武保安，青 旭，梁立國(guó)，楊曉鵬

中國(guó)石油管道局工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

沙特哈拉德油氣田距沙特胡富夫市西南約150 公里，達(dá)曼西南270 公里。沙特阿拉伯哈拉德-哈維亞天然氣管道項(xiàng)目是沙特阿美公司哈拉德油田新規(guī)劃建設(shè)的一項(xiàng)重點(diǎn)工程，建成投產(chǎn)后，將促進(jìn)哈拉德油田大幅提高產(chǎn)能。項(xiàng)目主要包括主線路施工約302 km，10 座站場(chǎng)、3 座閥室。沙特阿美標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中要求，在非酸性條件下，場(chǎng)站水管線上的放空閥和排污閥設(shè)計(jì)為銅閥門(mén)，連接閥門(mén)的銅鎳材質(zhì)絲頭短節(jié)與低合金鋼母管之間聯(lián)接方式為焊接式聯(lián)接。

銅鎳合金與低合金鋼的焊接性主要困難是在焊縫及熔合區(qū)易產(chǎn)生裂紋和氣孔[1]。銅鎳合金與低合金鋼間焊接操作不易控制，控制好此類(lèi)焊接，對(duì)于整個(gè)項(xiàng)目的焊接質(zhì)量管控是具有重要意義的，同時(shí)可以為今后同類(lèi)工程施工提供借鑒的焊接經(jīng)驗(yàn)。

2. 可焊性分析

2.1. 銅鎳合金特性

銅鎳合金：銅鎳合金是以銅和鎳為主的合金。純銅加鎳能顯著提高強(qiáng)度、耐蝕性、硬度、電阻和熱電性，并降低電阻率溫度系數(shù)。因此銅鎳合金較其他銅合金的機(jī)械性能、物理性能都異常良好，延展性好、硬度高。

影響銅合金焊接性的工藝難點(diǎn)主要有四項(xiàng)元素：一是高導(dǎo)熱率的影響。銅的熱導(dǎo)熱率比碳鋼大7～11倍，當(dāng)采用的工藝參數(shù)與焊接同厚度碳鋼差不多時(shí)，則銅材很難熔化填充金屬和母材也不能很好地熔合。二是焊接接頭的熱裂傾向大。焊接時(shí)，熔池內(nèi)銅與其中的雜質(zhì)形成低熔點(diǎn)共晶物，使銅及銅合金具有明顯的熱脆性，產(chǎn)生熱裂紋。三是產(chǎn)生氣孔的缺陷比碳鋼嚴(yán)重得多，主要是氫氣孔。四是焊接接頭性能的變化。晶粒粗化，塑性下降，耐蝕性下降等[2] [3]。銅鎳合金C70600 的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1 和表2 所示。

Table 1. Chemical composition of C70600 表1. C70600 材料化學(xué)成份

Table 2. Mechanical property of C70600 表2. C70600 材料機(jī)械性能

2.2. 低合金鋼特性

A333-6 鋼屬于低合金鋼，一般采用正火或正火加回火狀態(tài)供貨。A333-6 鋼無(wú)縫鋼管的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表3 和表4 所示。

Table 3. Chemical composition of A333-6 表3. A333-6 材料化學(xué)成份

Table 4. Mechanical property of A333-6 表4. A333-6 材料機(jī)械性能

由表3 和表4 中可知，A333-6 鋼在含碳量較低，因此淬硬和冷裂傾向都比較小，材質(zhì)韌性和塑性較好，一般不易產(chǎn)生硬化和裂紋缺陷，可焊性好。

3. 焊接工藝及試驗(yàn)結(jié)果

3.1. 焊接方法及選擇

3.1.1. 焊接方法

哈拉德場(chǎng)站的焊接執(zhí)行沙特阿美焊接標(biāo)準(zhǔn)SAES-W-011，同時(shí)執(zhí)行國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)ASME SEC IX-2017、ASME B31.3-2016、ASME BPVC.II.C-2015。站內(nèi)的銅鎳合金與低合金碳鋼的公稱(chēng)管徑全部小于等于50.8 mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SAES-W-011 中要求，公稱(chēng)管徑小于等于50.8 mm 的工藝管道的焊縫根焊必需采用氬弧焊方法，同時(shí)考慮到焊接的管徑小，焊縫的填充與蓋面也選用氬弧焊方法。

3.1.2. 氬弧焊

氬弧焊，是使用氬氣作為保護(hù)氣體的一種電弧焊方法。氬弧焊按照電極的不同分為熔化極氬弧焊和非熔化極氬弧焊(通常指鎢極氬弧焊)兩種。鎢極氬弧焊與熔化極氬弧焊相比，操作技術(shù)更易被掌握，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作空間要求低，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油天然氣場(chǎng)站施工的管道焊接[4]。

3.1.3. 氬弧焊的優(yōu)點(diǎn)

1) 氬氣是惰性氣體，不與金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，氬氣保護(hù)可隔絕空氣中氧氣、氮?dú)?、氫氣等?duì)電弧和熔池產(chǎn)生的不良影響，使高溫下被焊金屬中的合金元素不會(huì)氧化，減少合金元素的燒損，同時(shí)氬氣不溶解液態(tài)金屬，能有效保護(hù)熔池金屬，保護(hù)效果好，因此能獲得較高的焊接質(zhì)量。

2) 氬弧焊的電弧燃燒穩(wěn)定，熱量集中，弧柱溫度高，焊接生產(chǎn)效率高，熱影響區(qū)窄，所焊的焊件應(yīng)力、變形、裂紋傾向小。

3) 氬弧焊為明弧施焊，操作、觀察方便，操作技術(shù)易于掌握，而且焊縫成型美觀，質(zhì)量好。

4) 氬弧焊幾乎能焊接所有金屬，特別是一些化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬和合金，如銅、鎂、鈦、鋁等及其合金。

5) 不受焊件位置限制，可進(jìn)行全位置焊接。

6) 無(wú)焊渣，用于管道的根部焊接時(shí)，能保證管道內(nèi)部焊接的清潔度。

3.1.4. 焊接工藝確定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SAES-W-011 中要求，以及鎢極氬弧焊操作簡(jiǎn)單，能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜施工空間的特點(diǎn)，確定銅鎳合金C70600 與低合金碳鋼A333-6 的焊接工藝為鎢極氬弧焊。

3.2. 焊接材料

按與焊接管材化學(xué)成份及機(jī)械性能相匹配的原則，選擇焊接材料。與銅鎳合金C70600 管材最佳匹配的焊絲為銅鎳焊絲ERCuNi，但ERCuNi 焊接材料的機(jī)械性能低，與低合金A333-6 的機(jī)械性能不匹配；而且ERCuNi 焊材的抗裂性，無(wú)法滿足因低合金與銅合金的熱導(dǎo)熱率差距大而產(chǎn)生的裂紋傾向。所以選擇用機(jī)械性能高，抗裂性好的鎳銅焊絲ERNiCu-7 [5] [6]，焊絲直徑為2.0 mm，焊材化學(xué)成分詳見(jiàn)表5，機(jī)械性能見(jiàn)表6。

Table 5. Chemical composition of welding consumables 表5. 焊材化學(xué)成份

Table 6. Mechanical property of welding consumables 表6. 材料機(jī)械性能

3.3. 焊接工藝參數(shù)

焊接過(guò)程中采用多層多焊道，焊接工藝參數(shù)詳見(jiàn)表7。

氬氣流量25～30 L/min，背氬流量25～30 L/min。

Table 7. Parameter in WPS 表7. 焊接工藝參數(shù)

3.4. 焊接缺陷

銅鎳合金與低合金碳鋼焊接容易出現(xiàn)的缺陷有：裂紋，氣孔。

3.4.1. 裂紋的控制

選用硫，磷含量較低，鎳含量高的鎳銅焊絲ERNiCu-7，防止熔敷金屬中低熔點(diǎn)夾雜物產(chǎn)生，提高焊接接頭的抗裂能力；清理干凈焊縫坡口及兩側(cè)的污物、氧化層等雜質(zhì)，防止雜質(zhì)混入熔敷金屬中；控制熱輸入量與層間溫度，防止焊縫過(guò)熱及熱影響區(qū)過(guò)熱產(chǎn)生熱裂紋；控制焊接擺速與擺寬，防止銅合金熔池與低合金的導(dǎo)熱不同而產(chǎn)生的收縮冷裂紋；焊縫表面要均勻平整，圓滑過(guò)渡，防止超高或高低不平應(yīng)力集中。

3.4.2. 氣孔的控制

焊接前焊件的坡口及兩側(cè)各至少25 mm 范圍內(nèi)的焊件表面附著雜物清理干凈；選擇合適的焊接噴嘴直徑，噴嘴與焊件間的距離在8～14 mm，控制鎢極端部突出噴嘴的伸出長(zhǎng)度在3～4 mm，焊槍氬氣流量25～30 L/min，使焊接熔池處于氬氣的完全保護(hù)之中；做好環(huán)境防風(fēng)措施，減少自然風(fēng)對(duì)焊接過(guò)程的影響。

3.5. 質(zhì)量檢查

3.5.1. 外觀檢查

根據(jù)阿美焊接檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)SAES-W-011 要求，焊縫表面應(yīng)無(wú)飛濺、裂紋、氣孔、咬邊、余高過(guò)高、凹陷等缺陷，寬窄均勻、圓滑過(guò)渡。

焊縫表面的飛濺、裂紋、氣孔、咬邊、余高過(guò)高等缺陷，采用打磨的方法進(jìn)行處理；表面凹陷可采用補(bǔ)焊與打磨相結(jié)合的方法進(jìn)行處理。

3.5.2. 無(wú)損檢測(cè)

焊縫內(nèi)部未熔合，夾渣、氣孔等焊接缺陷需要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。對(duì)接焊縫采用100%射線檢測(cè)RT (Radiography Testing)，角焊縫采用100%液體滲透檢測(cè)PT (Liquid Penetrant Test)，承插焊還需要進(jìn)行10% RT 抽查檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果要符合ASME B31.3 中的要求。

檢測(cè)不合格的焊縫按返修工藝進(jìn)行返修，同一不合格部位的返修次數(shù)不得超過(guò)2 次。

3.5.3. 機(jī)械性能試驗(yàn)

焊接工藝評(píng)定試件按ASME B31.3-2016 射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定合格后，根據(jù)ASME SEC IX-2017 中QW-451 要求進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)，并宏觀檢測(cè)，機(jī)械性能試驗(yàn)要均符合規(guī)范要求[7] [8]。機(jī)械性能結(jié)果詳見(jiàn)表8，試件詳見(jiàn)圖1、圖2、圖3。

4. 返修工藝

根據(jù)ASME SEC IX-2017 中QW-202.1 的規(guī)定，在坡口試件上評(píng)定合格的焊接工藝可以作為坡口焊縫及角焊縫的返修焊接工藝。本文中銅鎳合金與低合金鋼的返修焊接工藝與其主焊接工藝為同一焊接工藝。

Table 8. Mechanical performance results 表8. 機(jī)械性能結(jié)果

Figure 1. Tensile test 圖1. 拉伸試驗(yàn)

Figure 2. Bend test 圖2. 彎曲試驗(yàn)

Figure 3. Macro test 圖3. 宏觀試驗(yàn)

5. 應(yīng)用

銅鎳合金與低合鋼焊接工藝在該項(xiàng)目HGP 站中得到實(shí)際應(yīng)用。在應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)采用有效管理控制措施，獲得了高質(zhì)量的焊縫。

5.1. 材料驗(yàn)收

銅鎳合金管材及焊材ERNiCu-7 嚴(yán)格按沙特阿美標(biāo)準(zhǔn)Inspection Requirements for Contractor Procured Materials and Equipment SAEP-115 進(jìn)行驗(yàn)收，重點(diǎn)驗(yàn)收材料的外觀質(zhì)量、出廠質(zhì)量資料是否齊全，并按阿美標(biāo)準(zhǔn)Positive Material Identification SAES-A-206 進(jìn)行材料化學(xué)分析PMI (Positive Material Identification)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)收合格后方可進(jìn)場(chǎng)使用，確保施工材料的質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

5.2. 焊前培訓(xùn)

正式施焊前，項(xiàng)目部組織電焊工進(jìn)行焊前培訓(xùn)，對(duì)初期培訓(xùn)焊接的10 道焊口進(jìn)行RT 檢測(cè)，其中有5 道焊口不合格，全部為氣孔缺陷。經(jīng)過(guò)原因分析，改進(jìn)行焊工操作手法及氬氣保護(hù)措施后，再培訓(xùn)焊接的10 道焊口，經(jīng)檢測(cè)全部合格。焊前培訓(xùn)為銅鎳合金焊接提供了合格的焊接操作人員。

5.3. 現(xiàn)場(chǎng)焊接管理

現(xiàn)場(chǎng)焊接過(guò)程中采取了以下管理措施：

1) 坡口清理：坡口及兩側(cè)各25～30 mm 范圍內(nèi)的焊件表面附著雜物清理干凈。

2) 氣體保護(hù)：控制焊槍氬氣流量在25～30 L/min 之間，使焊縫內(nèi)表面及外表面處于氬氣的完全保護(hù)之中，并做好防風(fēng)措施，減少風(fēng)對(duì)焊接過(guò)程的影響。

3) 控制焊接電流：因銅合金導(dǎo)熱率高，需要大焊接電流才能將其熔化；液態(tài)銅流動(dòng)性好，焊接電流過(guò)大，熔池容易出流淌現(xiàn)象，所以焊接電流要控制在120～130 A 之間。

4) 控制焊接擺動(dòng)：銅鎳合金一側(cè)母材導(dǎo)熱率高，焊接時(shí)不易完全熔合，在焊接擺動(dòng)的時(shí)，銅鎳合金一側(cè)減緩焊接擺速，低合金一側(cè)保持正常焊接擺速。

5.4. 檢測(cè)結(jié)果

HGP 站中銅鎳合金與低合金鋼的焊口共30 道，外觀檢測(cè)100%合格，焊口RT 檢測(cè)全部合格，焊接一次合格率為100%。

6. 結(jié)論

1) 實(shí)踐證明，采用焊絲ERNiCu-7 焊接銅鎳合金與低合金鋼，其焊接工藝參數(shù)及坡口角度的選擇是正確的。

2) 銅鎳合金與低合金鋼的導(dǎo)熱率差距很大，焊接過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋，相對(duì)銅與銅之間有色金屬焊接難度更大。通過(guò)合理控制焊接熱輸入量及層間溫度，能夠有效控制焊接裂紋。

3) 液態(tài)銅中氫的溶解度很大；凝固后，溶解度又降低。焊接時(shí)，焊縫冷卻很快，過(guò)剩的氫來(lái)不及逸出，容易形成氫氣孔。做好氣體防護(hù)措施，使焊接熔池處于氬氣的完全保護(hù)之中，可以避免焊縫產(chǎn)生氣孔缺陷。

4) 本文總結(jié)的銅鎳合金與低合金鋼焊接經(jīng)驗(yàn)可以為同類(lèi)工程施工提供借鑒。