国内在热电厂及化工等行业较多采用的湿法烟气脱硫(Fluegasdesulfurization,简称FGD),是控制酸雨和二氧化硫最有效和主要的技术手段。在技术装置中,吸收塔是该装置的核心设备,它对整个系统的运行及脱硫效率起到了决定性的作用。而烟道与吸收塔相接段腐蚀严重,故近2年来,在烟道与吸收塔入口段内壁采用UNSN镍基合金薄板贴衬衬里,其它区段内壁采用玻璃鳞片或橡胶等材料衬里防腐技术成了热点,正得到广泛应用。UNSN为美国标准ASTMB,是属于Ni-Cr-Mo-Fe-W系,在低温和中温盐酸中均有优良的耐腐蚀能力,是广泛应用的耐蚀性最好的合金,焊后可不经热处理直接使用。笔者结合多年的焊接经验,通过对UNSN材料焊接工艺性能进行分析.研究、试验,制定了合理的焊接工艺,并应用于生产,取得了显著的效果。
1UNSN合金材料的性能及焊接性分析
1.1UNSN合金材料的性能分析
NUSN镍–钼–路–钨合金,是目前最具抗腐蚀能力的合金,高钼成分给予合金抵抗局部腐蚀的特性,低碳同时增强耐应力腐蚀的特性。沉淀/时效硬化的镍–钼-酪–钨合金,有长时间抗氧化能力,抗氧化性好,有极佳的时效延展性,广泛应用于苛刻的腐蚀环境中,如化工、石油﹑烟气脱硫、纸浆和造纸环保等工业领域。其在氧化性及还原性环境中,均有较好的耐腐蚀性能,在氧化介质中优于铜,在还原介质中优于铜镍,如耐湿氯﹑各种氧化性氯化物、氯化物溶液、硫酸与氯化性盐,在低温与中温盐酸中应用较广。该合金以各种形式出现在美国机械工程师协会标准规定第八章的第一、二部分。其密度为8.89g/mm3,熔点为~℃,线膨胀系数为13.6um/(m.℃),导热系数为10.2W/(m·K)。
1.2UNSN材料焊接性分析
UNSN线膨胀系数较大(介于奥氏体不锈钢与普通钢之间),热导率小(10.2W/(m·K),焊接时焊缝中的一些杂质元素和低熔点物质容易在晶界偏析和聚集,并在熔池的凝固过程中与Ni形成低熔点共晶体,易造成焊接热裂纹。同时由于镍合金焊缝液态金属的流动性较差,焊缝金属的冷却速度较快,使熔池中的气体来不及逸出,易造成气孔。
据文献介绍,UNSN合金易敏化,敏化温度范围~℃,在敏化温度范围内硅促使8等有害相析出"。在不适当的焊接热循环作用下,镍合金材料接头热敏化后可能产生贫铬区,贫钼区和金属间化合物。
故不恰当的焊接操作,焊缝易出现裂纹、气孔,焊缝边缘出现咬边,表面成形不光滑等现象。因此,从防止焊接热裂纹、气孔、脆性共晶体等方面人手是控制焊接镍合金质量的关键。
2焊接工艺的确定
UNSN的化学成分和力学性能如表1表2所示。该合金采用的焊接技术与奥氏体钢采用的焊接技术相似。在焊接过程中值得注意的是C,Si含量的增加可能导致材料的重要特性向相反的方向转化,保持低碳使合金在焊接过程中碳化物沉淀降至最低,增强对焊接接头热影响区抵抗晶间腐蚀的特性。同时该合金在焊接时,熔池金属的流动性差,且表面易形成难熔的氧化膜,熔透性差,易形成夹杂物,因此从焊接选材及焊接过程中要严格控制C及S,Р等杂质的含量,并确保焊材及焊缝坡口表面的清洁。
2.1焊接方法的选择
UNSN合金的焊接性能类似于奥氏体不锈钢,当选择一种焊接方法后,应采用对耐蚀性能损害最小的焊接技术。采用CTAW,GMAW、焊条电弧焊或电阻焊,均可使焊缝金属及热影响区耐蚀性能降低较小。不能采用氧乙炔焊,因氧乙炔焊可造成增C。不应使用含有C或Si的埋弧焊剂,因为它们可造成C或Si的增加。小的热输入量和恰当的熔深,可以避免焊接时的热裂纹,故文中采用氩弧焊。
2.2焊接材料的确定
根据材质的化学成分,保护气体采用高纯度氩气(99.99%),焊材选用ERNiGrMo-4焊丝,化学成分见表3。
2.3坡口形式的设计
与碳钢相比,镍基合金具有较低的热导率和高的热膨胀系数,这些特性都需要在焊接坡口准备时考虑，加宽底部间隙(2~4mm)。同时由于熔融金属的粘滞性,在对接时应采用更大坡口角度(60°~70°)。
3焊接工艺评定试验
接照ASMEIX—《焊接和钎焊评定标准》和JB—《钢制压力容器焊接工艺评定》的要求，对UNSN合金进行焊接工艺评定试验。
3.1试样准备
试件尺寸mmxmmx6mm,采用GMAW焊接方法,其焊丝选用ERNiCrMo-4;采用V形焊接坡口,如图1所示,间隙b=2mm,钝边P=1.5mm,坡口角度α=70°。
3.2焊接方法
焊前对坡口及两侧边缘30mm范围内清除氧化物、油污及清除焊丝表面的氧化物、油污等。焊前不需预热,层间温度≤℃;采用尽可能小的热输入,缩短高温停留时间,使粗晶区的晶粒不至于过分长大,引起脆化;熔敷金属尽量少,焊缝外形应稍凸起。
UNSN焊缝金属流动性差,焊接时最好稍许做横向摆动,每次摆动极限处,稍作停顿,以使粘稠的焊接金属有充分时间来填充咬边。正面焊完后,背面砂轮清根,再用丙酮清洗焊道及两侧粉尘等污物后施焊。焊接工艺参数见表4。
3.3接头性能
焊后对试件进行%RT检验,达到Ⅱ级焊缝。力学性能按ASME规范IX进行测试，见表5。
接头晶间腐蚀敏感性试验按ASTM规范C28-A进行,其腐蚀敏感性如表6所示。
3.4焊接工艺评定总结
通过对以上材料焊接性分析和焊接工艺评定试验,结果表明使用的焊接材料与母材匹配,焊接工艺参数满足UNSN材料力学性能和耐腐蚀性能的要求。评定结果为合格。
4产品焊接
在北京某单位湿法烟气脱硫(FCD)技术装置中，由于在脱硫过程中,酸碱介质交替对设备存在多种多样的化学、高低温度及应力腐蚀,在烟道进入吸收塔相
接段,腐蚀最严重,这段是FGD防腐难点和重点。设计在烟道与吸收塔入口段内壁加UNSN衬里。在衬里焊接过程中,考虑到有利于获得良好的焊接接头，
采用氩弧焊工艺,焊接坡口底部间隙2mm,钝边1.5mm,坡口角度70℃,选用ERNiCrMo-4焊丝,较小的热输入,层温控制在℃以下。采用了文中焊接工艺评定制定的焊接工艺规程,很好地完成了生产任务。
5结论
(1)UNSN焊接应用氩弧焊方法,选用合理的焊接热输入,多层焊,严格的氩气保护,层间温度小于℃。
(2)采用ERNiCrMo-4焊丝来焊接UNSN,同时采用有效地操作技巧避免咬边及过烧。
(3）采用合理地焊接坡口和焊接顺序,减小熔合比。在焊接过程中保持短弧,以便较好地控制熔敷金属量。
(4）焊前注意母材和焊材的清理,焊接时保持稳定的电弧电压,引弧和收弧时,注意掌握操作技巧。
