冷氢化装置流化床高温合金钢管道
摘要：根据Incoloy 800H的化学成分、焊接性能及主要焊接缺陷分析，简述多晶硅冷氢化装置流化床高温合金钢管道（800H）焊接注意事项 关键词：冷氢化流化床高温管道铁镍基合金800H焊接
中图分类号： TG4 文献标识码： A 文章编号：
一 冷氢化装置概况
目前，全球多晶硅价格骤降，降低生产成本是多晶硅企业生存的迫切需要，采用冷氢化方式处理可有效地降低生产成本，冷氢化毫无疑问是未来众多多晶硅生产企业产品成本控制的主流技术。江苏中能多晶硅技改扩建8*10万吨冷氢化装置是国内最大的同类装置，核心包由该公司全球研发中心与美国一流多晶硅技术服务商合作提供，天津市化工设计院设计，中国化学工程第三建设有限公司承建。该装置工艺流程复杂，管道材质多，且物料介质多为有毒有害易燃易爆。其核心设备流化床反应器与内冷塔、加热器及之间连接管道材质为Incoloy 800H，设计温度590℃，设计压力为2.7MPA，最大管径DN300壁厚12mm，工艺介质为氯硅烷合成气。
二 Incoloy 800H焊接性能
800H是以Ni-Fe-Cr为基的高合金奥氏体耐热钢，化学成份见下表所示，极低的C含量和提高了的Ti:C 比率增加了结构的稳定性和最大的抗敏化性以及抗晶间腐蚀性，较高的Ni和Cr含量使其具有很好的耐点腐蚀、抗应力腐蚀开裂性能。但因800H导热系数低，焊接熔池流动性差，而镍极易被硫及磷脆化，在晶界上产生低熔点共晶体引发焊缝凝固裂纹，故其焊接产生的主要缺陷为热裂纹、夹渣、未熔。多晶硅工艺介质要求无油无水，所有物料管道施工前进行化学清洗，安装完成后用洁净空气（氮气）进行吹扫试压，无油无水的配管洁净度要求给焊接工作增加了一定的难度。
三 焊接注意事项
坡口制备
1. 800H铁镍基合金的金属熔池稠，流动性差，同等条件下熔深仅为普通奥氏体不锈钢的60%，焊接时极易于发生未熔合及夹渣。为防止过热产生裂纹又不能采取增大焊接电流来提高液态金属流动性，为保证接头熔合性良好，需增大坡口角度，减小根部钝边厚度，稍微加大对口间隙。
2．坡口型式如下图：
（二）组对定位焊
1．定位焊采用根部定位焊，不少于3处，焊缝厚度不小于6mm, 长度不小于20mm，焊接工艺同正式焊，定位焊缝焊接完成清除渣皮进行检查，确认无缺陷后将两端修磨成缓坡状，作为正式焊缝的组成部分予以保留。
2．组对板、卡具均采用800H管道下料料头切割拍平制作，与管道点焊焊材同正式焊焊材，拆除时采用砂轮机（不锈钢专用砂轮片）切割并打磨平整，禁止强力敲击避免拉伤母材，母材上焊疤修磨处进行渗透检测。
3. 管道坡口及其周围20mm范围内的表面用丙酮清洗挥发后进行组对焊接。
4．对接焊缝组对时，做到内壁平齐，内壁错边量控制在1mm以内；组对过程中不得使用铁质工具（手锤、撬棍等）直接对800H材质的管道组成件表面进行敲打。
5. 避免强力组对，以减少拘束力对焊接过程的影响，从而减轻焊接裂纹的产生。
6． 正式焊接前在焊缝两侧管道外壁各100mm范围内涂白垩粉，防止焊接时飞溅物损伤母材。
（三）焊接工艺
1.焊接方法采用氩电联焊（GTAW+SMAW），即：钨极气体保护焊（手工氩弧焊）打底，焊条电弧焊（手工电弧焊）填充盖面。钨极气体保护焊（GTAW）采用铈钨极φ2.0-2.5，保护气体氩气纯度99.99%，气体流量为12～18L/min。
2.焊接材料选用
2.1焊条使用必须按说明书进行烘烤。焊条领用时即放入焊条保温桶，随用随取，保温桶盖及时关闭。焊条在使用过程中保持干燥，出库超过4小时未用完的应退库重新烘烤，重复烘烤不得超过2次。
2.2焊丝使用前进行清理，用干净白布沾丙酮溶液擦拭去除油脂，且表面不得有水迹、污痕。
3.充氩保护措施
3.1氩弧焊时采用管内充氩保护防止焊缝内侧金属氧化返砂，氩气纯度99.99%，气体流量为10～16L/min。在开始焊接前提前送气，待管内空气全部排出后开始焊接，管内空间较大时可以借助测氧仪确认管内空气排出情况，背部保护氩气保持到焊缝第二层焊接结束后停止送气。
3.2管道预制管内充氩挡板如下图，因管道洁净度要求，其中海棉挡块外表面用洁净白布包覆防止海棉碎屑掉落管内。
3.3因管道清洁度要求，管道安装完成后采用无油无水无尘洁净空气（氮气）进行试压，传统利用速溶纸进行固定口局部充氩的方法不可行，部分固定口焊接时采用生产车间干燥无油高纯氮（纯度99.5%）进行管线内部整体充氮保护。
3.4室外及框架高处焊接作业，手工电弧焊（SMAW）焊接时的风速超过8m/s，氩弧焊(GTAW) 焊接时的风速超过2m/s，必须设置挡风棚，防止风力过大破坏保护气流，造成焊接气孔。
4.焊接工艺参数
4.1底层焊道进行渗透检查，发现线性缺陷打磨消除后方可继续施焊。
4.2电弧焊时采用小线能量，短电弧，施焊时适当摆动焊条，摆幅不超过焊条直径的2.5倍，在焊道两侧的停留时间稍长，以避免咬边及夹渣。
4.3焊接过程中，安排专人用红外线测温仪监测并记录层间温度，确保层间温度控制在100℃以下。
4.4每个岗位同时组对预制两道以上焊口，同一焊工几道焊口氩弧焊全打完底，再按顺序逐一进行填充盖面，每道焊缝焊一遍后进行另一道焊缝焊接，不同焊口错开冷却。
4.5为加快焊后的冷却，在管外用布带沾水湿布擦拭焊缝两侧使其激冷，减少焊缝的高温停留时间，增加焊缝的冷却速度。
4.6每层焊接后应彻底清除焊道表面的熔渣并进行表面检查，发现缺陷及时处理，表面裂纹进行打磨清除，各层焊道焊接接头错开。
4.7严禁焊件表面引弧、收弧和试验电流，避免电弧擦伤母材；焊接完成收弧时，弧坑及时填满，收弧处进行打磨。
5.主要焊接缺陷分析与防治
5.1缺陷原因分析
5.2缺陷防治
5.2.1程序控制：相关焊接工艺评定报告完成；焊接工艺规程经焊接技术员编制，焊接工程师审核，项目技术负责人批准，在焊材库和焊接现场上墙张贴；对参与本次焊接的焊工进行专项技术交底并履行签字手续。
5.2.2人的控制：加强焊工的技术培训同时，增强其责任心，明确焊接质量关系个人的荣誉和收入。认真对待每一道焊口，并做好组对尺寸、焊接 、清理每一步工作质量的自检,管工对焊口组对质量负责，焊工施焊前检查，不符合规程要求可以拒绝该焊口焊接。焊接技术员在施工过程中加大对焊接工艺和焊接过程的指导和监督的力度。
5.2.3材料控制：做好焊材、氩气入库前的检查验收和使用过程中的发放回收，并有专人进行分类归整管理，保证存储期间的质量。
5.2.4全过程质量控制：焊接完成后的无损检测结果合格并不是焊缝质量合格的唯一标准，为保证焊口的内部力学性能达到设计文件的要求，焊接人员必须在焊接全过程（焊前、焊中、焊后）中严格执行焊接工艺规程。
5.3返修工艺
无损检测不合格的焊缝，返修前进行质量分析，确定造成缺陷的原因和缺陷位置，制定返修措施。返修采用砂轮机进行缺陷消除，缺陷处焊缝底部修磨成U形，确认缺陷消除后进行补焊。补焊焊接工艺及无损检测要求同原焊缝。
四 总结
Incoloy 800H焊接正是通过采用小的线能量（低电压、小电流、高焊速、多层焊），减少热量的输人，控制层间温度，加快焊后的冷却速度，避免焊缝过热，增强抗热裂纹的能力，从而保证焊缝无损检测合格及达到设计要求的使用性能。在江苏中能多晶硅技改扩建8*10万吨冷氢化装置流化床800H管道施工中按上述焊接工艺方法进行控制，焊接一次合格率达到99.6%，管线系统吹扫试压无泄漏，管道投料生产至今未出现一例焊接质量问题，为以后同类装置、相同材质的管道焊接工作积累了一定的经验。
参考文献：
[1]石油化工铬镍不锈钢、铁镍合金和镍合金焊接规程（SHT 3523-2009）
[2]现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范（GB50236-2011）
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。