摘要：分析了烷基化反应器工艺管线Alloy2~0的化学成分及其焊接性，选用了相应的焊接材料，制定了适当的焊接工艺参数和现场施工措施，确保焊接接头满足要求，并成功应用在生产实践中。

关键词：Alloy20 焊接性分析 焊接工艺参数

 

0前言

针对炼油厂烷基化装置工艺管线用材所使用的20#无缝钢管，因其设备在运行过程中，钢管焊缝处产生裂纹，险些酿成严重后果。有关部门决定对其进行更换，更换材质为Alloy20无缝钢管。

Alloy20(NS1403／N08020)，又称20#合金，是一种进口奥氏体铁镍基耐蚀合金，对氧化性和中等还原性腐蚀有很好的抵抗能力，具有优异的抗应力腐蚀开裂能力和好的耐局部腐蚀能力。在很多化工工艺介质中有令人满意的耐蚀特性，包括侵蚀性很强的无机酸溶液、氯气和含氯化物的各种介质、干燥氯气、甲酸和醋酸、 酸酐、海水和盐水等，成为理想的介质输送材料。

 

1焊接性分析

Alloy20(NS143／N08020)的焊接具有与奥氏体不锈钢相类似的问题，即具有较高的热敏感性，气孔生成率较高，容易产生未融合、未焊透等缺陷。此外，铁镍基合金钢还具有较高的焊接热裂纹倾向、焊接区域产生晶问腐蚀倾向。由于铁镍合金具有较高的镍含量，液态镍流动性差，焊接时易产生未熔合。母材化学成分及力学性能见表1及表2。

 

 

珠光体钢合金元素含量远不及奥氏体钢，熔池中的氧化还原反应会引起合金元素的烧损；焊接熔池边缘，液态金属温度低、流动性差，熔化母材金属在熔池边缘上与填充金属不能实现很好地熔合，使得在靠近珠光体母材的狭窄区域内形成和焊缝金属内成分不同、宽度为0．2～0．6mm的过渡层，离熔合线越近，珠光体钢的稀释作用越强，特别是Cr，Ni，Mo等合金元素的稀释。焊接时考虑采用铬镍含量较高的焊条，改善异种钢熔合区质量，将不存在相变过程，接头各区组织应力小。

熔合区中碳扩散层的形成是由于珠光体钢含碳量较高，合金元素少，而奥氏体钢却相反。在高温加热过程中珠光体钢与奥氏体钢界面发生碳迁移，珠光体钢一侧形成脱碳层，奥氏体钢一侧形成增碳层，造成两侧力学性能相差较大，引起应力集中。为阻碍碳化物的形成，同时可以缩短焊缝高温停留时间，可以采用增加奥氏体焊缝中镍含量的方法。

焊缝中的残余应力是由于珠光体钢和奥氏体钢的线膨胀系数相差较大引起的(珠光体钢与奥氏体钢的膨胀系数之比为14：17)，且奥氏体钢的导热能力差，仅为珠光体钢的50％，因此焊后在焊缝和熔合线附近产生较大的焊接残余应力。在交变温度条件下，就可能出现熔合区珠光体钢侧热疲劳裂纹，使接头过早断裂。若优先选用与珠光体钢线膨胀系数相近且塑性较好的镍基材料作为填充金属，这会使得焊接应力集中在焊缝与塑性变形能力强的奥氏体钢一侧，同时应严格控制焊接层间温度，控制冷却速度，避免温度剧烈变化。

2焊接工艺

2．1焊接坡口形式

坡口适宜采用冷加工制造。若采用等离子等热切割则应在焊接前去除表面氧化物和熔渣，且Alloy20表面的此类杂质附着性比不锈钢更强，应使用细晶砂带和细晶砂轮进行打磨。镍合金的液态金属流动性(尤其是润湿性)较差，焊接时很容易产生未熔合，熔池熔透深度一般只有低碳钢时的50％左右，奥氏体钢的60％左右。通过加大焊接电流来增加金属流动性，其效果不大，而且还会造成过热的不良影响3J。为保证熔合良好且有一定的熔深，坡口角度及根部圆弧半径均应稍大。焊接坡口形式如图1所示。

 

2．2焊接方法及焊材选用

由于母材厚度较薄并考虑到焊接接头的实际结构，文中选用钨极氩弧焊打底、焊条电弧焊盖面的焊接工艺。Alloy20具有镍合金的共同特点，焊接时一般不会产生冷裂纹，而较容易产生热裂纹。因镍和硫、磷等都能形成低熔点共晶，镍合金凝固时常形成粗大的树枝状奥氏体结晶，低熔点杂质更易集中于晶界，在晶粒凝固收缩应力和焊接应力的作用下，未完全凝固的晶界低熔点物很容易被拉裂形成热裂纹J，所以应严格控制焊接材料中的硫、磷含量。母材及焊材的化学成分见表3，力学性能见表4。

2．3焊接工艺参数

为防止焊接接头过热，应使用小的热输入，并采用多层多道焊，每层热输入不大于20kJ／era，层间温度控制在100℃以下，以防止焊缝及热影响区晶粒长大，造成焊接接头韧性下降。具体工艺参数见表5。

 

3产品的焊接

3．1焊前清理

焊前认真清理坡口，清除焊件表面水分、灰尘、油脂、油漆等，特别是含硫和铅的杂物，防止Alloy20被硫和铅脆化，导致焊缝沿晶界开裂并产生裂纹。

3．2焊前预热

镍合金的焊接一般不需预热，因为预热将延缓焊缝冷却速度，而过慢的冷却速度将使焊缝产生硬化；但当母材温度低于15℃时，应对接头两侧250～300mm宽的区域加热到15～20℃，以避免湿气冷凝导致焊缝气孔。

3．3焊接方法的选择

为了避免Alloy20焊接过程中出现热裂纹，焊接时选用热输入相对集中且较小的焊接工艺，并控制层间温度，因此选用手工钨极氩弧焊。为保证钨极氩弧焊获得良好的焊缝质量，焊接时需用氩气保护好焊缝背面，并用“左焊法”施焊。采用焊条电弧焊焊接时，宜短弧焊、小热输入、焊条不摆动；层间温度要低，通常应控制在≤100℃。应选择熟练的焊工，焊接水平的高低直接影响着焊缝的施工质量。运条要平稳，焊缝要饱满，过渡要圆滑，起弧与收弧要填满，防止咬边、气孔、弧坑裂纹的出现。

3．4焊接试件检验

试件焊缝进行100％RT和检测，符合JB／T4730．2—2005《承压设备无损检测》中Ⅱ级和I级合格标准。

4结论

通过对AlloyX及Alloy20的焊接性分析，确定出适宜的焊接材料及焊接参数，严格控制焊接热输入、有效防止了焊接裂纹的产生，保证了焊接质量。该工艺管线经过半年多的使用，运行稳定，完全满足使用要求。