楊尚玉，楊炳發(fā)，王培永，徐玉強(qiáng)，龐成禮，劉繼穎

海洋石油工程股份有限公司，天津 300462

根據(jù)海洋環(huán)境條件、腐蝕特點(diǎn)和平均腐蝕率的不同，鋼結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中可分為五大腐蝕區(qū)：海洋大氣區(qū)、海水飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)，其中海水飛濺區(qū)對(duì)鋼構(gòu)件的腐蝕最為嚴(yán)重[1-2].這是由于在飛濺區(qū)氧最充分，氧的去極化作用促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕，同時(shí)，浪花對(duì)保護(hù)膜的沖擊破壞也使腐蝕加速.對(duì)位于該部位的構(gòu)件的防腐一般采用加重防腐涂層及有機(jī)覆蓋層等措施，在某海上油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，由于對(duì)導(dǎo)管架在海水飛濺區(qū)的腐蝕控制要求較為嚴(yán)格，采用了蒙乃爾合金(Monel 400)包裹的方式進(jìn)行防腐，為碳鋼構(gòu)件在海水飛濺區(qū)的防腐提供了一種新的解決途徑.

Monel 400合金是一種Ni-Cu合金.此合金在氫氟酸和氟氣介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性，對(duì)熱濃堿液也有優(yōu)良的耐蝕性.同時(shí)還耐中性溶液、水、海水、大氣、有機(jī)化合物等的腐蝕.該合金的一個(gè)重要特征是一般不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，切削性能良好.Monel 400合金在ASME Ⅸ《焊接和釬焊工藝，焊工、釬焊工、焊接和釬焊操作工評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中的材料UNS編號(hào)為N04400，板材標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為SB127，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1和表2.

表1 Monel 400板材的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition for Monel 400 plate

表2 Monel 400板材的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties for Monel 400 plate

1 Monel 400的焊接性

Monel 400合金對(duì)雜質(zhì)敏感性大，焊縫易出現(xiàn)針狀氣孔、裂紋、夾渣及脆性共晶體.由于Monel 400的合金化元素較多，在焊接熔池狀態(tài)下的液態(tài)金屬十分粘稠，流動(dòng)性差，不恰當(dāng)?shù)牟僮鲿?huì)導(dǎo)致咬邊和夾渣，焊接1.6～3.0 mm的薄板時(shí)，其焊縫易出現(xiàn)局部過(guò)熱，使焊縫呈藍(lán)色或深藍(lán)色.另外，與不銹鋼或碳鋼不同的是，Monel合金焊材只能形成淺熔深，這些熔融的鎳合金材料在熔池表面向四周輻射的特性稱為“馬拉貢尼效應(yīng)”.因此，在焊接Monel 400套筒的過(guò)程中，應(yīng)制定合理的焊工工藝，確保焊接接頭的牢固性和致密性，同時(shí)避免溫度過(guò)高對(duì)焊接接頭的影響，以提高整個(gè)套筒的耐蝕性能.

2 接頭設(shè)計(jì)及焊接工藝

該項(xiàng)目中的導(dǎo)管架需要在海水濺射區(qū)包裹Monel 400薄板的面積約為230 m2.在實(shí)際的施工過(guò)程中，不僅涉及到Monel 400合金套筒之間的焊接，還涉及到在套筒上下兩端的Monel 400合金板材與碳鋼的焊接，為了保證焊接質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)不同的構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適宜的接頭形式及焊接工藝.

2.1 拉筋套筒的接頭形式

拉筋構(gòu)件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為保證焊縫質(zhì)量，包裹的Monel合金套筒之間(包括環(huán)縫和縱縫)以及套筒與兩端碳鋼之間均采用搭接接頭，其中套筒之間的搭接量至少應(yīng)有25 mm，為密封角焊縫.

2.2 導(dǎo)管架套筒接頭形式

相對(duì)于拉筋，導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)略為復(fù)雜.由于過(guò)渡段以及與拉筋焊接節(jié)點(diǎn)的存在，給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)了一定的困難.考慮到貼合強(qiáng)度和貼合緊密程度的要求，過(guò)渡段的環(huán)縫采用對(duì)接接頭，在專用車間內(nèi)預(yù)制完成，其余焊縫采用搭接接頭.

2.3 焊接工藝

在施工過(guò)程中，套筒在專用車間進(jìn)行板材的下料、卷制和預(yù)制，然后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組對(duì)和焊接.由于采用的是厚度僅為3 mm的Monel 400合金薄板且包裹面積不大，并考慮到該焊接接頭宜在惰性氣體保護(hù)氣氛以及采用較小的焊接熱輸入進(jìn)行焊接，最終確定采用手工鎢極氬弧焊(GTAW)進(jìn)行焊接.

3 焊接設(shè)備及工藝評(píng)定

3.1 焊接設(shè)備

GTAW采用的焊機(jī)為唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司生產(chǎn)的YE-300WP5HGE/G焊機(jī)，鎢極直徑為2.0 mm，配備了自動(dòng)鎢極打磨機(jī)，用于焊前對(duì)鎢極的打磨.

3.2 焊接材料

焊接Monel 400合金的焊絲為ERNiCu-7，焊接Monel 400合金與碳鋼的焊絲為ERNi-1，兩種焊絲的化學(xué)成分列于表3.保護(hù)氣體為氬氣，純度為99.99%.

表3 ERNiCu-7和ERNi-1焊絲的化學(xué)成分Table 3 Chemical composition for ERNiCu-7 and ERNi-1 wire

3.3 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)為ASME Ⅸ，共進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn).其中一組用于評(píng)定Monel 400板材的對(duì)接，試驗(yàn)板材厚度為3 mm，焊接示意圖如圖1(a)所示；另一組用于評(píng)定Monel 400與碳鋼的搭接，試驗(yàn)板材厚度分別為3 mm和16 mm，焊接示意圖如圖1(b)所示.

焊前應(yīng)對(duì)坡口及其兩側(cè)25 mm范圍內(nèi)進(jìn)行打磨清除氧化物，隨后用丙酮清洗.同時(shí)用丙酮對(duì)每根焊絲的表面進(jìn)行清洗，去除標(biāo)識(shí)墨跡等污物.

在對(duì)接接頭的背部貼附半圓形槽子，四周用錫紙密封，提前充氬氣(如無(wú)法保證背部有氬氣保護(hù)，應(yīng)背部打磨清根).

焊前不需預(yù)熱，層間溫度不宜高于100 ℃，電弧極性為直流正接，焊接參數(shù)列于表4.

單位：mm

接頭形式焊接層次焊絲牌號(hào)直徑/mm電壓/V電流/A氬氣流量/(L·min-1)正面保護(hù)背面保護(hù)熱輸入/(kJ·mm-1)對(duì)接打底ERNiCu-71.69～1265～8512～15150.5～1.2填充ERNiCu-71.69～1380～11012～15150.5～1.0搭接/ERNi-11.610～12130～17015～20/0.8～2.0

3.4 焊縫檢驗(yàn)及結(jié)果

焊縫外觀檢驗(yàn)合格后，先按照ASME Ⅴ規(guī)范進(jìn)行滲透探傷(PT)，再按ASME Ⅸ規(guī)范中相關(guān)章節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn).

將搭接接頭五等分取樣后，分別進(jìn)行機(jī)加工，對(duì)五個(gè)樣品的橫斷面進(jìn)行宏觀和金相觀察的結(jié)果表明，接頭的根部焊透，焊縫中未見(jiàn)氣孔、未熔合及裂紋等缺陷，檢驗(yàn)合格.對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度為545 MPa和546 MPa,彎曲試驗(yàn)件的測(cè)試面無(wú)任何缺陷.試驗(yàn)結(jié)果表明，其力學(xué)性能符合ASME Ⅸ規(guī)范，檢驗(yàn)結(jié)果合格.

4 結(jié) 論

(1)采用包裹蒙乃爾合金(Monel 400)套筒的防腐技術(shù)對(duì)海上油田導(dǎo)管架的海水濺射區(qū)域進(jìn)行防腐，是一種有效可行的技術(shù)方案.

(2)從材料特性和現(xiàn)場(chǎng)施工條件確定了適宜的套筒焊接接頭形式，采用GTAW焊接Monel 400套筒，檢測(cè)結(jié)果表明，焊縫的質(zhì)量和力學(xué)性能均符合ASTM IX規(guī)范的要求.

參考文獻(xiàn)：

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