摘要：分析了烷基化反應器工藝管線Alloy2~0的化學成分及其焊接性，選用了相應的焊接材料，制定了適當?shù)暮附庸に噮?shù)和現(xiàn)場施工措施，確保焊接接頭滿足要求，并成功應用在生產(chǎn)實踐中。

關鍵詞：Alloy20?焊接性分析?焊接工藝參數(shù)

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0前言

針對煉油廠烷基化裝置工藝管線用材所使用的20#無縫鋼管，因其設備在運行過程中，鋼管焊縫處產(chǎn)生裂紋，險些釀成嚴重后果。有關部門決定對其進行更換，更換材質為Alloy20無縫鋼管。

Alloy20(NS1403／N08020)，又稱20#合金，是一種進口奧氏體鐵鎳基耐蝕合金，對氧化性和中等還原性腐蝕有很好的抵抗能力，具有優(yōu)異的抗應力腐蝕開裂能力和好的耐局部腐蝕能力。在很多化工工藝介質中有令人滿意的耐蝕特性，包括侵蝕性很強的無機酸溶液、氯氣和含氯化物的各種介質、干燥氯氣、甲酸和醋酸、?酸酐、海水和鹽水等，成為理想的介質輸送材料。

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1焊接性分析

Alloy20(NS143／N08020)的焊接具有與奧氏體不銹鋼相類似的問題，即具有較高的熱敏感性，氣孔生成率較高，容易產(chǎn)生未融合、未焊透等缺陷。此外，鐵鎳基合金鋼還具有較高的焊接熱裂紋傾向、焊接區(qū)域產(chǎn)生晶問腐蝕傾向。由于鐵鎳合金具有較高的鎳含量，液態(tài)鎳流動性差，焊接時易產(chǎn)生未熔合。母材化學成分及力學性能見表1及表2。

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珠光體鋼合金元素含量遠不及奧氏體鋼，熔池中的氧化還原反應會引起合金元素的燒損；焊接熔池邊緣，液態(tài)金屬溫度低、流動性差，熔化母材金屬在熔池邊緣上與填充金屬不能實現(xiàn)很好地熔合，使得在靠近珠光體母材的狹窄區(qū)域內形成和焊縫金屬內成分不同、寬度為0．2～0．6mm的過渡層，離熔合線越近，珠光體鋼的稀釋作用越強，特別是Cr，Ni，Mo等合金元素的稀釋。焊接時考慮采用鉻鎳含量較高的焊條，改善異種鋼熔合區(qū)質量，將不存在相變過程，接頭各區(qū)組織應力小。

熔合區(qū)中碳擴散層的形成是由于珠光體鋼含碳量較高，合金元素少，而奧氏體鋼卻相反。在高溫加熱過程中珠光體鋼與奧氏體鋼界面發(fā)生碳遷移，珠光體鋼一側形成脫碳層，奧氏體鋼一側形成增碳層，造成兩側力學性能相差較大，引起應力集中。為阻礙碳化物的形成，同時可以縮短焊縫高溫停留時間，可以采用增加奧氏體焊縫中鎳含量的方法。

焊縫中的殘余應力是由于珠光體鋼和奧氏體鋼的線膨脹系數(shù)相差較大引起的(珠光體鋼與奧氏體鋼的膨脹系數(shù)之比為14：17)，且奧氏體鋼的導熱能力差，僅為珠光體鋼的50％，因此焊后在焊縫和熔合線附近產(chǎn)生較大的焊接殘余應力。在交變溫度條件下，就可能出現(xiàn)熔合區(qū)珠光體鋼側熱疲勞裂紋，使接頭過早斷裂。若優(yōu)先選用與珠光體鋼線膨脹系數(shù)相近且塑性較好的鎳基材料作為填充金屬，這會使得焊接應力集中在焊縫與塑性變形能力強的奧氏體鋼一側，同時應嚴格控制焊接層間溫度，控制冷卻速度，避免溫度劇烈變化。

2焊接工藝

2．1焊接坡口形式

坡口適宜采用冷加工制造。若采用等離子等熱切割則應在焊接前去除表面氧化物和熔渣，且Alloy20表面的此類雜質附著性比不銹鋼更強，應使用細晶砂帶和細晶砂輪進行打磨。鎳合金的液態(tài)金屬流動性(尤其是潤濕性)較差，焊接時很容易產(chǎn)生未熔合，熔池熔透深度一般只有低碳鋼時的50％左右，奧氏體鋼的60％左右。通過加大焊接電流來增加金屬流動性，其效果不大，而且還會造成過熱的不良影響3J。為保證熔合良好且有一定的熔深，坡口角度及根部圓弧半徑均應稍大。焊接坡口形式如圖1所示。

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2．2焊接方法及焊材選用

由于母材厚度較薄并考慮到焊接接頭的實際結構，文中選用鎢極氬弧焊打底、焊條電弧焊蓋面的焊接工藝。Alloy20具有鎳合金的共同特點，焊接時一般不會產(chǎn)生冷裂紋，而較容易產(chǎn)生熱裂紋。因鎳和硫、磷等都能形成低熔點共晶，鎳合金凝固時常形成粗大的樹枝狀奧氏體結晶，低熔點雜質更易集中于晶界，在晶粒凝固收縮應力和焊接應力的作用下，未完全凝固的晶界低熔點物很容易被拉裂形成熱裂紋J，所以應嚴格控制焊接材料中的硫、磷含量。母材及焊材的化學成分見表3，力學性能見表4。

2．3焊接工藝參數(shù)

為防止焊接接頭過熱，應使用小的熱輸入，并采用多層多道焊，每層熱輸入不大于20kJ／era，層間溫度控制在100℃以下，以防止焊縫及熱影響區(qū)晶粒長大，造成焊接接頭韌性下降。具體工藝參數(shù)見表5。

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3產(chǎn)品的焊接

3．1焊前清理

焊前認真清理坡口，清除焊件表面水分、灰塵、油脂、油漆等，特別是含硫和鉛的雜物，防止Alloy20被硫和鉛脆化，導致焊縫沿晶界開裂并產(chǎn)生裂紋。

3．2焊前預熱

鎳合金的焊接一般不需預熱，因為預熱將延緩焊縫冷卻速度，而過慢的冷卻速度將使焊縫產(chǎn)生硬化；但當母材溫度低于15℃時，應對接頭兩側250～300mm寬的區(qū)域加熱到15～20℃，以避免濕氣冷凝導致焊縫氣孔。

3．3焊接方法的選擇

為了避免Alloy20焊接過程中出現(xiàn)熱裂紋，焊接時選用熱輸入相對集中且較小的焊接工藝，并控制層間溫度，因此選用手工鎢極氬弧焊。為保證鎢極氬弧焊獲得良好的焊縫質量，焊接時需用氬氣保護好焊縫背面，并用“左焊法”施焊。采用焊條電弧焊焊接時，宜短弧焊、小熱輸入、焊條不擺動；層間溫度要低，通常應控制在≤100℃。應選擇熟練的焊工，焊接水平的高低直接影響著焊縫的施工質量。運條要平穩(wěn)，焊縫要飽滿，過渡要圓滑，起弧與收弧要填滿，防止咬邊、氣孔、弧坑裂紋的出現(xiàn)。

3．4焊接試件檢驗

試件焊縫進行100％RT和檢測，符合JB／T4730．2—2005《承壓設備無損檢測》中Ⅱ級和I級合格標準。

4結論

通過對AlloyX及Alloy20的焊接性分析，確定出適宜的焊接材料及焊接參數(shù)，嚴格控制焊接熱輸入、有效防止了焊接裂紋的產(chǎn)生，保證了焊接質量。該工藝管線經(jīng)過半年多的使用，運行穩(wěn)定，完全滿足使用要求。