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INCOLOY800HT材质管道的焊接及热处理

修改时间:2010-10-26 16:32:03 浏览次数：2775次

 

INCOLOY800HT材质管道的焊接及热处理
李雪梅     郁东键
（中国石化集团第四建设公司，天津 300270）
 
摘要：本文对INCOLOY800HT管道进行了焊接性分析，通过焊接工艺评定制定了合理的焊接工艺及热处理工艺，用于指导生产，保证了焊接质量。
关键词： INCOLOY800HT     焊接及热处理      工艺
0前言


由于INCOLOY800HT具有耐高温和高耐腐蚀性，因此在石油化工、冶金等工业中应用越来越广泛，尤其是在高温工况下更是得到较好的应用。如2003年，我公司施工的50万吨/年乙苯/苯乙烯装置中的高温工艺管线设计采用了IINCOLOY800HT，其中管线的设计温度为927℃，操作温度844℃。设计要求，要对此材质进行焊后热处理，以得到该温度范围****性能的晶粒度。
1 INCOLOY800HT的焊接性分析
INCOLOY800HT属于铁镍合金，具有耐腐蚀、高强度和耐高温氧化性能，其化学成分及力学性能见表1。
INCOLOY800HT焊接时易发生以下问题：
                         表1 INCOLOY800HT的化学成分及力学性能

 

C

Mn

Si

S

Cr

Ni

Fe

Cu

Ti

Al

Ti+Al

 

0.06~0.10

≤1.5

≤1.0

≤0.015

19.0~23.0

30.0~35.0

≤39.5

≤0.75

0.15~0.60

0.15~0.60

0.85~1.20

抗拉强度σb （MPa）

屈服强度σs （MPa）

延伸率δ5（%）

 

≥170

≤450

≥30

 

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　


 

1.1热裂纹
INCOLOY800HT具有高的焊接热裂纹敏感性，在弧坑处易产生火口裂纹。首先晶间液膜是引发镍基合金单相奥氏体焊缝凝固裂纹的最主要的冶金因素。母材中硫含量小于0.015%的，配用焊丝及焊条中硫含量也应控制在0.015%以内，含硅量均需严格控制。必须防止上述有害元素的混入，因此焊前彻底清除含硫或铅的一些污物是很必要的工序；选用与母材匹配的焊接材料是防止焊接热裂纹的重要措施。另外焊接区的应变或应变速率是影响产生焊接热裂纹的力学因素。一般情况下采用合理的装配与焊接次序、选用较小的线能量、及时填满弧坑等工艺措施对防止热裂纹均是有益的。
1.2焊接热循环的影响
在焊接的热作用下，焊缝和基本金属容易过热，造成晶粒粗大，使接头力学性能和耐腐蚀性能下降。焊接时应严格控制层间温度。
1.3焊接气孔的敏感性
INCOLOY800HT流动性偏低，在焊接快速冷却的凝固条件下，极易产生气孔；在氧化性焊接气氛下气孔形成机率影响更大，在还原性较大时氢气孔也是敏感的。在焊前必须清除坡口及其附近区域的氧化皮、各种涂料油漆等，更好的防止焊缝气孔。
1.4夹渣
由于INCOLOY800HT液态焊缝金属流动性和润湿性差，穿透力小，熔深浅，容易产生未焊透、夹渣、未熔合等缺陷。焊接时宜采用多层多道焊，每道焊完应进行检查。
2焊接工艺评定
2.1试件
用于焊接工艺评定的INCOLOY800HT材料标准为ASME SB-409，采用的试件是从1067×23.81mm的管上截取的一部分，具体的化学成分见表2。
2.2焊材
用于焊接工艺评定的焊接材料为：焊丝INCONEL617，规格：Φ2.4；焊条INCONEL117，规格：Φ3.2。
2.3根据现场实际情况，焊接坡口采用单面V形坡口。
2.4采用立焊位置焊制焊接工艺评定试板。
2.5试板经焊接、热处理后外观检查合格，内部质量经X射线探伤达到JB4730-94 I 级，合格。
2.6工艺评定结果
我们按ASME IX《焊接和钎焊评定标准》的规定检验试样，测定性能，没有发现任何缺陷，评定合格。力学性能试验结果见表3。


 
表2工艺评定用INCOLOY800HT材料化学成分
C
Mn
S
Fe
Si
Cu
Ni
Cr
Al
Ti
Ti+Al
0.08
0.64
0.001
47.06
0.10
0.17
30.97
19.91
0.41
0.46
0.87
表3力学性能试验结果
试件规格（mm）
抗拉强度（MPa）
断裂部位
试样类型
弯心直径（mm）
弯曲角度(゜)
试验结果
19.2×21.6
645
母材
∕
∕
∕
∕
19.0×21.6
600
焊道
∕
∕
∕
∕
22×10
∕
∕
侧 弯
Φ40
180
合格
22×10
∕
∕
侧 弯
Φ40
180
合格
22×10
∕
∕
侧 弯
Φ40
180
合格
22×10
∕
∕
侧 弯
Φ40
180
合格
 


3INCOLOY800HT的焊接及热处理工艺
    从INCOLOY800HT的焊接性分析可以看出，在焊接该钢种时应注意四个基本问题：一是正确选用与母材匹配的焊接材料；二是接头型式；三是焊前清理；四是选用合适的工艺参数。
3.1焊接材料选用
根据INCOLOY800HT钢焊接性分析及国外做同钢种工艺评定的施工经验，选用与母材化学成分相近的焊材。所选用的焊材为：焊丝INCONEL617，焊条INCONEL117。氩弧焊时采用背面充氩保护，气体流量为10 L/min ~12L/min。
3.2接头型式
为保证接头的熔透，接头形式应选用较大的坡口角度和较小的钝边的形式，焊件切割及坡口加工宜采用机械方法，当采用等离子切割时，应清理其加工表面。焊接接头采用V型坡口，坡口间隙2-3mm，接头简图见图1所示：

70゜
2mm-3mm
1
2
3
4
5
6
7
8
9
文本框: 1mm-1.8mm文本框: 23.81mmmm 

 图1焊接接头型式简图
3.3焊前清理
清洁是成功焊接镍合金的重要条件之一。焊件组对前，应对坡口两侧各50mm范围内进行清理，油污可用丙酮脱脂，对不溶于脱脂剂的漆和其它杂物，可用氯甲烷、碱等清洗剂清洗，被压入焊件表面的杂物可用磨削或10%盐酸溶液清洗。并用水冲净，干燥后方能焊接。
3.4焊接工艺参数
当焊件温度低于15℃时,应对焊缝两侧各300mm范围内加热至15~20℃，且应热透，层间温度低于100℃。
氩弧焊时，电流为直流，极性为正极性，焊接电流为70A~100A，电压为13V~18V，焊接速度5cm/min~7cm/min。
手工电弧焊时，电流为直流，极性为反极性；焊接电流为80A~130A，电压为25V~32V，焊接速度5cm/min ~10cm/min。
3.5焊后热处理
当材质在855℃以上的工况下使用时，为了消除焊接残余内应力，细化晶粒，以提高材质的高温抗氧化性能，避免高温时效下工作产生裂纹。
焊后热处理温度为900℃±10℃，保温时间为2小时，热处理采用电阻炉进行整体热处理。热处理工艺参数如下表4，热处理曲线见图2。
表4焊后热处理参数
热处理
温度（℃）
恒温
时间
升 温
速 度
冷却速度
900℃±10℃
≥2h
500℃以下，加热速度不超过150℃/h，500℃到850℃加热速度不超过100℃/h，850℃时恒温0.5h，850以上，加热速度不超过50℃/h
保温状态下缓冷
 

0
7.5
500
T（℃
850
900
3.5
11
8
9
t(h
保温状态下自然冷却

图2   热处理曲线

4焊接实际应用
我们在50万吨/年乙苯/苯乙烯装置中的高温工艺管线的焊接施工中，针对INCOLOY800HT的焊接特点，制定了正确焊接工艺，并结合焊接工艺评定编制焊接工艺指导书，用于指导生产，由于公司首次使用此种焊材，所以对所有参加施焊的焊工进行了有针对性的焊接操作技能培训和考试。
施工中，除了严格执行焊接工艺外，还要注意以下几方面：
（1）钨极氩弧焊时，底层焊及第二层焊接时，焊缝背面应采取充氩保护，焊接过程中焊丝加热端必须处于气体保护的状态，不能用来搅动熔池。
（２）焊接时采用短弧不摆动或小摆动的操作方法。
（3）对于小直径的管子，焊接中宜采取在焊缝两侧加装冷却铜块或用湿布擦拭焊缝两侧等措施，减少焊缝的高温停留时间，增加焊缝的冷却速度。
（4）焊缝采用多层多道焊时，底层焊道完成后，应采用放大镜检查焊道表面；每道焊接后应彻底清除焊道表面的熔渣并进行表面检查。
（５）焊接过程中，派专人用电子测温仪监控层间温度。
（６）热处理时，严格按照设计规定的热处理参数进行。
我们通过采用以上的焊接工艺及措施，在50万吨/年乙苯/苯乙烯装置高温工艺管线施工中，一次焊接合格率达到99%。
 
参考文献：
1     焊接手册 机械工业出版   1992
1    ASME IX 焊接和钎焊评定标准   2002版
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