李勝利

華油慧博普科技股份有限公司，北京 100083

在石油化工及油氣田建設(shè)領(lǐng)域，隨著油氣中硫、濕硫化氫成分的增加，導(dǎo)致介質(zhì)腐蝕性大大增加，為了保證設(shè)施長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，鎳基材料以其良好的耐腐蝕性越來(lái)越多地被應(yīng)用到工程實(shí)踐中。綜合考慮到材料的抗腐蝕性和經(jīng)濟(jì)性，近年來(lái)鎳基N08825雙金屬?gòu)?fù)合材料在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用到高含硫、濕硫化氫等酸性介質(zhì)高腐蝕性工況[1]。

某油氣田地面工藝管道輸送介質(zhì)中硫和濕硫化氫含量較高，因此業(yè)主要求：D6in（1in=25.4mm）及以上規(guī)格管道，采用A333Gr.6低溫鋼加N08825鎳基雙金屬?gòu)?fù)合管材料；D 6 in以下管道，全部采用N08825純鎳材質(zhì)。設(shè)計(jì)溫度-46～135℃，設(shè)計(jì)壓力4.83 MPa，介質(zhì)工況屬于極輕微泄漏便能引起劇毒危害（致死）及污染的M類（根據(jù)ASME B31.3《工藝管道》）。

1 鎳基復(fù)合管主管及鎳材支管臺(tái)

本工藝管道設(shè)計(jì)中，6 in及以上的主管是采用低溫鋼A333Gr.6作為基層、使用自動(dòng)堆焊的方法堆焊鎳基復(fù)合層的雙金屬?gòu)?fù)合管結(jié)構(gòu)，基層低溫鋼壁厚10.97 mm，復(fù)合層堆焊厚度最小為3 mm。

部分工藝管道需要設(shè)置儀表口等管道分支，儀表口支管采用支管臺(tái)連接形式設(shè)計(jì)，支管臺(tái)規(guī)格為D 2 in，按照MSS-SP-97支管臺(tái)規(guī)范加工而成，支管臺(tái)材質(zhì)均采用N08825純鎳材料加工而成。

2 鎳基復(fù)合管和純鎳支管臺(tái)施工難點(diǎn)

根據(jù)管臺(tái)的連接形式，管臺(tái)屬于騎座式安裝到母管上。由于純鎳管臺(tái)和鎳基復(fù)合管基層低溫鋼金屬的材質(zhì)差異，如何保證純鎳支管臺(tái)和鎳基復(fù)合管異種材質(zhì)的施工質(zhì)量是本次施工的難點(diǎn)。支管臺(tái)和主管焊接模型如圖1所示，支管臺(tái)焊接時(shí)，需要在主管低溫鋼基層上按照支管臺(tái)尺寸開(kāi)孔，然后將支管臺(tái)安放到主管低溫鋼基層上。為了保證支管臺(tái)焊接質(zhì)量，支管臺(tái)和主管之間設(shè)計(jì)為全焊透焊縫的連接結(jié)構(gòu)，如果直接將主管鉆孔和支管焊接，則焊接接頭便是低溫鋼A333Gr.6和鎳基N08825之間異種鋼焊接，但是主管低溫鋼A333Gr.6基層壁厚部分（圖1中紅色部分）則失去鎳基復(fù)層保護(hù)完全暴露在高腐蝕介質(zhì)中，不符合材料和工藝防腐蝕要求，如何解決主管與支管臺(tái)連接處主管壁厚位置腐蝕問(wèn)題成為工程的難點(diǎn)。

圖1 鎳基復(fù)層管和純鎳材支管臺(tái)模型

3 工藝解決方案

本工藝方案包括對(duì)鎳基主管進(jìn)行鉆孔加工，對(duì)主管鉆孔部位基層低溫鋼A333Gr.6部分進(jìn)行鎳基堆焊，堆焊后對(duì)鎳基堆焊層進(jìn)行二次鉆孔加工及無(wú)損檢測(cè)、尺寸檢測(cè)，然后組對(duì)焊接純鎳支管臺(tái)和加工過(guò)的復(fù)合管主管，相當(dāng)于復(fù)合管和純鎳材料的組對(duì)焊接。

4 工藝方案實(shí)施

4.1 主管鉆孔加工及檢驗(yàn)

（1）對(duì)主管需要焊接支管臺(tái)的基層部分進(jìn)行劃線及鉆孔加工，孔徑尺寸宜比實(shí)際需求尺寸大至少10 mm，鉆孔過(guò)程中要及時(shí)觀察，孔加工至主管鎳基基層位置即可，本次加工保留主管鎳基基層。

（2）其次對(duì)主管的鎳基復(fù)合層鉆孔加工，復(fù)合層鉆孔直徑比基層碳鋼孔直徑小10 mm，主管鉆孔加工后如圖2所示。

圖2 鉆孔加工后的主管基層及鎳基復(fù)合層

（3）對(duì)鉆孔部位進(jìn)行外觀尺寸檢查、無(wú)損檢測(cè)及復(fù)合層實(shí)際厚度檢查，確保鉆孔部位的基層低溫鋼全部去除，復(fù)合層暴露部位無(wú)低溫鋼殘留，同時(shí)對(duì)復(fù)合層進(jìn)行滲透及厚度復(fù)查。

4.2 鉆孔處低溫鋼基層堆焊及檢驗(yàn)

對(duì)鉆孔完畢的主管鉆孔部位以原有復(fù)合堆焊層為基礎(chǔ)進(jìn)行再次堆焊，采用鎢極氬弧焊（GTAW）焊接方法，焊材采用和鎳基復(fù)合層焊接相配套的焊絲，堆焊厚度約為5 mm，堆焊層數(shù)至少為2層，堆焊層焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1，堆焊層焊道如圖3所示。

圖3 主管鉆孔部位進(jìn)行鎳基金屬堆焊

表1 焊接工藝參數(shù)

堆焊完畢進(jìn)行外觀檢查確保焊縫均勻，無(wú)表面氣孔、飛濺、焊瘤、夾雜等缺陷，堆焊厚度符合要求，對(duì)堆焊部位進(jìn)行滲透檢測(cè)，無(wú)任何可見(jiàn)缺陷為合格。

4.3 二次鉆孔加工及檢驗(yàn)

主管鉆孔處堆焊及檢驗(yàn)合格后，根據(jù)實(shí)際管臺(tái)的尺寸對(duì)堆焊完畢的孔進(jìn)行二次鉆孔加工，確保鉆孔尺寸和支管臺(tái)內(nèi)徑一致，符合支管臺(tái)組對(duì)尺寸要求，確保鉆孔后堆焊層厚度不小于3 mm。鉆孔后對(duì)堆焊層進(jìn)行外觀及尺寸檢查，鉆孔加工后外觀應(yīng)熔合良好均勻，無(wú)氣孔、夾碴等缺陷，按照滲透檢測(cè)要求對(duì)加工后表面進(jìn)行滲透檢測(cè)，且應(yīng)合格，檢查加工后的堆焊層厚度應(yīng)大于3 mm，所有檢測(cè)均要符合質(zhì)量要求。見(jiàn)圖4。

圖4 對(duì)堆焊完畢的孔進(jìn)行二次鉆孔加工及檢驗(yàn)

4.4 組對(duì)、焊接鎳基支管臺(tái)和復(fù)合管主管

主管鉆孔處堆焊、二次加工、檢測(cè)完畢合格后，進(jìn)行支管臺(tái)和主管的組對(duì)焊接工作。經(jīng)過(guò)上述步驟加工完畢的主管和支管臺(tái)焊接屬于純鎳材料和鎳基復(fù)合管之間的焊接，如圖5所示。

圖5 鎳支管臺(tái)和主管結(jié)構(gòu)示意

（1）組對(duì)前對(duì)支管臺(tái)及主管待焊表面進(jìn)行處理，徹底清除表面污物，對(duì)坡口及周邊的異物、基材銹蝕等進(jìn)行徹底清理，并采用丙酮對(duì)鎳基坡口表面、焊絲等進(jìn)行徹底清潔。

（2）支管臺(tái)和主管組對(duì)時(shí)，要預(yù)留根部3～4 mm的組對(duì)間隙，以保證焊接時(shí)根部能夠全熔透。

（3）焊接采用手工鎢極氬弧焊（GTAW）打底、焊條電弧焊（SMAW）填充蓋面的工藝方法。

（4） 焊材采用評(píng)定合格的ERNiCrMo-3焊絲及ENiCrMo-3焊條，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

（5）根部打底焊屬于鎳基堆焊層（復(fù)層）和純鎳材之間焊接（鎳材料焊接），焊接時(shí)背部要采用99.99%以上純氬氣進(jìn)行保護(hù)，以確保根部鎳基焊縫不被氧化，根部焊縫應(yīng)該確保全熔透。

（6）焊接低溫鋼母材部分和純鎳支管臺(tái)時(shí)，采用異種鋼焊接策略，應(yīng)先在低溫鋼母材上進(jìn)行鎳基堆焊，然后再逐步過(guò)渡焊接到純鎳管臺(tái)母材，減少低溫鋼母材對(duì)焊縫的稀釋。

（7）焊接過(guò)程中應(yīng)該嚴(yán)格執(zhí)行多層多道焊，控制焊接層間溫度不大于250℃，焊條擺動(dòng)幅度不大于焊條直徑的3倍。

（8）根部打底焊完畢及最終焊接完畢均應(yīng)進(jìn)行外觀及滲透檢測(cè)，以保證焊縫質(zhì)量符合項(xiàng)目要求。

5 接頭性能評(píng)定

5.1 機(jī)械性能驗(yàn)證

按照上述工藝方法制作主管與管臺(tái)焊接工藝評(píng)定試件，然后按照ISO 13847標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行機(jī)械性能檢驗(yàn)，包括斷裂試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、宏觀試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，焊縫宏觀試驗(yàn)圖見(jiàn)圖6。

表2 接頭機(jī)械性能試驗(yàn)

圖6 焊縫宏觀試驗(yàn)圖

5.2 抗腐蝕性能檢測(cè)

對(duì)試件采用ASTMG28方法A進(jìn)行晶間腐蝕敏感性分析，分析結(jié)果如表3所示。

表3 試件的抗腐蝕試驗(yàn)

6 結(jié)論

鎳基復(fù)合管與純鎳支管臺(tái)焊接時(shí)，由于純鎳需要安放到復(fù)合管基層碳鋼或低溫鋼表面，為了保證焊接接頭鎳基層的一致性和完整性，采用上述工藝方法能完美解決復(fù)合管碳鋼或低溫鋼和純鎳管臺(tái)連接處厚度部位無(wú)法有效被鎳基復(fù)層覆蓋的問(wèn)題，確保了支管臺(tái)和主管的焊接接頭質(zhì)量，達(dá)到了預(yù)期效果。工藝實(shí)施過(guò)程中要注意：

（1）對(duì)復(fù)合管主管鉆孔時(shí)，要確保復(fù)合層焊縫的孔徑比基層焊縫孔徑至少小10 mm左右，使復(fù)合層完全暴露出來(lái)作為基礎(chǔ)承托，以便在復(fù)合層上進(jìn)行二次堆焊。

（2）對(duì)復(fù)合管主管堆焊時(shí)，采用手工鎢極氬弧焊堆焊或根據(jù)情況采用自動(dòng)堆焊，堆焊前徹底清理復(fù)層表面的基層雜質(zhì)，堆焊厚度至少為5 mm，堆焊層數(shù)至少2層，堆焊層應(yīng)致密均勻，應(yīng)保證和主管原堆焊層及碳鋼或者異種鋼部位熔合良好。

（3）堆焊完畢二次鉆孔后，要保證二次孔徑尺寸復(fù)合要求，同時(shí)對(duì)堆焊層進(jìn)行厚度檢查和表面無(wú)損檢測(cè)，確保堆焊層厚度大于3 mm，確保表面無(wú)任何缺陷。

（4）組焊支管臺(tái)和堆焊后的主管時(shí)，要確保根部預(yù)留間隙以保證全焊透，背部要采用氬氣保護(hù)措施，確保根部焊縫質(zhì)量，按照純鎳材料和鎳基復(fù)合管焊接要求，采用鎢極氬弧焊打底加焊條電弧焊填充蓋面的工藝方法，多層多道焊，確保最終鎳基焊縫質(zhì)量。