si、Sb 等元素容易與Ni 形成低熔點共晶，產生熱裂紋。熱輸入過大時，易形成方向性強的單相奧氏體組織，雜質偏析嚴重，易產生熱裂紋；若收弧不當，易產生弧坑裂紋；受焊接熱循環影響，近縫區有產生液化裂紋的傾向，且液體流動性能較差，易發生融合現象，焊接難度大，合格率偏低。INCONEL600 的物理性能及化學成分等分別見表2 和表3。

表2 INCONEL600 的物理性能

表3 INCONEL600 的化學成分

2 INCONEL600 鎳基合金材料焊接工藝分析

INCONEL600 鎳基合金材料焊接時，有低熔點共晶化合物 (Ni2S2 共晶溫度為645℃,Ni2P 共晶溫度為990℃）的液態膜殘留在晶界區,由于收縮應力的作用而開裂，形成弧坑裂紋和焊道裂紋，且有害氣體來不及逸出而形成氣孔。焊件表面的污染物質也會對焊縫金屬性能產生很大影響。鎳基合金焊接熔池流動差、熔池“粘”，焊接操作難度大，以及結晶時氣液相時間短給焊接帶來不利因素。

目前，INCONEL600 鎳基合金材料焊接普遍采用大角度坡口的手工鎢極氬弧焊，熔覆效率低，焊縫易出現夾渣、氣孔等缺陷，并且極易出現焊絲燒損的現象。同時，母材容易氧化的區域大，降低了母材的耐腐蝕性能，導致焊接質量未達到二級合格水平。經過在施工過程中的不斷總結創新和實踐改進，形成了一個相對成熟的INCONEL600 鎳基合金管道小角度坡口施工方法。傳統的大角度坡口條件下，焊絲較粗，采用“一層一道”焊接。由于熱量的不均勻性，極易出現夾渣、氣孔等缺陷，且不利用晶粒的細化。為此，在小角度坡口條件下采用多層多道焊技術，不僅可以明顯減少夾渣、氣孔等缺陷，而且提高了氬氣的保護效果，加快焊接成型速度并提高焊接表面平整美觀度。

（1）針對管道直徑的不同，對焊絲直徑進行細化分級，結合小電流、多層焊接的工藝，控制了焊接區域的熱量和熱影響區范圍，減輕了對鎢極的燒蝕，縮小了母材氧化區域，提高了管道抗腐蝕性。

（2）采用后退焊法施工，焊接采用小線能量、窄焊道和保持電弧電壓的溫度，結合焊絲的預熱和焊槍小幅螺旋擺動運行方式。小擺動幅度應不大于焊條直徑的2.5倍，形成對熔池合金液體的有利攪動，延緩熔池的凝固速度，顯著降低焊縫氣孔夾渣缺陷，保證了焊接質量。

通過采用此施工方法，不僅能夠加快INCONEL600鎳基合金管道的施工進度，降低施工成本，而且提高了施工質量，具有明顯的經濟效益和質量效益。

3 焊接施工準備

3.1 焊接環境管理

（1）預制場必要時用腳手架鋼管搭設防風棚，并用彩條布遮擋，防止風、雨的影響；

（2）現場作業期間，氬弧焊時若風速≥2m/ s，手工電弧焊時若風速≥8m/ s，均應采取防風措施；

（3）焊接電弧1m 范圍內的相對濕度＞90%，室外作業在雨天應停止施焊；

（4）當焊件表面潮濕、覆蓋有冰雪，或在下雨、下雪、刮風期間，若焊工及焊件無保護措施，不得進行焊接。

3.2 焊接人員的控制

（1）根據焊接工藝評定所提供的工藝參數，在技術人員的指導下組織焊工進行學習，并請有經驗的焊工師傅作示范，對將參與焊接的焊工進行操作技能培訓。所有焊工均必須取得質量技術監督局頒發的焊工合格證，在現場由業主組織考試，經考試檢測合格后發放焊工上崗證，才能上崗操作，且只能從事合格證有效范圍內的焊接工程。焊工應嚴格按照給定的焊接工藝指導書施焊，當出現異常情況時，應及時報告有關人員，不得自行處理。

（2）焊接技術人員和焊接質檢人員由有經驗、有能力勝任本職工作的人員擔任。

（3）無損檢測人員和理化分析人員應具備相應資格證書。

3.3 材料管理

（1）INCONEL600 材質管道及其配件應具有生產廠家的產品合格證及質量證明書，經復檢，其規格、化學成分、力學性能及供貨狀態均應符合要求。為了避免材料受到污染，施工前INCONEL600 管子、管件一定要存放在干燥、干凈和安全的倉庫，并指定專人負責保管。安裝前車間門窗封閉、地面打掃干凈；安裝過程中工人穿干凈的工作服，戴干凈的手套，不得直接用手摸材料；預制材料放在干凈的工作平臺上，并用塑料薄膜覆蓋；材料不得與鐵件、地面接觸；在材料表面不得用記號筆作標記等。

（2）焊材在使用前，要檢查出廠合格證和材質證明書，并進行外觀檢查。

（3）焊接材料分類存放保管，由專人負責，統一管理，作好記錄，材料工程師要定期進行檢查。焊材庫應配置空氣除濕機、溫濕度記錄儀，以保證溫度在5～35℃之間，濕度不超過60%。焊條、焊絲應存放在架子上，架子離地面和墻面的距離不應小于300mm，集裝箱可靠墻放置。

3.4 現場施工管理

（1）施工人員使用專用設備和專用手套施工；

（2）組對時采用專用夾具固定，管內兩側100mm 處襯可溶紙，點焊時充氬氣保護；

（3）收弧時注意填滿弧坑，防止產生弧坑裂紋；

（4）焊接部位設置擋風板擋風；

（5）表面質量控制：焊縫加強高≤1.5mm，焊縫寬度差≤2mm，不平度≤1mm；

（6）射線探傷要求Ⅱ級合格。3.5 焊接方法的選擇

濱化集團五氟乙烷裝置INCONEL600 鎳基合金管道采用全氬弧焊。

4 INCONEL600 鎳基合金管道小角度坡口施工工藝

4.1 坡口制作

INCONEL鎳基合金管子切割和坡口加工必須采用機械方法。管子可采用砂輪切割機下料切割，坡口使用角向磨光機或管子坡口機進行加工。砂輪切割機和角向磨光機使用的砂輪片必須專用，不得切割或打磨其他材料。坡口用角向磨光機打磨后應用挫刀修磨坡口表面，清除砂粒、毛刺。由于采用大角度坡口，焊絲填充材料消耗很大，而鎳及鎳基合金焊絲非常昂貴，因而大大增加了材料成本。經過試驗總結，選用坡口角度15°～20°的小角度坡口，坡口端面間隙為1～2mm。圖1 為坡口制作現場圖。

圖1 坡口制作

4.2 焊前清理

組對前用角向磨光機將坡口及母材兩側表面20mm范圍內的氧化物、油污、熔渣及其他有害雜質清理干凈，并將凹凸不平處打磨平整。坡口及其內外側表面不得有裂紋、夾層等缺陷；焊前必須認真清理接頭兩側各100mm范圍，包括鈍邊和坡口。一般采用丙酮、不銹鋼絲刷等清理。

4.3 組對

（1）為避免增加內應力和產生應力集中，壁厚相同時，其內壁應盡量平齊，內壁錯邊量不得大于0.5mm。壁厚不同，內壁差大于0.5mm 或外壁差大于2mm 時，不得對焊接接頭進行加熱校正，不得采用強力組對。

（2）組對時應墊置牢固，并應采取措施防止焊接過程中產生附加應力和變形。圖2 為現場組對。

圖2 現場組對

4.4 焊絲直徑選定

在傳統大角度坡口條件下，焊絲直徑具有廣泛的適用性，從細管到粗管均可采用2.0mm 或2.4mm 的焊絲。因焊接電流大，增大了焊接母材熱影響區，導致氧化較為嚴重，對母材的材質和耐蝕性能影響很大。

在小角度坡口條件下，必須使用小的較細的焊絲和較小的焊接電流，以減小對對母材的熱影響，保證焊完后表面母材基本不變色。選定焊絲規格為1.0～1.6mm：對5mm 壁厚以下（含5mm）的選用1.0mm 的焊絲，對5mm壁厚以下（含5mm）的選用1.6mm 的焊絲。通過試焊操作，焊絲熔敷效果良好，既保證了填充量足夠，又保證了填充效率。

4.5 操作要點

對于INCONEL600 管道材質焊接，通常的焊接操作手法為前進焊法，焊炬指向待焊部位，而且要求焊槍的橫向擺動比較大，以克服焊液“粘性大”、焊接熔池流動性不強的問題。但在小角度坡口的條件下，由于空間有限，不適用傳統的焊槍操作技術。

采用后退焊法施工，焊接電弧指向已焊完的金屬焊縫，使熔池冷卻緩慢，有利于改善焊接組織，減少未熔合、氣孔、夾渣等缺陷。焊接應采用小線能量、窄焊道，并保持電弧電壓的溫度，焊槍由原來的較大幅度“之”字形橫向擺動改為小幅（不大于焊條直徑的2.5 倍）螺旋擺動，改善熔池焊液的流動性，提高了熱利用率，從而提高焊接熔敷效率。

4.6 焊接工藝要點

采用電阻加熱進行預熱處理，Φ88.9×5.49 及以下規格管道預熱溫度選定在50℃左右，Φ88.9×5.49 規格管道預熱溫度選定在100℃，焊絲預熱50～70℃。

打底焊間隙小，并且為了提高內外氬氣的保護效果，焊接時必須迅速成形，采用一層一道。填充層根據管道規格選用多層多道，焊接時選用細焊絲，蓋面層選用較粗的焊絲，采用一層一道，要求蓋面層熔敷層厚度約1mm 左右，并且焊接表面成型美觀。

4.7 焊接工藝參數

（1）坡口角度15°～20°，坡口端面間隙1～2mm。

（2）焊絲預熱溫度50～70℃，Φ88.9×5.49 及以下規格管道預熱溫度選定在50℃左右，Φ88.9×5.49 規格管道預熱溫度選定在100℃左右。

（3）焊接電源種類：直流；極性：正接；焊接電流80～110A、電弧電壓12～17V；焊絲為氬弧焊絲ERNiCr- 3 直徑1.6mm；焊把氬氣流量10l/ min、充氣氬氣流量8L/ min；鎢棒直徑1.2mm、噴嘴直徑5mm；焊接速度7～10cm/ min；焊接層數：單層。

（4）焊接層道：打底層1 道，填充層2 道，蓋面層2～3 道。

4.8 焊后清理

焊后將焊縫表面的飛濺、焊渣等清理干凈，并用砂輪打磨修整。

4.9 外觀檢查

(1）焊縫外觀成型應良好，且應平滑過渡；焊縫寬度應以每邊超過坡口邊緣2mm 為宜，焊縫表面不得低于母材表面；焊縫余高（?h）應符合下列要求：100%射線檢測焊接接頭，?h ≤1+0.1b（b 為焊縫寬度），且不應大于2mm；其余焊接接頭，?h≤1+0.2b（b 為焊縫寬度），且不應大于3mm。

(2）焊縫表面不允許有裂紋、未熔合、氣孔、夾渣和飛濺等缺陷存在。

4.10 無損檢測

X 射線無損檢測合格標準：Ⅱ級合格。

4.11 系統強度性試驗

（1）經檢驗合格的預制管道按單線圖進行管道安裝，安裝時不能用強制方法固定管子。從事現場作業的焊工應全位置焊接培訓考試合格。

（2）管道安裝完畢后，按規范規定和設計要求進行水壓試驗、水沖洗和化學脫脂。

5 技術措施

（1）嚴格執行焊接工藝標準，提高焊縫一次合格率；

（2）挑選操作技能水平高、責任心強的焊工進行培訓，使之熟練掌握焊接操作技能；

（3）及時進行并迅速反饋焊縫探傷結果，對返修焊縫中所出現的缺陷認真查找原因，提出預防措施；

（4）為焊工提供性能可靠、能滿足焊接施工要求的焊機和清理工具。

6 其他措施

（1）嚴格執行原材料的檢查驗收制度，嚴禁不符合質量要求的材料進入施工現場。

（2）投入優良的施工設備，定期維修施工機械設備，確保施工機具完好率和利用率，保證施工正常進行，施工人員正確操作施工機械。認真執行計量管理標準，按計量檢測標準、規范配備符合要求的計量器具。

（3）對于不合格產品，嚴格控制，及時消除質量隱患。

（4）堅持“三工序”原則，即施工人員要干好本道工序，保護上道工序，服務下道工序；運用“目測、量測、試驗”等手段做好自檢、互檢、專檢工作；利用質量專題會議形式定期分析總結質量情況，找出質量控制因素，確保管道施工質量的控制。

（5）合理安排施工進度和焊接工作量，合理解決焊接質量、焊縫探傷與施工進度之間的關系。

（6）焊工、專職質檢員及無損檢測人員嚴把質量關。

（7）管道下料、組對、焊接、熱處理等每道工序必須經過業主、監理驗收，并做好過程中的控制記錄。

7 結論

INCONEL600 鎳基合金管道小角度坡口施工工藝成功應用于濱化集團五氟乙烷項目的四氯乙烯裝置上，嚴格按照焊接方法及要求進行INCONEL600 管道焊接。焊接過程中控制好焊接間隙，以及母材和焊絲預熱溫度，對焊縫的質量具有至關重要的影響。該技術不僅施工進度快，而且成本大大降低。焊后經無損檢測，焊接合格率高，焊接質量優良。