劉振干

中國石油天然氣第一建設有限公司 河南洛陽 471023

1 工程概況

近年來，根據(jù)海外油氣資源硫含量較大，腐蝕性較強的特點，新型復合材料如N08825 復合管以其特殊的抗腐蝕性能，得到了越來越廣泛的應用。在中國石油天然氣第一建設有限公司承接的某海外油氣田項目中，為了保障油氣田管線的安全運行，提高油氣田管線的運行壽命，全線采用N08825 復合材料管線。該管線全長63km，采用埋地管線設計，設計壓力230bar，管線材質(zhì)采用API5LX60 管線鋼作為基層，用冶金復合方式堆焊825 鎳合金管作為復層金屬，管線直徑6in,壁厚 9.53mm+3mm， 部 分 穿 越 路 段 厚 度10.97mm+3mm。

N08825 復合管是一種特殊的雙金屬工程材料，它既有常規(guī)碳鋼管道優(yōu)質(zhì)的力學性能及工程經(jīng)濟性，又具備鎳基合金的抗腐蝕性能，在海外油氣田建設過程中越來越多地被應用到酸性及濕H2S 等抗腐蝕要求高的場合。但由于對復合材料制造的要求較高，目前國內(nèi)尚未普遍使用。

2 焊接方法優(yōu)化優(yōu)擇

N08825 復合管道主要施工難點是如何保證焊接質(zhì)量，保證復合層不被碳鋼污染，降低碳鋼層對高合金的稀釋性，熔接好過渡層，提高一次焊接合格率。由于該管線材質(zhì)特殊，質(zhì)量要求高，施工工期緊，項目部特別對焊接可行性方案進行了分析優(yōu)選。

2.1 手工氬弧焊+ 焊條電弧焊

手工氬弧焊+ 焊條電弧焊（以下簡稱手工焊）是傳統(tǒng)的管道焊接方法，應用范圍廣、施工經(jīng)驗豐富。但是存在焊接效率低，受焊接操作工人水平影響大，以及質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。

2.2 半自動熱絲氬弧焊

半自動熱絲氬弧焊（以下簡稱半自動TIG）又叫TIPTIG 焊，是一種新興的先進焊接工藝方法，采用動態(tài)振動自動送絲系統(tǒng)，并加入了熱絲系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)氬弧焊手工送絲效率低的缺點，綜合了傳統(tǒng)MAG 焊自動送絲焊效率高及TIG 焊飛濺小、質(zhì)量穩(wěn)定的雙重優(yōu)點。一方面，它采用動態(tài)振動自動送絲技術破壞熔滴及熔池的表面張力，提高熔敷效率，細化晶粒，便于熔池中氣體的溢出，改善熔敷金屬性能及外觀成型；另一方面，熱絲系統(tǒng)在焊絲送入熔池前要對焊絲進行加熱，進一步提升焊絲的熔敷效率，降低了熱輸入量，提升了焊縫的冶金性能。

2.3 全自動熱絲氬弧焊

全自動熱絲氬弧焊（以下簡稱全自動TIG）是在半自動熱絲氬弧焊的基礎上，增加控制機頭，實現(xiàn)全位置焊接自動控制、焊接自動操作的焊接方法。它涵蓋了半自動TIG 焊的優(yōu)點，同時又實現(xiàn)了全自動控制，進一步提高了施工效率，增大了該種焊接方法的機械化、智能化水平。不足之處在于機械化程度高，對焊接環(huán)境要求高、設備設施復雜、成本較高、維修難度高。

綜合上述3 種焊接方法的特點進行綜合對比分析，結果見表1。

表1 N08825 復合管焊接方法對比表

由于本次長輸管線是在野外施工的集輸管線，焊接機組需要考慮焊接效率、焊接質(zhì)量，同時綜合考慮機組保障便利性、操作靈活性、現(xiàn)場適應性等。根據(jù)優(yōu)選分析結果，認為半自動TIG 焊接工藝方法綜合性能更好，更適合本次野外集輸管線的焊接。

3 焊接工藝試驗

為了驗證半自動TIG 是否能夠獲得優(yōu)良的焊接接頭，對該焊接方法進行了焊接工藝評定試驗。

3.1 母材的選擇

試驗母材選用與工程材料一致的API5LX60，9.53+3mmCRA825 材質(zhì)，該母材采用冶金復合的辦法制備?；鶎幽覆牡牧W性能及CRA825 復合層的化學成分見表2。

表2 API5LX60，9.53+3mm CRA825 復合管力學性能及化學成分

3.2 焊材的選擇

根據(jù)復合管母材的基層碳鋼強度及復合層化學成分，選用ERNiCrMo- 3（N06625）焊材作為填充金屬，焊絲直徑為0.9mm。焊絲采用國際著名特殊合金品牌美國Specialmetal（以下簡稱SPME）。ERNiCrMo- 3焊材的化學成分見表3。

表3 ERNICrMo- 3 焊絲的化學成分對比表 %

3.3 接頭的設計

根據(jù)半自動TIG 焊接工藝特性，焊接接頭的坡口采用專用的“U 形”坡口，詳見圖1。

3.4 惰性氣體背保護裝置

由于鎳基合金焊接的特殊性，為了獲得優(yōu)良的根部焊縫，必須用惰性氣體對焊縫進行背面保護，本次采用的是帶自動背保護裝置的專用長輸管道內(nèi)對口器，見圖2。該裝置集管道內(nèi)對口器功能及焊縫背面氣保護裝置于一體，通過氬氣管線和外部的氧含量自動監(jiān)測儀相連，實現(xiàn)了自動實時監(jiān)測焊縫背面氧含量濃度，起到了對口及接頭背面保護的雙重作用。

圖1 坡口形式圖及實際坡口圖

圖2 集對口及焊縫背面保護一體的內(nèi)對口器

3.5 焊接工藝要求

（1）焊接前應對坡口及周邊的污物、基材銹蝕等進行徹底清理，并用丙酮對復合層坡口表面、焊絲等進行徹底清理。

（2）焊接采用小電流、多層多道焊、小熱輸入的方法，焊接熱輸入不超過2.0kJ/ mm，焊接工藝參數(shù)見表4。

（3）不預熱或者采用低于50℃的預熱溫度, 層間溫度控制在150℃以內(nèi)。

3.6 惰性氣體背面保護監(jiān)測

為了保證優(yōu)良的焊接效果，鎳基合金焊接要采用背保護氣，本次采用氬氣，純度為99.997%以上。焊接前，打開內(nèi)部充氬裝置對接頭根部進行氬氣置換，氣流量14～30L/ min，沖氬2～3min，采用和內(nèi)對口器相連的氧含量測試儀對接頭背面氧含量進行監(jiān)測，見圖3。為達到良好的背面保護效果，焊接前及焊接過程中，背面保護氣中氧氣含量要在0.1%以下，以不大于0.05%為最佳。

表4 焊接工藝參數(shù)

圖3 實時監(jiān)測接頭背保護的氧含量

4 焊接接頭的無損檢測

焊接完畢待溫度降至室溫后，對焊接接頭進行外觀及RT 檢測。發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)外部表面成型良好，無咬邊、焊瘤，焊縫表面圓滑、無表面缺陷。焊縫根部呈現(xiàn)銀色，局部為藍黃色，氧化顏色符合規(guī)范規(guī)定，RT 檢測100%合格。

5 焊接接頭的理化試驗

5.1 焊接接頭的力學性能

對焊接接頭按照ASTMA370 進行了拉伸和彎曲試驗，以驗證焊接接頭的力學性能，結果如表5 所示。從表中數(shù)據(jù)分析，焊縫力學性能良好，符合規(guī)范要求。

表5 焊接接頭的力學性能測試結果

5.2 焊接接頭的宏觀及硬度試驗

為了進一步驗證焊接接頭的熔合性，以更好地保證焊接接頭的耐酸性介質(zhì)的抗腐蝕能力，對焊接接頭進行宏觀及硬度試驗。宏觀試驗照片見圖4，硬度值見表6。通過宏觀照片觀察可見，焊縫層間熔合良好，未發(fā)現(xiàn)任何層間夾雜及未熔合產(chǎn)生。由表6 可見，焊接接頭碳鋼部分硬度值均小于規(guī)范要求值248HV10, 焊縫金屬硬度值均小于340HV10，表明硬度指標符合規(guī)范要求。

5.3 沖擊試驗

為了驗證接頭的低溫韌性，進行V 型缺口夏比低溫沖擊試驗，沖擊溫度執(zhí)行最低設計溫度- 20℃，沖擊試樣取樣位置（復層金屬去除掉）：焊縫金屬、熔合線、熔合線+2mm，熔合線+5mm。沖擊試驗結果見表7。

表6 焊接接頭的硬度值（HV10）

圖4 SPME焊材接頭宏觀照片

表7 焊接接頭的低溫沖擊吸收功值

5.4 接頭金相試驗

對接頭經(jīng)過取樣制備金相試樣，在400X 光學顯微鏡下觀察，結果如圖5 和圖6 所示。接頭部位熔合了碳鋼母材、825 堆焊層和625 填充金屬3 種材質(zhì)。由圖可見，焊縫為均勻奧氏體，呈枝狀發(fā)展，枝狀晶發(fā)展方向較一致；接頭母材及熱影響區(qū)均為細晶粒鐵素體及珠光體，晶粒分布均勻,無晶間化合物析出。

圖5 SPME 焊縫金屬微觀圖像

圖6 熱影響區(qū)金屬微觀圖像

5.5 焊縫金屬的化學成分

為了驗證焊接過程中鎳基焊材稀釋性的影響，對焊縫金屬進行化學成分分析，得到焊縫金屬的化學成分（表8）。由表可見，焊縫金屬的化學成分符合焊縫所用鎳基焊材的化學成分的要求。

表8 焊縫金屬化學成分分析表 %

5.6 晶間腐蝕試驗

根據(jù)ASTM G28 方法A 對焊接接頭進行硫酸-硫酸鐵環(huán)境下的晶間腐蝕試驗。取樣部位位于焊縫根部，包括焊縫及熱影響區(qū)（去除基層碳鋼）。試驗環(huán)境為25g 硫酸鐵融于600mL 硫酸形成的硫酸- 硫酸鐵溶液，加入試樣后，在沸騰狀態(tài)下連續(xù)沸騰120h。腐蝕后試樣見圖7，結論見表9。試驗結論采用稱重法進行評估，評估結果表明腐蝕試驗合格。

6 模擬現(xiàn)場焊工操作培訓考試

為了保證焊接質(zhì)量，對采用熱絲半自動TIG 焊接的焊接工人在模擬現(xiàn)場進行操作培訓考試。

表9 腐蝕實驗結果分析

圖7 ASTM G28 硫酸- 硫酸鐵腐蝕試樣

焊工操作培訓主要包括新型半自動TIG 焊接原理、操作技能手法、擺動方法及技巧、根部熔合技巧和引弧及收弧方法等操作技能，以及焊機保養(yǎng)維護。同時，模擬現(xiàn)場風沙環(huán)境、焊接位置姿勢等對焊工帶來的影響。每個焊工焊接5 件管段，焊接后進行100%外觀表面滲透PT、射線RT 檢測?？荚嚱Y果：所有人員的焊接100%合格，符合業(yè)主規(guī)范要求。

7 產(chǎn)品焊口的現(xiàn)場焊接及檢驗

產(chǎn)品焊接要嚴格按照焊接工藝指導書進行，只有評定合格的焊工才可以進行產(chǎn)品焊接。

（1）焊接前對焊縫周邊25mm 范圍內(nèi)進行清潔處理，徹底清除油污、銹蝕、重皮、水汽和油漆等所有外部污物、雜物和異物。

（2）組對、焊接必須在現(xiàn)場防風棚內(nèi)進行，管段放置在沙包上，距離地面至少300mm，以便提供有效的操作空間。

（3）組對時先進行坡口處理，采用不銹鋼絲刷對坡口進行打磨處理，并用丙酮擦拭坡口復合層，還要對組對錯變量進行檢測，保證錯邊量不大于1mm，以保證根部焊縫熔合質(zhì)量。

（4）焊接前通過內(nèi)對口器專用氬氣管道對焊縫內(nèi)部進行沖氬保護，使用便攜式氧含量測試儀對焊縫根部進行氧含量測試，氧含量不大于0.05%才可以開始焊接。

（5）基于TIG 焊對風速的敏感性，現(xiàn)場焊接時要采取嚴格的防風措施，控制風速不大于2m/ s。

（6）焊接時，采用適當?shù)碾娏飨孪捱M行焊接，以減少焊接熱輸入；根層焊接厚度不允許超過復合層厚度；熱焊焊接要快速進行，要求時間不大于10min，并且焊接要涵蓋復合層及碳鋼層，第一層填充焊接主要熔合母材碳鋼層。

（7）焊接層間溫度不要大于150℃，盡可能一次焊接完畢，不中斷焊接；若中斷焊接，先要進行表面PT 檢查，確保無表面缺陷后方可進行下一步焊接。

焊接后，對實際產(chǎn)品的焊接接頭進行表面滲透檢測、射線檢測，綜合焊接一次合格率為99.2%。

焊接后，采用先進的內(nèi)窺鏡對焊縫內(nèi)表面進行氧化程度檢驗，發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)表面氧化色為焊縫銀色，熱影響區(qū)呈現(xiàn)黃藍色，焊縫根部氧化程度符合規(guī)范要求。

8 結論

實踐證明，傳統(tǒng)的手工氬弧焊加焊條焊接已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場N08825 焊接施工需要，半自動TIG 焊能在N08825 鎳基復合管焊接中獲得合格的、理化性能完全符合要求的焊縫。且半自動TIG 焊施工效率是手工焊的1.5～2 倍，焊接一次合格率高，質(zhì)量穩(wěn)定，可實現(xiàn)現(xiàn)場全位置操作；機動靈活便利，野外施工現(xiàn)場可操作性強，非常適用于N08825 復合管的焊接，具有較強的適用性及推廣性。