碳钢内衬哈氏C2000合金的焊接修复技术

碳钢内衬哈氏C2000合金的焊接修复技术

陈彦强1   ,冯斌1   ,张皓1    ,郭家麟1   ,邓守军1  ,蒋彦强1

1.甘肃银光聚银化工有限公司，甘肃白银  730900

摘要：某化工厂的填料塔结构为碳钢内衬哈氏C2000合金，即壳体材料为Q345R，内部衬了一层哈氏C2000合金。但是内衬的哈氏C2000合金薄板只有0.2mm，内衬的哈氏C2000合金在被腐蚀后，选用直流脉冲钨极氩弧焊（P-TIG）填丝焊并制定了相关焊接修复工艺，最终经过实践证明：制定的焊接修复工艺正确，焊接质量良好。

关键词：哈氏C2000合金，P-TIG焊，焊接修复工艺

0前言：

哈氏C2000合金因为具有非常优异的耐蚀性能，被广泛地应用于石油化工行业中。哈氏C2000合金能够耐更多的腐蚀介质，因此在化工设备制造中得到非常广泛的应用，如化工行业中的各种反应器、热交换器等[1]。

某化工厂的填料塔结构为碳钢内衬哈氏C2000合金，即壳体材料为Q345R，内衬件为哈氏C2000合金。其中的介质有甲苯、光气、TDI等，工作温度在150℃左右，光气等经过水解后会产生S2-、Cl-等，所以该塔经过长时间使用后，内衬件被腐蚀出裂缝。经过评估，决定进行焊接修复后再次使用。但是内衬件只有0.2mm，且在裂缝内有残存甲苯、光气等，焊接作业环境差、修复难度非常大。

1. 修复方案制定：

因为C2000合金属于镍基合金，所以其焊接性与其他镍基合金的焊接性极为类似[2]。所以哈氏C2000合金在焊接过程中最需要考虑的是热裂纹，同时考虑到不损失其耐蚀性，所以需要制定出最佳的焊接工艺。

1.1焊接方法的选择

C2000合金的焊接一般采用热输入较小的焊接方法，同时考虑到内衬件只有0.2mm，所以可考虑选择TIG、P-TIG、激光焊等。P-TIG具有[3-6]以下优势：第一，通过调节参数可以精确控制电弧能量和熔池大小尺寸，调节焊缝成形和冷却结晶过程；第二，通过参数的调节可以使焊缝金属高温停留时间缩短，并因为脉冲电流对熔池的冲击搅拌作用，从而改善熔池的结晶条件及冶金性能；第三、可实现在峰值时间进行熔滴、熔池的形成，在基值时间只是维弧作用不产生焊丝熔化并在此时完成熔池的焊点凝固，所以适合于焊接薄板以及热敏感性强、要求热输入低的焊件；P-TIG的热输入[7-8]按照式（1）和式（2）计算。所以经过综合考虑，此次修复选择了P-TIG焊。

                                   (1)

                  (2)

式中为脉冲焊平均电流，为峰值电流，为基值电流，为峰值时间，为基值时间，为焊接热输入，为焊接电压，为焊接速度，为P-TIG的热效率。

考虑到内衬件的缺口相对较大，无法做到自熔焊，所以在焊接时需要进行填丝。为了避免收弧处产生焊接热裂纹，要求焊机应具有高频引弧和收弧时电流衰减功能，同时具有提前送气和滞后停气的功能以保证焊接时全程被氩气100%保护。达到氩气对焊缝的最佳保护效果，所以根据HASTELLOY C2000合金焊接指南[9]应尽量采用大喷嘴（φ>10mm）焊枪，还应有气体扩散透镜以减少氩气的异常扰动。但是由于填料塔的安装位置导致修复时焊接位置属于横焊位置，同时焊工的操作位置不佳，所以不能持有重量过大的焊枪进行焊接作业，只能另辟蹊径。选择喷嘴直径为10mm的焊枪，经过对保护气体的流场分析，可以将钨电极的伸出长度减小到3mm,并将保护气的气体流量调高至20-25L/min，同时焊接时使用短弧焊接。在上述这种情况下、同时焊件作为内衬件，便可以取消背面氩气保护。

（2）焊接材料的选择

    根据焊接材料选择的一般原则[10]—“等强同质”，对C2000合金的焊接材料进行选择，所谓“等强”就是所选用的填充材料的强度与母材的强度相同，也称“等强匹配”，在特殊场合也可“高强匹配”、“低强匹配”。所谓“同质”就是尽量选择与母材化学成分一致的填充材料，若考虑到焊缝金属稀释等方面，则需要选择高于母材合金成分的填充材料。在本文中，母材的厚度只有0.2mm，要求焊接时热输入低，几乎没有合金元素烧损，所以此次修复时选用等成分的填充材料。

（3）焊接过程控制要点

前文提到哈氏C2000合金在焊接过程中容易出现热裂纹，所以在焊接过程中必须采取必要的措施以避免出现热裂纹，首先需要尽量使用小电流、高焊速进行施焊；其次控制好层间温度，提高焊缝的冷却速度。

2、焊接实施及检验

确定好焊接修复方案后，并经过反复的试验后确定了焊接工艺，焊接工艺如下：

（1）由于裂缝中残存甲苯、光气等有害介质，焊接工作人员佩戴好劳动防护用品使用蒸汽、压缩空气吹扫裂缝中的残存甲苯、光气等。经过反复清理后，再使用无水酒精在裂缝两边各60mm范围内焊件的表面进行清理其余可能影响焊接质量的杂质，在清洗后再采用不锈钢丝刷清理裂缝边缘的区域。

（2）使用P-TIG进行焊接，保护气体为99.99%的氩气。焊接参数如表1。

表1 使用的焊接参数

（3）选用的填充材料为Ф1.0mm的ERNiCrMo17焊丝，其具体化学成分如表2。

表2 ERNiCrMo17焊丝化学成分

（4）使用短弧、断续焊。

（5）控制层间温度在93℃以下。

（6）断弧后温度在1100℃时进行水淬。

（7）焊接完成后磨平焊缝。

最终焊接完成后的焊缝如图1所示。

图1.修复完成的焊缝

3.结论

补焊完成后，经过渗透检测后，未发现焊接缺陷。该设备投入使用一年后在大检修时拆开复查修复位置，发现修复位置未被腐蚀，证明制定的焊接修复工艺正确。

参考文献：

[1].HAYNES INTERNATIONAL.Hastelloy Alloy H2111C[Z].

[2].刘清会.哈氏合金C2000焊接工艺[J].化工设备与管道,2016,53(03):43-45.

[3].王富铎,梁国萍,陈博,边天军,李缘,梁国栋,王剑.脉冲钨极氩弧焊技术在双金属复合管中的应用[J].焊管,2016,39(01):27-30.DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.01.006.

[4].刘立永,唐元生,杨永强,陆斌,刘永华,张之万.镍基合金复合管道脉冲钨极氩弧焊打底焊接工艺[J].金属加工(热加工),2017(14):46-48.

[5].李宁,刘少龙,丁雪松,徐雨红,范文磊,苏焕朝,王博玉.不同工艺参数下0Cr18Ni9钢薄壁管脉冲钨极氩弧焊接头的组织与拉伸性能[J].机械工程材料,2022,46(02):58-62.

[6].刘天祥,陈焕明.脉冲TIG焊工艺参数对薄板不锈钢焊缝成形的影响[J].热加工工艺,2015,44(19):187-189.DOI:10.14158/j.cnki.1001-3814.2015.19.053.

[7].Arulmurugan B,Sathishkumar M,Balaji D,Muralikrishnan K,Pranesh S,Praveen V,Praveen Kumar K,Arivazhagan N,Manikandan M. Development of arc welding technique to preclude microsegregation in the dissimilar joint of Alloy C-2000 and C-276[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering,2021,235(5).

[8].B. Arulmurugan,D. Balaji,S. Rajkumar,M Kamaraj,V. Mageshwaran,M. Sathishkumar,M. Manikandan,N. Arivazhagan. Influence of Filler Wire and Welding Process to Mitigate the Microsegregation of Alloy C-2000 Using Continuous and Pulsed Current Gas Tungsten Arc Welding Techniques[J].Journal of Materials Engineering and Performance,2021(prepublish).

[9].http://www.doc88.com/p-413980330589.html

[10].李亚江.焊接冶金学:材料焊接性[M].机械工业出版社,2007.