付現(xiàn)橋，徐 敬，劉志田，卜明哲，陳玨伶，郭 旭

（中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司，河北 任丘 062522）

隨著酸性氣田的開發(fā)，輸氣管線使用環(huán)境越來越苛刻。一些高酸性氣田集輸管道腐蝕環(huán)境越來越嚴(yán)重，很容易造成失效，甚至?xí)鸨?，威脅人身安全，污染環(huán)境[1,2]。隨著鋼管制造業(yè)的迅猛發(fā)展，不銹鋼復(fù)合鋼管因既其具有碳鋼或合金鋼的力學(xué)性能，又具有不銹鋼的耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛運(yùn)用[3]。

然而，由于不銹鋼復(fù)合鋼管的兩種材質(zhì)具有不同化學(xué)成分和物理性能，在焊接過程中，很容易造成碳及合金元素的擴(kuò)散，引起焊接接頭性能惡化，影響整體管道質(zhì)量[4-6]。為了避免不銹鋼層與基體界面處出現(xiàn)的合金元素的稀釋、碳元素的遷移等，過渡層的焊接是保證復(fù)合管焊接質(zhì)量的關(guān)鍵[7-9]。本文介紹了規(guī)格為D273×(10+2）mm，材質(zhì)為L(zhǎng)450/316L的復(fù)合鋼管焊接工藝試驗(yàn)，并對(duì)焊接接頭的組織和性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為L(zhǎng)450/316L不銹鋼焊復(fù)合管。復(fù)合管基管鋼管規(guī)格為D273 mm×10 mm，材質(zhì)為L(zhǎng)450無縫鋼管，內(nèi)襯為壁厚為2 mm的316L奧氏體不銹鋼鋼管，其化學(xué)成分如表1所示?；躄450的組織為針狀鐵素體、少量的M-A組元、退化的珠光體及晶界上析出的細(xì)小滲碳體[10]。內(nèi)襯管316L組織為典型奧氏體。

管線的壓力比較高，L450/316L雙金屬?gòu)?fù)合管的基管壁厚較厚，為防止焊接熔合不良以及焊接應(yīng)力增大引起的裂紋、氣孔等缺陷，管線焊接對(duì)接接頭采用V形坡口[7]。管道坡口應(yīng)采用機(jī)械方式切割。

L450/316L的復(fù)合鋼管對(duì)焊，應(yīng)根據(jù)被焊金屬的化學(xué)成分（基管、內(nèi)襯管）選擇GTAW焊接方式進(jìn)行打底焊、焊接材料為ER-316L。過渡層焊接時(shí)，根據(jù)L450和316L的化學(xué)成分選擇GTAW焊接方法、焊接材料為ER-309LMo，管內(nèi)外繼續(xù)進(jìn)行充氬保護(hù)，適當(dāng)增大熱輸入量，能有效地減少或杜絕弧坑裂紋的出現(xiàn)。填充焊接時(shí)，采用多層多道焊，熱輸入量可以加大。蓋面焊接時(shí)熱輸入量要適當(dāng)減少，保證最后焊縫成型，沒有缺陷。本試驗(yàn)采用的焊接工藝參數(shù)如表2所示。

焊后，沿對(duì)焊縫第一、三象限取寬度為25 mm的板狀拉伸試樣及尺寸為 230 mm×25 mm×(10+2)mm 的刻槽錘斷試樣，沿對(duì)焊縫第二、四象限取尺寸為230 mm×25 mm×(10+2)mm 彎曲試樣對(duì)對(duì)焊縫進(jìn)行評(píng)價(jià)[9]。沿對(duì)焊縫內(nèi)側(cè)取襯管側(cè)焊縫試樣進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。微觀組織觀察試樣直接從對(duì)焊縫上切取，經(jīng)制備后采用金相顯微鏡及Hitachi S-520型掃描電鏡(SEM)進(jìn)行分析。

表1 鋼管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition analysis results of pipelines %

表2 復(fù)合鋼管焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters of clad pipe

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)焊接接頭檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)對(duì)焊縫焊接接頭進(jìn)行了拉伸性能、沖擊性能、刻槽錘斷、面彎等試驗(yàn)。焊接接頭抗拉強(qiáng)度值均介于L450鋼和316L奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度值之間，且拉伸試驗(yàn)的斷口均在母材區(qū)；刻槽錘斷、面彎及背彎試驗(yàn)均達(dá)到要求；根據(jù)GB/T4334-2008《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》，進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)試驗(yàn)測(cè)試后，可以看出試樣均無晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋。通過射線探傷檢測(cè)，按標(biāo)準(zhǔn) JB/T4730.2-2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》為 I級(jí)合格。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用此焊接工藝焊接的對(duì)焊縫各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足要求，焊接工藝可行。

2.1 焊縫組織分析

圖1為對(duì)焊縫接頭各區(qū)顯微組織，通過對(duì)焊縫進(jìn)行顯微組織分析可知焊縫可明顯分為四個(gè)區(qū)，即：不銹鋼層、過渡層、擴(kuò)散層、合金鋼層[9]。

從圖 1（a）中可以看出，焊縫中不銹鋼層組織主要為奧氏體和鐵素體，大多數(shù)呈胞狀的樹枝晶[9,12]。316L 是超低碳奧氏體不銹鋼，由于其導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)，焊縫在拘束狀態(tài)下，焊后焊接接頭可殘留較大的焊接應(yīng)力；焊縫區(qū)柱狀晶間存在低熔點(diǎn)夾層薄膜，在凝固結(jié)晶后期以液態(tài)膜的形式存在于奧體柱狀晶粒之間，在一定的拉應(yīng)力下很容易產(chǎn)生熱裂紋[11]。本試驗(yàn)采用ER-316L焊絲進(jìn)行不銹鋼層打底焊接，其成分和316L相似，S、P 含量低于母材，可有效控制熱裂紋和應(yīng)力腐蝕開裂。

圖1 對(duì)焊縫接頭各區(qū)顯微組織Fig.1 Macrostructure and microstructure of different layers

由于不銹鋼復(fù)合鋼管的兩種材質(zhì)具有不同化學(xué)成分和物理性能，在焊接過程中，很容易造成碳及合金元素的擴(kuò)散，引起焊接接頭性能惡化，影響焊接質(zhì)量。不銹鋼復(fù)合管焊接的關(guān)鍵問題是焊縫過渡區(qū)，避免填合金元素?cái)U(kuò)散，造成焊縫中奧氏體形成元素減少、含碳量增加，從而避免不銹鋼焊縫耐蝕性的下降。因此，復(fù)合管焊接的過渡焊采用管內(nèi)外充氬保護(hù)的GTAW焊接方法，焊絲采用ER-309LMo。從圖 1（b）中可以看出，過渡層組織依然是奧氏體和鐵素體，但整體組織比打底層細(xì)小[9,12]。通過 EDS分析可以知道焊縫中不銹鋼層的合金元素含量與內(nèi)襯管 316L的含量相近，過渡層元素含量小于ER-309LMo的含量，其合金元素已被基層低碳鋼稀釋。由于采用ER-316L焊絲進(jìn)行不銹鋼層打底焊接，其成分和316L相似，可以說明過渡層對(duì)覆層的不銹鋼層焊縫起到了很好的隔離作用，從而保持了不銹鋼層焊縫中主要合金元素的含量[9]。

從圖1（c）中可以看出，擴(kuò)散層組織細(xì)小，由于其底部合金元素稀釋了過渡層，其組織主要為馬氏體、少量的殘余奧氏體[9,12]。從圖1（d）中可以看出，焊縫合金鋼層組織為先共析鐵素體、針狀鐵素體、粒狀貝氏體和及少量珠光體[11,12]。焊縫合金鋼層中針狀鐵素體分布較為均勻，一部分碳化物在先共析鐵素體周圍析出，另一部分碳化物在鐵素體周圍聚集成小塊分布。奧氏體晶界已不明顯，M-A 組元呈塊狀或粒狀分布在塊狀鐵素體上。

2.2 沖擊斷口分析

由于焊縫、熔合線附近及HAZ區(qū)為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，本試驗(yàn)進(jìn)行了低溫沖擊試驗(yàn)，其斷口形貌如圖2所示。

焊縫區(qū)和熔合線區(qū)處的試樣斷口區(qū)域只存在放射區(qū)和剪切唇區(qū)，為解理和韌窩混合斷裂，且解理區(qū)域較大。圖2（a）為典型的扇形花樣，屬于解理斷裂，裂紋啟裂于晶界碳化物聚集處；圖2（b）為短而彎曲的河流花樣，局部存在撕裂棱且撕裂處有塑性變形，屬于準(zhǔn)解理斷裂，裂紋起源于馬氏體，而馬氏體相對(duì)碳化物具有較高的韌性[12-14]。熱影響區(qū)處沖擊試樣斷口包括纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)三個(gè)區(qū)域，同樣為解理和韌窩混合斷裂。從圖2（c）中可以看出主要為拋物線形韌窩，但拋物線較短，沒有被明顯拉長(zhǎng)，且韌窩較小，斷裂時(shí)的沖擊吸收功較大[12-14]。

圖2 沖擊斷口形貌圖Fig.2 Fractographies of different positions of welded joint

3 結(jié) 論

（1）采用本文中焊接工藝參數(shù)，對(duì)壁厚為（10+2）mm的L450/316L 復(fù)合管進(jìn)行對(duì)焊試驗(yàn)，并對(duì)對(duì)焊縫焊接接頭性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果表明：對(duì)焊焊接接頭拉伸、沖擊等力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫中不銹鋼層耐晶間腐蝕性能較好。

（2）復(fù)合鋼管焊接接頭組織可分為不銹鋼層、過渡層、擴(kuò)散層及合金鋼層四個(gè)區(qū)域。不銹鋼層主要有奧氏體、鐵素體組成；過渡層組織由細(xì)小的奧氏體、鐵素體組成，可以防止不銹鋼層金屬中合金元素被擴(kuò)散層稀釋，對(duì)不銹鋼層起到了良好的隔離作用；擴(kuò)散層組織主要為馬氏體、少量的殘余奧氏體；金鋼層組織為先共析鐵素體、針狀鐵素體、粒狀貝氏體和及少量珠光體。

（3）焊縫區(qū)和熔合線區(qū)處的試樣斷口區(qū)域只存在放射區(qū)和剪切唇區(qū)，為解理和韌窩混合斷裂，且解理區(qū)域較大；熱影響區(qū)主要為拋物線形韌窩，韌性較好。

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