基于ASME規(guī)范的鎳基合金耐蝕堆焊工藝評定

耿亞鴿 白天祥 于成科

（1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院；2.中國石油天然氣第一建設(shè)有限公司）

固溶強(qiáng)化鎳基合金（如N08825）具有良好的耐點腐蝕和縫隙腐蝕性能，在氧化和還原環(huán)境下均具有抗酸（如硫酸、磷酸、硝酸和有機(jī)酸）、堿金屬（如氫氧化鈉、氫氧化鉀和鹽酸溶液）腐蝕性能，同時其高鎳成分使得該合金具有有效的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能，因此在油氣田開采中得到廣泛的應(yīng)用［1～3］。

在鎳基合金復(fù)合材料壓力容器制造過程中，經(jīng)常會涉及到耐蝕堆焊層的焊接。 制定合理的耐蝕堆焊工藝，并進(jìn)行相應(yīng)的焊接工藝評定，對于保證壓力容器焊接質(zhì)量和產(chǎn)品制造質(zhì)量具有重要意義。

1 壓力容器概況

國外某原油開采處理項目中有4臺導(dǎo)熱油-原油換熱器，均按照ASME 規(guī)范進(jìn)行設(shè)計和制造［4］。 殼程介質(zhì)為導(dǎo)熱油，主體材料為SA-516M Gr.415；管程介質(zhì)為原油，主體材料為SA-516MGr.415+UNS N08825， 換熱管材料為SB-163M UNS N08825。

該壓力容器制造時的難點是鎳基復(fù)合板的焊接和耐蝕堆焊層的焊接。 為提高與原油接觸部位材料的抗腐蝕性能，換熱器的固定管板、管箱法蘭、浮頭法蘭及接管法蘭等部件都需要進(jìn)行耐蝕堆焊。 通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)并根據(jù)以往的制造經(jīng)驗，按照設(shè)計資料和技術(shù)文件的要求，初步選定ENiCrMo-3作為堆焊材料，依據(jù)ASME規(guī)范進(jìn)行焊條電弧焊的堆焊工藝評定。 ENiCrMo-3證明書中顯示的化學(xué)成分見表1。

表1 ENiCrMo-3化學(xué)成分 %

2 預(yù)焊接工藝規(guī)程

ASME BPVC.IX—2019中并無 “預(yù)焊接工藝規(guī)程”這個術(shù)語［4］，但通讀ASME BPVC.IX—2019可以看出，“WPS-Welding Process Specification”是正式進(jìn)行工藝評定之前初步擬定的焊接工藝，故參照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》中的術(shù)語和定義［5］，將此處的焊接工藝文件稱為預(yù)焊接工藝規(guī)程。

根 據(jù)ASME BPVC.IX—2019 中QW-453 的 相關(guān)規(guī)定，堆焊工藝評定試件厚度T＜25 mm時，適用的焊件基層厚度為“T～最大厚度不限”，因此選取母材厚度相對較小的鋼板。 基層材料為SA-516M Gr.415，鋼板厚度10.0 mm；堆焊層焊材為ENiCrMo-3， 堆焊層厚度4.5 mm； 焊接方法采用焊條電弧焊，焊條直徑3.2 mm，焊接層數(shù)2層，采用直流反接。 堆焊工藝評定試件如圖1所示。

圖1 堆焊工藝評定試件示意圖

堆焊工藝評定試件焊接時擬采用的焊接參數(shù)見表2。 焊前應(yīng)注意按照產(chǎn)品說明書中的相關(guān)要求對焊條進(jìn)行烘干，同時對試件基材表面進(jìn)行清理，去除可能存在的鐵銹、油污及水分等不潔物。 由于鎳基合金具有高的焊接熱裂紋敏感性，在堆焊時應(yīng)注意層（道）間溫度，一般控制在100 ℃以下。 焊接完成后進(jìn)行620 ℃±20 ℃的焊后熱處理，保溫時間2.5 h。

表2 堆焊焊接參數(shù)

3 堆焊工藝評定

根 據(jù)ASME BPVC.IX—2019 中QW-453 的 相關(guān)規(guī)定，堆焊工藝評定需要進(jìn)行滲透檢測、彎曲試驗及化學(xué)成分分析（壓力容器制造技術(shù)要求中有規(guī)定）等。 另外，如果設(shè)計文件規(guī)定或者技術(shù)文件中如果有特殊要求時，還應(yīng)增加相應(yīng)的檢驗項目。 根據(jù)該壓力容器制造技術(shù)要求，本次評定的其他檢驗項目還有硬度檢測、點蝕檢測、應(yīng)力腐蝕開裂試驗和晶間腐蝕敏感性檢測。

3.1 滲透檢測

按照ASME規(guī)范第6章的相關(guān)要求，對評定試樣堆焊層表面進(jìn)行滲透檢測， 并依據(jù)ASME BPVC.IX—2019中的QW-195.2進(jìn)行驗收， 結(jié)果未發(fā)現(xiàn)相關(guān)線性顯示、 大于5 mm的相關(guān)圓形顯示等，故檢測結(jié)果合格。

3.2 彎曲試驗

依據(jù)ASME BPVC.IX—2019中QW-160和QW-453的相關(guān)要求進(jìn)行試樣準(zhǔn)備， 在平行和垂直于焊接方向各切取兩個彎曲試樣，試樣的橫截面近似矩形，試樣厚度10 mm。 對這4個試樣進(jìn)行側(cè)彎試驗，彎曲直徑40 mm，支距63 mm。 試驗后沿任何方向測量，4個試樣均未發(fā)現(xiàn)開口缺陷，試驗結(jié)果合格。

3.3 化學(xué)成分分析

在距基層熔合線2～3 mm的堆焊層上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表3，可以看出評定試樣化學(xué)成分和材料證明書中的基本一致，評定結(jié)果合格。

表3 評定試樣化學(xué)成分 %

3.4 硬度檢測

對評定試樣進(jìn)行硬度檢測，檢測結(jié)果列于表4，由表4可以看出，硬度值符合技術(shù)文件規(guī)定的要求（基層硬度不大于248HV10，堆焊層和熔合線的硬度不大于315HV10， 單個硬度值不大于345HV10）。

表4 評定試樣硬度檢測結(jié)果

3.5 點蝕檢測

在堆焊層上取一組（3個）試樣，依據(jù)ASTM G48-11（R2015）［6］中的A法進(jìn)行FeCl3點蝕試驗，結(jié)果見表5。 試驗結(jié)果表明，試樣在溫度為50 ℃±2 ℃的6%FeCl3溶液中，經(jīng)過72 h試驗后的平均腐蝕速率僅為0.12 g/m2。另外，在20倍顯微鏡下檢查試樣表面，3個試樣表面均未發(fā)現(xiàn)明顯的點蝕痕跡。

表5 點蝕試驗結(jié)果

3.6 應(yīng)力腐蝕開裂試驗

表6 抗應(yīng)力腐蝕開裂性能試驗結(jié)果

3.7 晶間腐蝕敏感性檢測

在距基層2～3 mm的堆焊層上取一組（3個）試樣，依據(jù)ASTM G28-02（R2015）［7］中的A法進(jìn)行晶間腐蝕敏感性檢測，結(jié)果見表7。 試驗結(jié)果表明，試樣在50%沸騰硫酸鐵-硫酸溶液中， 經(jīng)過120 h試驗后的腐蝕速率滿足技術(shù)文件要求。

表7 晶間腐蝕敏感性檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

對于鎳基復(fù)合板換熱器上需要耐蝕堆焊的部件，采用焊條電弧焊方法，以ENiCrMo-3作為堆焊材料，焊接時注意基層材料表面的清理，同時控制層（道）間溫度不高于100 ℃，依據(jù)ASME規(guī)范進(jìn)行焊接工藝評定。 經(jīng)過滲透檢測、彎曲試驗、化學(xué)成分分析、硬度檢測、點蝕檢測、應(yīng)力腐蝕開裂試驗和晶間腐蝕敏感性檢測項目的檢驗，耐蝕堆焊工藝評定合格。 可以根據(jù)該焊接工藝評定制定相應(yīng)的焊接工藝規(guī)程，進(jìn)行壓力容器的制造施焊工作。