纯镍管道的焊接

Ni200纯镍管道的焊接

中国化学工程第十六建设公司廖翼翔

山东滨州化工集团公司陈文玮李鹏

摘要：通过对Ni200纯镍的理化性能和焊接性进行分析，制定了该材料的焊接工艺并在工程中成功进行了应用。采用TIG焊接方法和大电流、快速焊工艺以及进行严格的焊前清理和低温环境必须焊前预热是保证纯镍管道焊接质量的关键。

关键词：热裂纹气孔未熔合焊缝成形焊前清理氩弧焊预热

1、前言

山东省滨州化工集团5万吨/年离子膜片碱装置采用瑞士博特公司（Bertrams Chemical Plant Ltd）技术，其主要原理是通过一、二段蒸发和三段浓缩将32%的NaOH 溶液制成99.99%的熔融烧碱，再通过结片机冷却、刮削制成片碱。整个工艺过程所涉及的关键设备和管道组成件均从瑞士博特公司进口。

由于烧碱溶液在蒸发、浓缩过程中随着浓度、温度的升高，腐蚀性越来越强，对工艺设备和管道材质选材要求也越来越高，当烧碱溶液浓度≥50%时，不锈钢材料已不能满足耐腐蚀性要求，必须选用具有良好的耐苛性碱腐蚀性能的纯镍材料。该装置一段蒸发以后的设备和烧碱溶液管道实际采用了Ni200材料，管道总长240多米，焊口260多个。管道最小规格为DN25mm，最大为DN800mm，壁厚3.05～4.31mm。

在强腐蚀性的苛刻使用条件下，纯镍管道焊接质量好坏关系到整套装置能否长期安全稳定运行，且由于纯镍材质理化性能和焊接性特殊，焊接操作难度大，焊接技术要求很高，业主和博特公司专家对纯镍管道的焊接十分重视，焊接质量检验全部采用瑞士标准。纯镍管道的焊接也成为该项目施工的关键。

2、纯镍的化学成分和物理性能

2.1化学成分

2.2物理性能

3、低碳镍的焊接性分析

纯镍材料焊接主要存在焊接热裂纹、气孔和焊缝外观成形差等问题。

1）焊接热裂纹

纯镍材料含镍量≥99%，焊接时具有一定的热裂倾向，与含镍量较高的纯奥氏体不锈钢（δ≤0.6%）较为相似。纯镍材料的热裂倾向跟材料中是否含硫、磷等有害元素及含量有关。少量的硫、磷元素存在就可能对纯镍的焊接产生相当大的影响，随着硫、磷含量的增高，热裂倾向大大增加。其原因是焊缝金属从液态冷却凝固过程中，硫、磷与镍形成的低熔共晶向焊缝金属的晶界偏析而形成液态薄膜，在焊接拉应力的作用下导致热裂纹的产生。硫、磷等杂质元素的有害作用还具有叠加的倾向。因此控制材料中硫、磷杂质元素的含量，防止外界含硫、磷物质污染非常重要。

2）焊缝气孔

纯镍对氢气孔非常敏感。氢在液态金属中溶解度较大，随着温度的下降而显著降低，由于纯镍导热系数大，固液相温度区间小，液态金属粘度大，流动性差，焊缝结晶凝固快，熔池液态金属中溶解的氢不易析出，熔池容易为氢所饱和而形成气孔。

控制焊缝气孔的关键是减少熔池液态金属中的[H]等的含量，一方面应采用合适的焊接材料，另一方面必须保证焊件和焊丝的清洁，防止外界空气、油脂、水份等污染熔池。

焊接气候条件对焊缝气孔影响相当大。当环境气温低于16℃时易产生气孔，这是由于坡口表面存在冷凝水的缘故，使用丙酮擦洗也不能清除，焊前必须预热；施焊时还要求空气相对湿度<65%。

3）未熔合和焊缝成形差

由于纯镍材料导热系数大、熔池冷却凝固快，小电流焊接不易充分熔化母材，导致焊缝易出现未熔合缺陷；液态金属流动性和润湿性较差，焊缝表面波纹较粗，易产生咬边、凹陷，焊缝成形不如碳钢和不锈钢美观；另外纯镍材料焊接时熔池颜色变化不大，不易看清也是导致焊缝成形较差的原因之一。

4、焊接工艺

1）焊接方法的选择

手工钨极氩弧焊（TIG ）具有熔池保护效果好，焊缝金属致密，焊丝中脱氧合金元素过渡系数高，易于操作，焊缝外观成型美观，探伤合格率高等优点，纯镍管道现场焊接采用TIG 焊能保证焊接质量。

2）焊接材料的选择

该牌号焊丝中含有一定的锰，锰与硫化合阻止低熔共晶硫化镍的形成，能有效预防热裂纹的产生；焊丝中少量的铝、钛元素则起到脱氧剂作用。

3）纯镍材料的保管和防护

纯镍易受到硫的侵害，当它与含硫物质接触，温度超过300℃的临界值时，热的硫就会渗入晶界转化为硫化镍。 硫以很多种形式存在于物质中，易于纯镍接触的有油、油脂、灰尘、油漆、标记墨水、胶布、指纹（汗液）、脚印、还有含硫化物的污染空气等。因此为了避免材料受到污染，施工前纯镍管子、管件一定要存放在干燥、干净和安全的仓库，并指定专人负责保管。安装前车间门窗封闭、地面打扫干净；安装过程中工人穿干净的工作服，戴干净的手套，不直接用手摸材料；预制材料放在干净的工作平台上，并用塑料薄膜覆盖；材料不跟铁件、地面接触；在材料表面不得用记号笔作标记等。

4）坡口制备

纯镍焊缝金属不象碳钢和不锈钢焊缝金属那样易于流动和润湿母材，为便于焊1。

采用管子坡口机加工管道坡口。不便于机加工的坡口可先采用角向磨光机磨

制，然后用挫刀修磨坡口表面。

5）焊前清理和组对

组对前先用不锈钢钢丝刷将坡口表面的氧化膜清理干净，然后用丙酮或酒精擦洗坡口及两侧50mm范围内母材表面，以除去水份、油污等。焊丝不用时放在焊丝包装筒内以免受到外界灰尘等污染，焊接时抽出用丙酮或酒精擦洗后使用。

组对时管子错边量不大于管子壁厚的10%；组对间隙见图1。点固后的焊缝应随后焊完，以免放置过久需再清理。

6）焊接工艺参数

由于纯镍导热系数大，凝固快，焊接时应采用较大的焊接电流，否则易出现未熔合、根部未焊透、焊缝表面成形差等现象。纯镍管道焊接工艺参数选择见下表：

7）焊接注意事项

a、打底和第一层填充焊时必须对焊缝背面进行充氩保护，防止焊缝根部氧化和成型不良。

b、打底焊时封口用的胶布不能直接粘在管道上，应如图2所示反粘，防止附

图 2

c、焊接时不得采用划擦法起弧，必须使用专门的氩弧焊机并采用高频引弧，防止夹钨现象。

d、在焊道表面由焊丝中的脱氧剂形成的氧化物、渣点及镍的氧化膜粘着力强，多层焊时必须用不锈钢丝刷或角向磨光机将焊道表面清理干净，防止产生层间未熔合。

e、禁止在母材上引弧，收弧时弧坑应填满。

f、当环境温度低于16℃时焊前应用干燥的热风对坡口及附近区域进行预热，