周 彬，張建歡

(珠海巨濤海洋石油服務(wù)有限公司，廣東 珠海 519050)

0 前言

在海底油氣生產(chǎn)系統(tǒng)中，基于流體操作溫度、腐蝕介質(zhì)含量和工程成本等因素的考慮，在碳鋼管線、管件和閥門內(nèi)壁廣泛采用復(fù)合625合金復(fù)合材料。通過在油氣輸送部件內(nèi)壁堆焊3 mm的耐腐蝕性合金材料，可以有效防止腐蝕性介質(zhì)如H2S等對管線等生產(chǎn)系統(tǒng)的破壞，延長生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的服役時間。同時，合金層厚僅3 mm，較之整個管線使用合金材料，材料成本也下降很多。但由于是在管內(nèi)壁堆焊625合金，在管管對接接頭焊接時很難從管內(nèi)部施焊，在坡口側(cè)焊接的時候，由于基材、復(fù)合層與焊縫材料的成分及性能差別較大，如何有效保證復(fù)合層的耐腐蝕性能和基材的力學(xué)性能是焊接過程中始終要考慮的問題。通過分析油氣輸送管線DNV 450內(nèi)壁復(fù)合3 mm厚625合金對接接頭，按照《DNV－OS－F101:海底管線系統(tǒng)》附錄C要求的各項理化試驗進行焊接工藝評定，探討了DNV450內(nèi)壁復(fù)合625合金對接接頭焊接過程中的注意事項和焊接工藝性能。

1 材料及焊接性分析［1］

母材使用DNV－OS－F101:DNV 450管線鋼內(nèi)壁復(fù)合625合金，焊材選用AWS A5.14 ERNi-CrMo－3和 AWS A5.11 ENiCrMo－3。采用 GTAW進行封底和熱焊道的焊接，SMAW進行填充和蓋面焊?；?、焊材及復(fù)合層材料的化學(xué)成分如表1、表2所示。根據(jù)國際焊接學(xué)會推薦的冷裂紋敏感指數(shù)(Pcm)公式和碳當量(CE)公式:

Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

表1 管基體化學(xué)成分%

表2 復(fù)合層及焊材化學(xué)成分%

得出基材的碳當量和冷裂紋敏感指數(shù)分別為0.365和0.19，基材碳鋼的可焊性良好?；暮秃覆牡牧W(xué)性能如表3所示。

表3 基材和焊材力學(xué)性能

在焊接接頭的根部，由于復(fù)層與基體金屬在成分和性能上差異明顯，所以在只能從外側(cè)施焊的情況下，為了保證接頭的力學(xué)性能、復(fù)層材料的耐腐蝕性能以及防止因化學(xué)成分與冶金模式差異導(dǎo)致的異種金屬連接處出現(xiàn)裂紋，全部使用625合金焊材來進行焊接。

2 焊接工藝

2.1 接頭設(shè)計

管線焊接使用60°單邊V型坡口，氬弧焊封底焊接三層后改用焊條電弧焊。氬弧焊實現(xiàn)單面焊雙面成形，不允許背部清根或在根部進行補焊和無絲熔焊。接頭要求如圖1所示。

圖1 焊接接頭準備要求

2.2 焊接順序

(1)焊前清理。用丙酮清洗內(nèi)壁復(fù)合層和焊絲。使用砂輪片或鋼絲刷打磨外壁碳鋼，去除油污、銹跡等影響焊接質(zhì)量的污物。

(2)組對焊接。使用定位塊進行組對點焊，嚴格禁止在根部焊道位置點焊。定位塊焊接示意如圖2所示。定位塊約長15～30 mm，可根據(jù)待焊管徑的大小布置不同的數(shù)量。隨著封底焊道的進行，不斷打磨去掉定位塊。

圖2 定位塊點焊示意

(3)管內(nèi)進行封堵通入氬氣(純度99.99%)，同時用鋁箔膠帶封堵坡口外側(cè)，待氧氣含量下降到1 000×10－6以下開始封底焊接。

(4)背部凈化氣體要保持至完成6 mm焊縫金屬厚度才能停止通氣。

(5)停止通氣后開始用手工焊條焊接至蓋面完成。

(6)焊接過程中隨時監(jiān)測層間溫度。層間溫度不得高于150℃。

2.3 焊接參數(shù)

試件焊接在6G位置進行，焊接過程中的各項參數(shù)如表4所示。

3 焊接工藝評定理化性能實驗結(jié)果

3.1 力學(xué)性能試驗結(jié)果

根據(jù)標準要求，力學(xué)性能試驗主要進行焊縫橫向拉伸、全焊縫拉伸，彎曲，夏比沖擊和硬度測試。測試結(jié)果如表5、表6所示。

3.2 化學(xué)元素分析

為了確保根部焊縫的耐蝕性能，對根部焊縫進行化學(xué)成分分析，如表7所示。C、Fe元素和 Ni元素與焊絲相比有一定程度的變化，主要是由于復(fù)合層、基材和焊材之間化學(xué)成分的差異導(dǎo)致焊接過程中的元素稀釋引起，合金元素實測成分符合設(shè)計規(guī)范要求。

中國城鎮(zhèn)化過程的迅速推進促進了能源消費的增長和模式的轉(zhuǎn)化，城鎮(zhèn)居民生活能源消費問題也成為中國城鎮(zhèn)化進程中面臨的重要問題。自2001年起，中國以用電為主導(dǎo)的生活能源消費結(jié)構(gòu)正式替代了以煤炭為主導(dǎo)的生活能源消費結(jié)構(gòu)。電力因其直接使用便捷、價格經(jīng)濟和清潔衛(wèi)生等特點，得到了國家政策的支持，成為城鎮(zhèn)居民生活能源首選。［1］據(jù)《2017—2018年度全國電力供需形勢分析預(yù)測報告》，隨著中國城鎮(zhèn)化率以及居民電氣化水平逐步提高，居民家庭用電量也在穩(wěn)步增加，2017年，中國居民生活用電量較2016年增長了7.8%，城鎮(zhèn)居民人均生活用電量以5%左右的速度增長。［2-3］

表4 焊接參數(shù)

表5 焊縫力學(xué)性能試驗結(jié)果

表6 硬度、沖擊韌性及彎曲試驗結(jié)果

表7 根部焊道化學(xué)成分 %

3.3 腐蝕性能

根據(jù)ASTM G48方法A的要求，對以根部焊縫為中心從復(fù)合層表面下取厚度大于1.5 mm的試樣進行點腐蝕測試。試樣尺寸60.05 mm×20.04 mm×1.81 mm，在50℃溫度下用6%的FeCl3溶液浸泡24 h。腐蝕后試樣在20倍放大下觀察無任何可見點蝕坑，質(zhì)量損失率 0.4g/m2·d－1，符合設(shè)計要求。

3.4 微觀組織

根部焊道微觀組織如圖3所示。根部焊道為分散的全枝狀奧氏體(奧氏體的定義在鎳基合金中不同于鐵基材料，在此是指具有面心立方結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu))組織，沒有產(chǎn)生有害的金屬間化合物、邊界碳化物。

圖3 根部焊道中心微觀組織(500×)

4 焊接過程控制要點

4.1 焊條操作技巧

鎳基合金焊縫金屬無法像碳鋼一樣容易流動鋪展，所以手工焊條焊接過程中對焊工的操作要求相應(yīng)提高。實際操作過程中，全位置焊接時不同廠家生產(chǎn)的焊條有很大區(qū)別。為了能夠達到良好的成型，在焊接時要特別注意幾點:(1)盡可能低壓低電弧，這樣才能更好地控制熔池;(2)嚴格控制擺動寬度，尤其是在立焊和仰焊位置，擺動寬度不要超過焊條直徑的三倍;(3)熄弧時首先壓縮電弧，然后提高行進速度減小熔池來避免熄弧造成的缺陷。

4.2 材料存儲與加工

由于不同基體金屬材料之間理化性能的巨大差異，鎳基材料復(fù)合層在使用過程中主要起耐腐蝕的作用，所以在加工和存儲過程中要始終注意保護內(nèi)壁復(fù)合層材料。坡口制備采用機械加工方式制備，而由于625合金與碳鋼力學(xué)性能的差異，加工過程中的刀具使用也要慎重。主要的控制措施如下:

(1)管材存儲過程中，管兩端要始終用特制的管帽扣住，防止存儲過程中的污染物、基材碳鋼形成的銹跡進入管內(nèi)壁污染復(fù)合層材料。

(2)移動管時，只允許從管外壁進行固定或接觸來進行，防止過程中碰傷內(nèi)壁復(fù)合層和造成污染。

(4)坡口加工時選用切割鎳基合金的刀頭，防止在坡口加工至復(fù)合層與基材結(jié)合面時因材料性能的巨大變化對刀具造成破壞。

(5)機械加工坡口后對坡口面進行表面無損檢測，確保坡口面無缺陷。

(6)加工好的坡口若不能立即進行組對焊接工作，應(yīng)采取必要的保護措施防止污染。

4.3 背部焊縫惰化氣體保護

對接焊縫焊接時，在管內(nèi)部充入氬氣進行保護，防止焊接過程中根部焊道表面形成氧化層、污染物或氣孔。

(1)充氣前要在管內(nèi)隔離出盡量小的惰化氣體空間。這個空間越小，惰化的時間越短。但如果使用易燃材料隔離惰化空間，要注意保持與坡口的距離，防止根部焊道焊接時的電弧將其引燃。

(2)充氣時可以在充氣管端使用防紊流的裝置來保證充入氣流均勻穩(wěn)定流出。若直接用管端通入氣體，最好能夠通入氣體約10 min后開始焊接。

(3)在充氣過程中要使用氧含量分析儀實時監(jiān)測氧含量。根據(jù)測試結(jié)果，在氧含量小于1 000×10－6時開始焊接，背部焊道成型和顏色較好，尤其是在小于500×10－6時，根部焊道表面可呈現(xiàn)出銀白色。若在氧含量大于1 000×10－6焊接時，焊道表面會呈現(xiàn)出明顯的黑色氧化物。不同氧含量時根部焊道的成型效果如圖4所示。

(4)在完成根部焊道后，仍要繼續(xù)通入惰化氣體，最好是在焊完三層或6 mm熔敷金屬后停止通入氣體，否則根部焊道仍會氧化變色。

4.4 內(nèi)壁錯邊的處理

圖4 氧含量對根部焊道成型和外觀的影響

管組對過程中，由于管自身的橢圓度和厚度差異，組對時難免會產(chǎn)生內(nèi)壁錯邊。若內(nèi)壁錯邊量大于1 mm，一方面可能會在局部區(qū)域減小復(fù)合層的有效厚度，另一方面對根部焊道的焊接操作和成型也會造成嚴重影響。為了降低錯邊的影響，采取在錯邊處堆焊減少錯邊量的方法，同時在做根部點蝕測試時在堆焊處取試樣進行耐蝕評定，補焊如圖5所示。注意補焊后的坡口要打磨至適合焊接的形狀。

圖5 內(nèi)壁錯邊過大的補焊處理示意

5 結(jié)論

(1)在625合金復(fù)合管對接焊時，選用625合金焊材來填充整個焊縫可以有效滿足接頭的各項力學(xué)性能和耐腐蝕性能要求。

(2)復(fù)合管根部焊道的成型和氧化程度與管內(nèi)惰化氣體氧含量密切相關(guān)，以含氧量1 000×10－6為界，隨著氧含量升高了成型和氧化程度急劇惡化。

(3)對于復(fù)合管內(nèi)壁錯邊嚴重的焊口，通過在錯邊處補焊不但可以改善錯邊量，還能保證補焊處的耐腐蝕性能。

［1］John N Dupont，John C Lippold，Samuel D Kiser.Welding Metallurgy and Weldability of Nickel－Base Alloys［M］.Hoboken，New Jersey:John Wiley ＆ Sons，Inc.，2009.