N08020ALLOY20NS143的性能與焊接技術(shù)

1、N08020/ALLOY20/NS143的性能與焊接技術(shù)合金20Cb-3，UNS系統(tǒng)編號：N08020，符合ASTM B729及ASME SB729標(biāo)準(zhǔn)，在ASME-2001第IX卷焊接和釬焊評定標(biāo)準(zhǔn)中材料類別為P No.45，國內(nèi)尚無對應(yīng)牌號。該項(xiàng)目輸送硫酸的管道所用管材、管件（材質(zhì)為合金20Cb-3）均為國外供貨，國內(nèi)較為少見，其焊接資料也極為缺乏。提供以下資料以供參考。 ALLOY20是具有很多優(yōu)異性能的耐蝕合金，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(yīng)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(zhì)中有滿意的耐蝕特性。UNS: N08020 /NS143ALLOY2

2、0 的化學(xué)成分（圖一）合金%鎳鉻銅鉬鐵碳鈮+鉭錳磷Inconel 20最大382143余量0.07120.045最小321932合金%硫硅Inconel 20最大0.0351最小ALLOY20的物理性能密度8.08 g/cm3熔點(diǎn)1357-1430Inconel 20的常溫機(jī)械性能合金狀態(tài)抗拉強(qiáng)度(MPA)Rm N/mm2屈服強(qiáng)度（MPA)RP0.2N/mm2延伸率A5 %Inconel 2062030040ALLOY20的應(yīng)用：ALLOY20可以用來濕法冶金及硫酸工業(yè)裝置等等。在材料領(lǐng)域中,可以用來制作鋼材、鍛件、帶材、絲材、螺栓、螺母等等。1化學(xué)成分及其力學(xué)性能合金20Cb-3是一種專門設(shè)

3、計(jì)的用于抗硫酸腐蝕的Ni-Cr-Mo系奧氏體不銹鋼，其化學(xué)成分見表1。其力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度b551MPa，0.2%屈服強(qiáng)度s331 MPa， 延伸率%30，最大布氏硬度217HB。從化學(xué)成分分析，由于Ni、Cr、Mo、Cu等合金元素特別是NbTa（Nb，鈮，舊名鈳，元素符號Cb，名稱中的Cb也因此而來）的加入使得合金20的耐腐蝕性特別是耐熱硫酸腐蝕性能非常優(yōu)良，常用來代替316不銹鋼用于應(yīng)力腐蝕較嚴(yán)重的場合，一般不需焊后熱處理即可用于腐蝕環(huán)境下。但與其它高鎳奧氏體不銹鋼一樣，合金20Cb-3在焊接時(shí)存在一些問題。1 Inconel 20的化學(xué)成分參考上述圖一。2 焊接性能分析合金20Cb-3

4、材料本身耐腐蝕性能十分優(yōu)良，但如果焊接接頭存在缺陷將直接導(dǎo)致焊縫被優(yōu)先腐蝕造成事故。由于合金20Cb-3鎳含量高，而鎳的焊接性能較差，同其它高鎳合金一樣，合金20Cb-3在焊接過程中易出現(xiàn)焊接熱裂紋、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕裂紋等問題。所以，在制定焊接工藝時(shí)均需考慮。2.1焊接熱裂紋合金20Cb-3在焊接時(shí)產(chǎn)生的焊接熱裂紋主要有3種：結(jié)晶裂紋(也稱凝固裂紋)。由于焊縫結(jié)晶偏析，造成在結(jié)晶后期以液態(tài)膜形式存在于晶界間的低熔點(diǎn)共晶削弱了晶粒間的聯(lián)接，在拉應(yīng)力的作用下發(fā)生開裂。液化裂紋。形成機(jī)理在本質(zhì)上與結(jié)晶裂紋相同，都是由于晶間有脆弱低熔相或共晶，在高溫下承受不了力的作用而開裂，區(qū)別僅在于結(jié)晶裂紋是液態(tài)

5、焊縫金屬在凝固(或結(jié)晶)過程中形成的，而液化裂紋則是固態(tài)的母材受熱循環(huán)的峰值溫度作用下使晶間層重新熔化后形成的。多邊化裂紋。已凝固的結(jié)晶前沿在高溫和應(yīng)力的作用下，晶格缺陷由高能部位向低能部位轉(zhuǎn)化，即發(fā)生遷移和聚集，形成了二次邊界，又叫多邊化邊界，在焊后的冷卻過程中，因其熱塑性降低，在應(yīng)力作用下沿多邊化的邊界產(chǎn)生裂紋。這3類裂紋中結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的頻數(shù)最高。2.2晶間腐蝕晶間腐蝕是指沿晶界進(jìn)行的腐蝕，使晶粒的連接遭到破壞。其實(shí)質(zhì)是在焊接高溫下，碳元素不斷地向晶粒邊界擴(kuò)散，并和Cr結(jié)合形成Cr23C6，造成晶粒邊界貧鉻，在腐蝕介質(zhì)作用下，即可產(chǎn)生晶間腐蝕。2.3應(yīng)力腐蝕開裂由于合金20Cb-3合金含量

6、高，與碳素鋼、普通奧氏體不銹鋼比較，其密度較大，比熱小，熱導(dǎo)率低，線脹系數(shù)大，焊后存在較大的焊接殘余應(yīng)力，為應(yīng)力腐蝕開裂創(chuàng)造了必要條件。此外，由于焊接熱過程導(dǎo)致接頭碳化物析出敏化，促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。3 焊接工藝3.1防止焊接缺陷的工藝措施（1）防止熱裂紋 焊接時(shí)嚴(yán)格控制焊縫中硫、磷、碳等有害雜質(zhì)的含量，改善焊縫結(jié)晶形態(tài)，選用的焊材中含微量的細(xì)化晶粒元素Mo，以提高其抗裂性能。在焊接工藝上采用小電流短電弧不擺動(dòng)或小擺動(dòng)的多層多道焊，嚴(yán)格控制熱輸入，降低接頭的剛度和拘束度，減小結(jié)晶過程的收縮應(yīng)力。（2）防止晶間腐蝕 嚴(yán)格控制焊材的碳含量，通過焊接材料使焊縫金屬成為超低碳(C0.003)的奧氏體

7、，選用含有Nb或Ti等穩(wěn)定化元素的奧氏體焊接材料。在工藝方面，焊接時(shí)盡量減少過熱，采用小焊接熱輸入，避免交叉焊縫，增大焊后冷卻速度，同時(shí)嚴(yán)格控制焊接過程中焊縫區(qū)滲碳。（3）防止應(yīng)力腐蝕的措施 采用合理的焊接順序、焊接中盡量減小接頭拘束度以及管道無應(yīng)力組對均可緩解或防止焊縫金屬的應(yīng)力腐蝕。3.2 焊接方法鎢極氬弧焊焊接線能量小，過熱區(qū)小，冷卻速度快，高溫區(qū)間停留時(shí)間短，可滿足上述要求，故選用手工鎢極氬弧焊。3.2焊接材料焊材選用ER320LR（符合AWS A5.9-1993），其化學(xué)成分見表2。表2 ER320LR焊絲的化學(xué)成分元素NiCCrCuMoMnPSSiFeNbTa化學(xué)組成%33.710

8、.00520.443.532.401.80.0020.0040.05R0.163.3焊接工藝試驗(yàn)根據(jù)合金20Cb-3鋼材及焊絲ER320LR的工藝性能，結(jié)合相類似材料的焊接經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),確定試驗(yàn)焊縫的工藝參數(shù)如表3所示,焊接工藝要點(diǎn)如下：鈰鎢極直徑2.5mm，噴嘴直徑14mm，層間溫度不大于100，坡口形式為V形坡口，角度（655），鈍邊1 mm，間隙2.02.5 mm。據(jù)此進(jìn)行現(xiàn)場焊接工藝試驗(yàn),焊接試件數(shù)量3件。實(shí)際焊接參數(shù)記錄見表4，焊后經(jīng)24h自然冷卻，進(jìn)行外觀檢查和X射線檢測，并依據(jù)ASME-2001第IX卷焊接和釬焊評定標(biāo)準(zhǔn)及JB4708-2000鋼制壓力容器焊接工藝評定的

9、要求對試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見表5。表3 合金20Cb-3鋼管焊接工藝參數(shù)范圍焊接層數(shù)焊接方法填充金屬工藝參數(shù)氬氣流量/Lmin-1焊接速度/cmmin-1焊絲牌號直徑/mm電流/A電壓/V1GTAWER320LR2.065100912正：812背：10157152GTAWER320LR2.070100912715表4 試件焊接過程中工藝參數(shù)焊接層數(shù)焊接方法填充金屬工藝參數(shù)氬氣流量/Lmin-1焊接速度/cmmin-1焊絲牌號直徑/mm電流/A電壓/V1GTAWER320LR2.07010正：9 背：1582GTAWER320LR2.08011正：10 背：1193GTAWER320LR2

10、.08011正：99表5 試件外觀檢查、射線檢測及力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果試件編號宏觀檢查無損檢測拉伸試驗(yàn)彎曲試驗(yàn)片數(shù)級別b/MPa斷裂部位結(jié)果類別彎曲角度結(jié)果ALLOY20-1合格6569、576母材合格面彎2件180合格背彎2件180合格ALLOY20-2合格6575、566母材合格面彎2件180合格背彎2件180合格ALLOY20-3合格6級5張級1張573、578母材合格面彎2件180合格背彎2件180合格 從表5結(jié)果可知，三個(gè)試件的外觀檢查、射線檢測及力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范要求，該工藝參數(shù)可用于現(xiàn)場施工。4 焊接4.1焊材管理建立嚴(yán)格的焊材保管、發(fā)放和回收制度，保證在整個(gè)施工過程中始

11、終處于受控狀態(tài)。焊材入庫前，按比例進(jìn)行光譜分析，確認(rèn)無誤后做好材料標(biāo)識。領(lǐng)用時(shí)由施焊焊工填寫焊材領(lǐng)用申請單，由焊接技術(shù)員審核，焊接工程師確認(rèn)后由保管員發(fā)放，施焊過程中由焊接檢查員檢查執(zhí)行情況。4.2焊接注意事項(xiàng)在合金20Cb-3管道的焊接過程中，除嚴(yán)格執(zhí)行工藝參數(shù)外施工場地保持清潔，嚴(yán)禁管材與碳鋼直接接觸，所有管材及管道組件放置在木方或不銹鋼墊板上。組焊前，坡口兩側(cè)各50mm范圍內(nèi)清理干凈，坡口及焊絲用丙酮清洗干凈。焊工必須使用專用的剛玉砂輪片打磨坡口，所用的鋼絲刷及其它工具全部由不銹鋼制成。嚴(yán)格控制組對質(zhì)量，禁止強(qiáng)力組對，組對錯(cuò)邊量應(yīng)不大于0.5mm。所有焊機(jī)應(yīng)帶有高頻控制箱，焊接時(shí)使用高頻

12、引弧，嚴(yán)禁鎢極直接接觸母材引弧，焊接息弧時(shí)應(yīng)填滿弧坑，并磨去弧坑缺陷。焊接時(shí)管內(nèi)充氬氣保護(hù)，氣體純度不小于99.99%。焊接時(shí)焊絲的加熱端應(yīng)置于氬氣的保護(hù)內(nèi)，每層焊道的接頭應(yīng)錯(cuò)開，層間溫度不大于100后方可進(jìn)行下一層焊道的焊接。為避免焊縫在熱敏感區(qū)停留時(shí)間過長，焊接時(shí)可用濕布擦拭焊縫兩側(cè)，加快焊縫冷卻速度，但水中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得超過2510-6。焊件表面不得有電弧擦傷，不得打焊工鋼印，只能用記號筆標(biāo)明焊工號和焊縫號。管道焊接完成后，及時(shí)對焊縫進(jìn)行酸洗、鈍化處理。4.3 施焊根據(jù)表4的工藝參數(shù)及各注意事項(xiàng)制訂了嚴(yán)格的合金20Cb-3管道焊接工藝和焊接規(guī)程，并按此焊接工藝和焊接規(guī)程對該項(xiàng)目的所有

13、合金20Cb-3管道焊接接頭施焊。為確保焊接質(zhì)量，在施焊前由焊接工程師組織對所有作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底；在施焊過程中加強(qiáng)現(xiàn)場檢查力度，確保焊接工藝和焊接規(guī)程的嚴(yán)肅執(zhí)行；在焊接完成后，在作業(yè)班組“自檢、互檢”的基礎(chǔ)上，由專職焊接檢查員及時(shí)進(jìn)行“專檢”，合格后方可進(jìn)入下道工序。4.4檢驗(yàn)焊接完成后，將焊縫表面清理干凈，依據(jù)GB50236-1998現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗(yàn)收規(guī)范及JB4708-2000鋼制壓力容器焊接工藝評定對焊縫進(jìn)行外觀檢測。主要通過用放大鏡或目測來檢查焊縫的表面缺陷，檢查是否有裂紋、燒穿、弧坑、咬邊、表面氣孔等缺陷。焊縫外形尺寸用焊縫檢驗(yàn)尺檢查是否符合規(guī)范要求。在外觀檢查合格后按照設(shè)計(jì)要求按比例依據(jù)JB4730-94承壓設(shè)備無損檢測