费托反应器管口堆焊镍基与TP321 焊接浅析

孙新国

中石化第四建设有限公司，天津 300270

铬钼耐热钢与奥氏体钢异种钢焊接在石油化工领域较为常见，以神华宁煤400 万t/年煤炭间接液化项目为例，费托合成单元的费托反应器为高温高压Ⅲ类压力容器，介质为液体石蜡、H2、CO、CO2的爆炸危险介质，设计院为了减少设备内件连接的泄漏点，将费托合成反应器设备内所有承压内件连接管与壳体连接的连接形式全部采用了现场焊接方式，其中一种接管焊接为异种钢焊接，管口母材的材质为SA182,设备制造厂家在其端部堆焊了一层6 mm 厚的Inconel 182 的镍基堆焊层，接管材质为0Cr18Ni10Ti，内件接管与母材的连接方式见图一，现场对于此类异种钢焊接焊材的选用上有很多的争议，因此笔者对焊条选用以及此类异种钢焊接工艺进行了浅析。

1 材质描述

母材：SA182-GrF11CL2 （P11）

接管：0Cr18Ni10Ti (TP321)

堆焊层材质：Inconel 182 (ENiCrFe-3)，如图1所示。

（1）母材SA182 的材质：SA182 为ASME 标准，是一种耐热低合金钢锻件，其公称成分为:11/4Cr-1/2Mo[1]，又根据《石油化工铬钼耐热钢焊接规程》SH3520-2015 附表A.1 可知其钢号为P11，对应国内材质为12Cr1Mo[2]。

（2）接管0Cr18Ni10Ti 的材质：查阅《石油化工铬镍奥氏体钢、铁镍合金和镍合金管道焊接规程》SH3523-2009 表A.2 常用铬镍奥氏体钢管化学成分得知其钢号为TP321[3]。

（3）堆焊层材料Inconel 182 的材料：查阅《石油化工铬镍奥氏体钢、铁镍合金和镍合金管道焊接规程》SH3523-2009 表C.6 常用铁镍合金、镍合金焊接材料对照表可知对应的焊条牌号为ENiCrFe-3、焊丝牌号为 ERNiCr-3[3]。

图1 费托反应器管口母材与接管焊接

2 堆焊层镍基合金的特点

镍基合金具有耐各种腐蚀介质的抗腐蚀性能，同时具有良好的高低温性能，其显微组织是奥氏体，在固态下没有相变，镍基合金在焊接时有以下特点：

（1）镍基耐蚀合金具有较高的热裂纹敏感性。

（2）对焊接表面的杂质元素敏感，因此在焊接过程中焊接表面应保持清洁。

（3）对焊接热输入敏感，焊接时应当限制焊接热输入，防止晶粒长大和产生热裂纹等焊接缺陷。

（4）液态熔敷金属流动性差，焊缝金属熔池浅。

3 堆焊层的作用分析

（1）如果没有镍基堆焊层，即P11 与TP321 异种钢焊接（见图2），此异种钢焊接为铬钼耐热钢与奥氏体不锈钢的焊接，由《石油化工铬钼耐热钢焊接规程》SH3520-2015 第7.2.5 条可知：当现场施工条件限制不能进行焊后热处理时，经设计或建设单位同意，可采用奥氏体或镍基材料焊接。在设计温度不高于315 ℃时可选用高铬镍（25%Cr-13%Ni）奥氏体焊接材料，在设计温度高于315 ℃时可选用镍基材料[2]。由于费托反应器设备内设计温度为300 ℃，可以选用25%Cr-13%Ni 及以上的奥氏体焊接材料，根据相关规范可查到E309 焊材的公称成分为25%Cr-13%Ni，因此此类异种钢焊接可以选用E309 焊条，由于铬钼钢与奥氏体钢膨胀系数不同，焊接前最好还是需要对焊缝两侧的母材进行预热处理，预热温度为100 ℃，焊后立即进行消氢处理，温度不低于200 ℃。

图2 费托反应器管口去除堆焊层与接管焊接示意图

（2）如果在设备制造厂P11 端部堆焊6mm 的镍基Inconel 182 (ENiCrFe-3)堆焊层（如图一所示），现场的焊接相当于镍基合金接管与TP321 接管焊接，且无论选用镍基焊材还是不锈钢焊材都不用对焊道进行热处理工艺。

（3）基于上面两点可知，如果没有镍基堆焊层，可以采用焊条E309 进行异种钢之间的焊接；如果有镍基堆焊层可以避免现场对焊道的热处理工艺，由此可以得知设计的意图是通过堆焊镍基堆焊层而避免现场热处理工艺。

4 焊材的选取

（1）根据SH3523-2009《石油化工铬镍奥氏体钢、铁镍合金和镍合金管道焊接规程》表C.6（常用铁镍合金、镍合金焊接材料对照表）可知：堆焊层镍基合金（Inconel 182）即为ENiCrFe-3 堆焊而成[3]。

（2）根据SH3523-2009 表C.9（典型异种接头焊接材料选用表）可知：奥氏体不锈钢（TP321）可以用ENiCrFe-3 进行焊接[3]。

（3）结合以上两条可得：图一所示的焊接接头可以用 ENiCrFe-3 焊条进行焊接，打底焊丝牌号为ERNiCr-3，焊后无需进行热处理。

（4）由于ENiCrFe-3 镍基焊条的价格非常高，因此施工单位提出将堆焊层打磨掉，这样就变成了图二的焊接方式，这样就变成了简单的P11 与TP321 异种钢焊接，根据焊接规范《石油化工铬钼耐热钢焊接规程》SH3520-2015 可以选择E309 进行异种钢的焊接，笔者认为这种做法不可取,原因有：

①此时的异种钢焊接可以选择E309 焊条进行焊接，虽然成本要比镍基焊材也便宜很多，可以减少焊材成本，但是在设备内进行打磨堆焊层的作业工作量也是非常大的，并且很容易伤到设备母材，并且设备内部的介质石蜡和CO2会严重腐蚀焊道，而镍基焊材比E309 焊材更具有很强的耐腐蚀效果，经过讨论打磨掉堆焊层的方法没有得到专家的认可；

②虽然打磨掉堆焊层能通过异种钢焊条的焊接达到焊接强度要求，但这样的做法破坏了原设计的意图，因为设计人员是想通过堆焊层避免铬钼耐热钢直接与接管的材料直接焊接，从而减少热处理工艺，这样减少了现场的施工难度，因此违背设计意图的做法是不可取的

③另有研究表明：E309（A302）焊条焊接的铬钼异种钢焊接经过时效处理发生明显碳迁移，易在焊缝侧出现增碳层，母材侧热影响区中出现脱碳层，由于脱碳层的低硬度，导致其高温力学性能的下降，从而影响高温装置长周期的安全运行；而Inconel 182 焊材与铬钼异种钢焊接形成的焊接接头基本上没有碳迁移发生，表明Ni 元素能够提高碳原子的活性，降低碳化物的稳定性，从而有效抑制碳迁移的发生，并且A302 形成的异种钢焊接接头蠕变寿命仅为Inconel 182 焊材形成的异种钢焊接接头的40 ～50%，因此后者具有良好的抗高温断裂性能[4]。

④另有案例证明E309 焊条用在此类异种钢焊接中存在一定隐患，神华宁煤烯烃二套项目在使用E309 焊条进行P11 与TP321 之间进行异种钢管道焊接后，装置开车不久便出现了裂纹，返修焊口使用了镍基焊材而保证了焊接质量。

由此可知，此类接头焊接是不能采用打磨掉堆焊层而使用E309 焊材的做法的，ENiCrFe-3 的焊材价格虽然很高，但是为了满足设备长周期安全运行，业主方多花些成本还是很值得的。作者所负责的费托合成反应器的内部异种钢焊接经过专家多次讨论，从保证设备长周期安全运行考虑，最终采用的Inconel 182 焊材，与堆焊层同材质。

（5）然而镍基堆焊层也存在一定的弊端，由于设备制造厂家对管口进行了堆焊，技术要求只对堆焊层进行PT 检测，堆焊层内部容易产生缺陷（如气孔夹渣等）不易被检测出来，施工单位与接管进行焊接后产生的缺陷很容易与设备制造厂堆焊镍基焊材时产生的缺陷混在一起，不利于质量责任的划分，容易产生责任纠纷。

（6）综上所述，如果有此类异种钢接管的焊接，建议设计单位在进行设计时取消设备管口的端部镍基堆焊层，可以要求现场进行配管焊接作业时直接采用镍基焊材焊接，这样就不会因为堆焊层而导致设备制造厂与现场安装单位之间的焊接质量纠纷。但是这种做法仍需要现场在母材上进行镍基堆焊层的焊接，并在第一层焊接时要对母材进行预热，预热温度100 ℃，以防产生焊接裂纹。

（7）现场费托反应器内管束与设备筒体接管的焊接所选用的焊条为ENiCrFe-3,焊丝为ERNiCr-3，刚开始选用的国内焊材焊接后在焊道的仰焊位置产生大量气孔，后选用了英国METRODE 进口焊条，气孔缺陷明显减少，焊材的化学成分分别见表1 与表2。

表1 焊条ENiCrFe-3 化学成分

表2 焊丝ERNiCr-3 化学成分

5 焊接技术要求

5.1 焊接技术准备

①根据相关要求按照NB/T47014《承压设备焊接工艺评定》[5]和产品技术条件的要求进行焊接工艺评定，以制定合理的焊接工艺规程（WPS）。

②针对各类焊接接头编制《焊接工艺卡》。

③焊工考试执行《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》或GB50236-2011《现场设备、工业管道焊接工程及施工规范》[6]的规定，考试项目必须能够覆盖所焊接产品的厚度。

5.2 焊接材料的要求

①焊接材料的储存保管应符合《石油化工铬镍奥氏体钢、铁镍合金和镍合金管道焊接规程》SH3523-99 第2.2.5 条的要求。

②焊接材料的烘干、发放、回收严格按照相关规定执行，焊条的烘干工艺按照生产厂家的参数进行并且符合SH3523-99 规范要求，焊丝使用前应检查是否清洁。

③焊接镍合金用的氩气纯度不得小于99.96%。

④焊接时用氩气输送管宜采用塑料软管，不易用橡胶软管或其他吸湿性材料的软管。

5.3 焊接环境要求

①环境温度不低于0 ℃。

②手弧焊时风速不大于8 m/s，氩弧焊时风速不大于2 m/s。

③相对湿度不大于90%。

④非雨雪天气。

⑤当环境条件不符合以上要求时，应采取有效防护措施才可施焊。

5.4 焊缝坡口处理

①坡口的清理 焊接坡口及其两侧15 mm 内用专用砂轮或不锈钢丝刷将堆焊层表面氧化层清除干净，并用丙酮或无水乙醇去除其表面油污、水分、灰尘等有害物质，防止硫、铅、磷或低熔点杂质混入熔敷金属中，因为焊接过程中Ni 能与S、P、Pb 或低熔点的物质形成脆化元素，由于氧化物（一般在540 ℃以上形成）的熔点高（2040 ℃）而镍的熔点低为1400 ℃，因而易造成未熔合，另外镍合金焊条焊接过程中主要有害杂质锌、硫、碳、铋、铅、镉等能增加焊接裂纹倾向，氧、氢、一氧化碳等气体在熔化的镍中溶解度极大，而在固态下大大减小，溶解度的变化是在熔化焊中引起气孔的主要原因，因此坡口的清理可以有效的减少气孔、裂纹等缺陷的出现。

②焊接接头形式 由于镍合金熔焊与钢相比具有导热性差，粘性强，熔深较浅，焊缝较高，易形成道间和层间熔合不良，为保证熔透，应选用较大的坡口角度和较小的钝边（如图1 所示）。

5.5 焊接过程技术要求

①镍合金焊接一般采用手工钨极氩弧焊、手工焊条电弧焊、熔化极惰性气体保护焊等方法，也可采用埋弧焊自动焊焊接方法，本文涉及的异种钢焊接采用的是钨极氩弧焊打底，手工焊条电弧焊盖面的焊接方法。

②焊接采用多层多道焊接，焊接采用小线能量、短电弧、不摆动或小摆动的操作方法，摆动参数不得超过焊条直径的3 倍。

③采用实芯焊丝焊接时，焊缝背面充氩实行内保护，内保护措施可采用管子整体或局部充氩。

④打底焊接完成后，应对打底焊接进行RT 检测，确认打底焊接质量合格再进行手工焊条电弧焊盖面焊接。

⑤镍基焊条焊接时气孔敏感性强，因此焊条中含有适量的铅、钛、锰、镁等脱氧剂，操作时注意控制电弧长度。

⑥每根焊条用完后必须对弧坑处进行打磨，以防止产生焊接缺陷，每焊完一层必须把焊渣等杂物清理干净，待层间温度降到要求温度后在进行下一层的焊接，以防止产生热裂纹。

⑦各层各道的焊接接头要错开。

⑧焊接时应采用较快的焊接速度，这样可以防止气孔和热裂纹等缺陷的产生，并可以防止焊缝金属过热，影响其耐腐蚀性能。

5.6 焊缝返修

①镍合金不允许采用碳弧气刨，以防渗碳。（宜采取机械加工或冷加工）

②清除却先后应将清除的焊缝修磨成至少1:3 的斜度。

③返修时应采用钨极氩弧焊，因为返修时焊接的难度更高些，而钨极氩弧焊比较容易保证质量，且线能量小。

④同一部位的返修次数不得超过两次，需要超次返修时应制定措施并经施工单位技术总负责人批准。

6 镍基焊材的焊接难点及控制措施

6.1 镍基焊材的焊接难点

①对焊工技术水平要求非常高，具备镍基焊接资质的焊工人员稀少。

②对坡口处理及清洁度的要求高，否则在焊接时容易产生气孔等缺陷。

③镍合金在液态下流动性、浸润性较差，熔深较小，故其坡口角度及对口间隙要相应增大，钝边则相应减小。

6.2 镍基焊材的焊接质量控制措施

①做好焊工的技术交底。

②焊缝表面严禁电弧擦伤，并严禁在焊件表面引弧收弧。

③焊接施工中避免污染，应采用不锈钢锤、不锈钢丝刷、专用砂轮片。

④焊条电弧焊填充及盖面时，为了防止焊接飞溅损伤母材，在坡口两侧大于100 mm 的范围内的母材上涂以白垩粉。

⑤焊接完毕必须及时将焊缝表面的熔渣及周围的飞溅物、防飞溅材料清理干净。

⑥对于焊接后产生的缺陷要及时分析原因，焊工技术水平低要立即更换。

7 结语

镍基合金具有耐高温、耐腐蚀的特性，镍基合金焊材用于铬钼耐热钢与奥氏体钢异种钢之间焊接，使焊缝的蠕变寿命更为长久，具有良好的抗高温断裂性能。焊接前对焊缝坡口的处理要求很高，较容易形成气孔缺陷。费托反应器内接管焊接坡口按本文要求严格处理后，气孔缺陷得到了有效的控制，焊接合格率明显提高。镍基合金焊材形成的焊道力学性能虽然良好，但其价格比其他奥氏体焊材高出很多，因此在选用焊材时要综合考虑。