GH625高温镍基合金钢焊接质量控制

王益铭，吴明祯

中国石油第二建设有限公司（甘肃 兰州 730060）

GH625 高温镍基合金钢被广泛应用在炼油厂重整加氢装置的高温高压设备和管线中，主要用于输送高温高压易燃易爆固液相介质。GH625 高温镍基合金钢是以镍、铬、钼、铌为主要强化元素的固溶强化型镍基变形高温合金，在980 ℃具有良好的抗疲劳、抗氧化和耐腐蚀性能，且高温状态下焊接性能、金相组织稳定和抗腐蚀性能优良[1-4]。目前GH625 高温镍基合金钢研究主要集中于合金加工工艺、组织和机械性能方面，而对GH625 焊接质量方面缺少系统的研究和全面认识。炼油厂300 万t加氢装置的核心高压换热设备管程联接管为GH625 高温镍基合金钢，属于耐高温、抗腐蚀性材料，联接管直径为Ф630 mm×30 mm，施工现场条件苛刻，焊接难度大，质量难以控制。通过对GH625高温镍基合金钢焊接性能、焊接工艺、焊接技术和质量控制措施等内容进行探讨[5]，制定正确的焊接工艺规程。

1 焊接性能分析

GH625 合金具有高强度、极好的耐蚀性和优良的加工性能。但GH625 高温镍基合金钢的焊接具有与奥氏体不锈钢相类似的问题：焊接时最常出现的缺陷是热裂纹，焊接快速冷却过程中极易产生气孔，焊接时流动性差也易产生夹渣缺陷。由于GH625高温镍基合金钢具有较高的镍含量，液态镍流动性差，焊接时易发生未熔合。母材成分及力学性能见表1及表2。

由表1、表2 可知，该合金钢主要是依据Cr、Ni元素基体上的Mo、Ni元素的固溶强化作用来提高强度，Cr元素用来提高耐蚀性，C元素均匀分布在基体上,在高温下体心晶格的Ni3Nb金属化合物以沉淀物形式促进合金强度提高。GH625 高温镍基合金钢中Ni 元素的含量起决定性作用，使该合金具有较高的韧性、良好的耐蚀性和较好的抗氧化性。因其化学含量中有较高的Cr 及Mo 元素，焊接时焊缝及热影响区易出现淬硬组织。同时由于GH625 高温镍基合金钢的导热性较差，容易造成晶粒粗大，晶间增厚，使晶间结合力减弱，促进热裂纹的产生[5]。

表1 GH625的化学成分（质量分数） %

表2 GH625的力学性能

GH625 高温镍基合金钢在焊接过程中，要特别注意焊接热输入增大会造成镍基合金成分偏析导致碳化物的结晶，大大降低焊接接头性能。另外焊缝的金属流动性差，焊缝外观成型差，即使增大焊接热输入也不能改进焊缝金属的流动性，反而起着有害作用。焊接电流增大不仅会造成焊缝熔池温度过高，焊接热裂纹加大，而且会使焊缝金属中的氧化性增大导致出现气孔。

2 焊接工艺

2.1 坡口加工形式

为保证焊接质量、减少焊接变形，避免出现未熔合缺陷，联接管的坡口应采用带钝边双J型坡口，通过试验证明此种坡口可以最大限度降低各种焊接缺陷。另外，焊接前坡口应进行宏观检查，不得有裂纹。具体坡口形式如图1所示。

图1 坡口形式示意图

2.2 焊接方法及焊材选用

目前对于GH625 高温镍基合金的研究主要集中在合金加工工艺、组织和力学性能上。Silva 等[6]在研究GH625 高温合金的固溶强化路径中采用的试样就是TIG 冷丝自动焊接件。顾玉丽等[7]采用TIG 对GH625 高温合金进行焊接，系统研究了焊接接头组织、元素分布、晶界特征和力学性能。表明在焊缝处为奥氏体枝晶组织，没有发现明显的HAZ区，在熔合区的枝晶间区域观察到大量的δ相析出。

考虑到现场施工特点，焊接时采用氩弧焊打底、手工焊填充盖面的方法。氩弧焊打底时，为防止合金元素被氧化，背面必须充氩保护或者使用药芯焊丝。

焊材选用应根据GH625 高温镍基合金钢的合金成分、力学性能、使用条件和施焊条件进行综合考虑，焊接时宜选用合金成分与母材合金元素相同或相近的焊接材料，焊材选用见表3、表4。

表3 焊接材料的合金成分（质量分数） %

表4 焊接材料的力学性能

2.3 焊接工艺参数

焊接过程中采用全位置（6G）下向焊接，流水焊接作业，即一道焊口由两名焊工共同完成。当环境温度低于5 ℃时，焊前需要及时预热，预热温度为100~150 ℃；施焊间隔打底焊与热焊之间不超过3 min。焊接层数决定着焊缝的塑性和韧性，但要防止接头过热和扩大热影响区的有害影响，应使用小线能量、短弧焊、不摆动的操作方法，每层热输入不大于20 kJ/cm，层间温度控制在200 ℃以下。为减少焊缝裂纹倾向，提高接头抗蚀性，焊接电流应比普通合金钢小10%~15%，采用细直径焊条或焊丝防止焊缝及热影响区晶粒长大，造成接头塑韧性下降[8-9]。具体工艺参数见表5。

表5 焊接工艺参数

3 焊接技术措施

3.1 焊接层数选择

实践证明，高压换热器联接管壁厚度大，焊接过程中要充分考虑焊接层数，减少每层焊道焊缝中金属铁水的溶解量，降低热输入以达到减小敏化温度区间停留时间。随着焊接层数的增加，变形量会有所减小，经过实验发现过渡层为三层时，焊接变形量最小，故中间过滤层2～3 层为最佳,每层焊接厚度不大于4 mm。

3.2 焊接参数选择

为了避免在焊接过程中出现热裂纹和气孔等缺陷，焊接时选用电阻较小和热膨胀系数较小的焊接工艺，并严格控制焊接层间温度。为保证钨极氩弧焊获得良好的焊缝质量，焊接时需要氩气保护好焊缝背面或采用药芯焊丝，焊丝干伸长为15～25 mm；采用电弧焊焊接时，除合理地选择填充金属外，要求采用短弧焊（一般为2～3 mm）小电流、快速焊、焊条不做摆动以利于减小熔深，从而提高焊接接头的抗裂性能；每层层间接头要错开，层间温度应控制在200 ℃以下，收弧时填满弧坑。焊缝宏观形貌[8]如图2所示。

图2 GH625高温镍基合金焊缝宏观形貌

3.3 稳定化热处理选择

加氢装置中H2及H2S腐蚀是换热器联接管最严重的腐蚀类型。目前GH625 高温镍基合金钢材料均在930～1 050 ℃内供热，在复杂的安装施工环境中，难以实现焊缝固溶化处理，采用稳定化热处理可以达到焊缝预期效果，根据钢材敏化温度制定焊缝热处理曲线如图3所示。

图3 GH625高温镍基合金焊后热处理曲线

焊缝采用电加热智能温控退火的方法，热处理加热范围以焊缝中心为基准，每侧各不少于焊缝宽度的3 倍且不少于25 mm。加热区域以外的100～500 mm内予以保温，管段两端应封闭。严格设置升温曲线，控制升温速度。采用控温热电偶仪进行测温，测温点数量应根据施工现场情况，提高升温速度，尽量减小升温时间，以减少焊缝在敏化区停留的时间。在温度为850~900 ℃,恒温时间S/25 h（S为管道壁厚，mm）,且不小于1/4 h；加热温度在400 ℃以上时，不超过（25/t× 220）℃/h（t为焊件焊后热处理的厚度），且不大于220 ℃/h，恒温期间最高与最低温差应小于50 ℃/h；加热温度在400 ℃以下时，加热速度可不控制自然冷却。

3.4 焊接试件检验

焊缝RT无损检测应符合JB/T 4730.2—2016《承压设备无损检测》中II 级合格标准，按100%进行检测。GH625高温镍基合金焊缝硬度值见表6。由表6 可以看出，焊缝和热影响区的硬度检测结果都未超过标准规定的220 HB，符合要求。

表6 GH625高温镍基合金焊缝及热影响区硬度值 HB

4 结束语

通过对GH625 高温镍基合金钢的焊接性能分析，制定了正确的焊接工艺规程，确定出了合理的焊接层数、焊接参数、焊后热处理工艺等质量控制措施，避免了焊接裂纹、气孔缺陷的产生，提高了GH625 焊缝结构的强度和性能。该工艺在炼油厂300 万t 柴油加氢装置的核心高压换热设备中安装应用，设备经过近半年的运行，各项运行指标均符合生产指标的要求，表明该焊接工艺规程合理，焊接接头质量稳定，可以用于柴油加氢装置的核心高压换热设备管程联接管的焊接。