國產鎳基合金帶極堆焊層的腐蝕性能分析

厚喜榮 王樹濤 王志剛 古小紅 王詠梅 汪沈陽

（1.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司；2.中國石油化工股份有限公司中原油田分公司）

近十年來，隨著油、氣田的開采越來越困難，采油需添加大量含氯溶劑，氣田集劇毒與強腐蝕性于一體，天然氣中含有大量H2S、CO2和氣田鹵水，腐蝕環境惡劣。 同時，由于電脫鹽技術的局限性，導致介質里氯離子頻頻超標，油氣在凈化過程中存在嚴重的H2S 腐蝕和其他危害，造成設備腐蝕、泄漏及失效等風險概率高［1，2］。經過調研，由于選材不當，國內外都出現過運行過程中設備發生腐蝕泄漏的事故，給裝置的長周期安全運行帶來極大隱患，也給企業帶來很大經濟損失。 因此，提高行業中關鍵部位設備殼體內壁的抗腐蝕性能，保證設備在這種工況下安全運行迫在眉睫。

經調查分析，Inconel 625 合金是以鐵、鎳、鈷為基，具有很高的高溫強度、韌性、耐氧化性和疲勞強度；在大氣、天然氣、海水、中性鹽及堿等介質中，具有很好的耐腐蝕性能［3］。 因此，選用Inconel 625 合金焊材進行設備殼體內壁堆焊，以達到設備的耐腐蝕性能要求。

受國內冶煉水平及焊帶、焊劑生產水平等因素的限制，國產Inconel 625 合金焊帶、匹配焊劑等堆焊材料生產困難，耐腐蝕性差，因此長期主要依賴進口， 而進口焊接材料不但價格昂貴，且供貨周期長［4］。 故為了打破Inconel 625 合金焊帶的國外壟斷，提高國內油氣行業Inconel 625 合金焊接材料生產水平，筆者針對普光氣田高含硫的惡劣腐蝕工況環境，對關鍵設備高含硫天然氣三相分離器殼體選用國產Inconel 625 合金焊材與進口Inconel 625 合金焊材進行帶極堆焊試驗，并對照分析腐蝕性能，以指導今后相關產品的設計與制造，使國產鎳基焊材在高等級的生產制造上占據一席之地。

1 試驗材料及試板的制備

1.1 焊接材料選擇

對照試驗分別選用進口Inconel 625 合金焊材（美國SMC）、國產Inconel 625 合金焊材（哈焊所）在12Cr2Mo1R 鋼板（δ=36mm）上進行帶極堆焊（堆焊層厚度為6mm）。 具體焊材牌號見表1。

表1 焊接材料

1.2 焊接工藝規范

根據以往的制造經驗和廠家的推薦，確定了兩種焊材的帶極堆焊參數（表2），并進行了帶極堆焊試驗。 在堆焊前， 對待堆試板表面按NB/T 47013.4—2015 進行100%的磁粉檢測（MT），檢測 質量等級Ⅰ級合格。

表2 帶極堆焊工藝參數

1.3 焊接試件的制備

分別采用兩種焊材在12Cr2Mo1R 鋼板 （δ=36mm）上進行帶極堆焊，每種焊材分別堆焊5 塊試板，各分為5 種狀態，分別為焊態、（690℃±14℃）×8/16/24/32h 退火，5 種狀態對應做好編號（表3）。 堆焊完畢后， 對堆焊層表面進行100%滲透檢測，對結合面進行100%超聲檢測， 檢測結果滿足NB/T 47013.5—2015 和NB/T 47013.3—2015 的要求，并測量堆焊層厚度，應符合取樣要求。 然后按要求進行焊后消應力熱處理，焊后熱處理應符合：試板進爐時，爐內溫度不超過400℃，升至400℃以后時，控制升溫速度在50～80℃/h 之間，保溫溫度和時間分別按表3 執行， 降溫速度控制在50～110℃/h 之間，爐冷至400℃以下時出爐空冷。

表3 不同Inconel 625 合金焊材堆焊試件在不同狀態下的編號

2 試驗要求

對鎳基合金堆焊試板的5 種狀態（含2 種焊材）進行宏觀檢查和YB/T 5362 法、ASTM A262 C法（HUEY 法）、ASTM G28 A 法腐蝕試驗。

具體試驗項目說明如下：

a. 宏觀檢查。 對試板進行解剖，剖面取在焊道搭接處，剖面應經拋光和浸蝕，以能清晰地分清熔合區和基體金屬為準。 用5 倍放大鏡觀察無層下裂紋、未熔合為合格。

b. YB/T 5362 法（應力腐蝕試驗）。 取2mm×3mm×30mm（厚×寬×長）試樣3 件做氯化物應力腐蝕試驗，加載應力為210MPa。

c. ASTM A262 C 法（HUEY 法，硝酸腐蝕試驗）。 取20mm×30mm×3mm（長×寬×厚）試樣2 件按標準進行試驗，合格指標為5 個周期平均腐蝕速率不大于0.87g/（m2·h）（0.075mm/month）。

d. ASTM G28 A 法 （硫酸-硫酸鐵腐蝕試驗）。 取20mm×30mm×3mm（長×寬×厚）試樣2 件按標準進行試驗， 合格指標為腐蝕速率不大于1.16g/（m2·h）（0.1mm/month）。

3 試驗結果

3.1 宏觀檢查

宏觀檢查均合格，國產焊材與進口焊材無差異，各樣品宏觀照片如圖1 所示。

圖1 各樣品宏觀照片

3.2 腐蝕試驗結果

進口與國產Inconel 625 合金焊材堆焊試板在不同狀態下的3 種腐蝕性能數據見表4。

4 結果分析

由試驗結果可以看出，進口Inconel 625 合金焊材（INCONEL Weldstrip 625+INCOFLUX SAS1）與國產Inconel 625 合金焊材（H625+SJ82B）的堆焊層在焊態和不同保溫時間的熱處理狀態下，宏觀檢查和YB/T 5362 應力腐蝕試驗結果均合格，說明在不同熱處理狀態下對于Inconel 625 合金堆焊層的應力腐蝕影響不明顯。

進口Inconel 625 合金焊材與國產Inconel 625 合金焊材堆焊層的ASTM A262 C 法與ASTM G28 A 法腐蝕率在焊態和690℃×8h 下均滿足合格指標要求，且數據相近，部分國產焊材的數據甚至更優于進口焊材。 但以上兩種腐蝕率隨著熱處理時間的增加而增加，進口和國產焊材保溫時間超過8h 的熱處理試樣其腐蝕率均不合格，且二者數據也基本相近。 分析原因可能是熱處理后產生的析出物（碳化物）造成的，長時間的熱處理會造成晶間貧鉻現象，降低了堆焊層的抗晶間腐蝕性能［5］。

表4 不同狀態下的腐蝕結果對照表

5 結論

5.1 與進口焊材相比， 國產Inconel 625 合金焊材（H625+SJ82B）亦能通過相關工藝手段獲得穩定、良好的外觀成型。

5.2 使用國產焊接材料堆焊的625 合金堆焊層在焊態和690℃×8h 熱處理狀態下各項抗腐蝕性能均符合技術要求。 在規定的熱處理溫度下，隨著熱處理保溫時間的增長，堆焊層的抗晶間腐蝕性能下降，因此產品若要保證長周期運行，從本次試驗來看，對于鎳基合金625 堆焊層進行消除應力熱處理保溫時間不宜超過8h。

5.3 國產與進口Inconel 625 合金焊材堆焊后試板的ASTM A262 C 法（HUEY 法）、ASTM G28 A法和YB/T 5362 法腐蝕數據極為接近，部分國產焊材的數據甚至更優。

5.4 國產Inconel 625 合金焊材堆焊層能夠滿足油、氣田行業中高含硫介質對關鍵設備內壁的腐蝕要求。

5.5 國產Inconel 625 合金焊材完全可以應用于油、氣田行業中關鍵設備的內壁堆焊，對于國產高級別材料的發展和應用具有重要意義。