楊延華

(西安航空學院，西安 710077)

0 前言

在油氣集輸管道中，應用雙層金屬復合管是防止油氣介質腐蝕內徑的有效方法，是一種新型防腐技術[1-3]，以雙層金屬復合管作為油氣田輸送管，是有效進行腐蝕預防和控制的主要管材，與碳鋼管相比可以耐腐蝕，與耐蝕合金純材相比，價格經濟。由于雙金屬復合管的良好的耐蝕性和經濟性，自20世紀90年代以來，其相關技術開發(fā)和應用研究取得一定進展[4-5]。雙金屬復合管在油氣集輸管道中的應用，有效解決了高腐蝕油氣集輸管材的腐蝕問題。由于雙金屬復合管道是2種材料機械或者冶金結合，則管道的質量受多個加工環(huán)節(jié)影響，其中包括制造、檢驗、施工等，其中管道環(huán)焊縫的焊接，是管道集輸系統(tǒng)密封和強度、耐蝕等極其重要環(huán)節(jié)，否則極易出現(xiàn)焊接開裂、腐蝕泄露等質量安全事故及環(huán)保事故[6-7]。

有些地區(qū)天然氣中含有硫化氫等腐蝕介質，如阿美公司建設的沙特哈拉德項目位于沙特中南部的蒙德瑞克地區(qū)，該地區(qū)天然氣中含有的硫化氫等腐蝕介質，對碳鋼管產生嚴重的腐蝕性，尤其是場站工藝管線、彎頭、彎管、三通等管件，更容易發(fā)生腐蝕失效，嚴重降低工藝管網的使用壽命，場站維修、更換管線管件比較復雜，且成本高。如果需要停輸將會嚴重影響經濟效益。因此，選擇雙金屬復合管成為油氣田集輸管道腐蝕控制重要手段。在沙特哈拉德項目11條集輸干線及7座站場管線全部設計為內堆焊冶金復合管X60/625，基材為API 5L PSL2 X60，覆材為鎳基合金625，管徑分別是6寸、8寸、16寸、20寸、24寸、30寸、48寸，壁厚范圍為7.11/3～38.1/3 mm。

由于雙金屬復合管焊接本身涉及到異質材料的焊接，具有一定的焊接難度，再加上本項目冶金復合管是在X60基管內堆焊鎳基焊材625而成，覆層材料受應力、裂紋、氧化、合金元素稀釋等因素影響，在環(huán)焊縫組對焊工程中焊接更為困難。

依據(jù)相關研究文獻[7]，在20世紀90年代初期，雙金屬復合管管端封焊處理，環(huán)焊縫工藝為根焊、過渡焊、填充焊、蓋面焊等。管端封焊采用不銹鋼焊絲，經過TIG焊接工藝完成不銹鋼和碳鋼層間隙的密封焊接。根焊采用不銹鋼焊絲或焊條打底，過渡焊采用過渡材料焊接，如309Mo焊絲，完成從不銹鋼層到碳鋼層的過渡，接著填充焊和蓋面焊采用碳鋼焊材完成碳鋼層的填充和蓋面。此類焊接工藝薄弱環(huán)節(jié)主要為封焊工藝和過渡焊工藝。例如，某油田用φ273 mm×(7+2) mm L360/316雙金屬機械復合管，管端采用封焊工藝，環(huán)焊縫采用根焊、過渡焊、填充及蓋面焊，抽查焊口220道，合格率為77.2%，不合格焊口主要集中為封焊和過渡焊問題[8]。而文獻[9-10]分析的某油田L415/316L復合管焊接裂紋結果說明，過渡層高碳含量引起的高淬硬傾向從而引起復合管焊接接頭裂紋。文獻[11]報道分析了新疆克深2氣田應用雙金屬復合管實踐中出現(xiàn)了焊接裂紋，從而導致失效管道失效。

鑒于根焊、過渡、填充焊接工藝具有成本低、便于施工等優(yōu)點，在塔里木迪那2氣田、克深2氣田等應用，取得一定效果，但是還是容易出現(xiàn)焊縫稀釋、焊縫裂紋等問題。因而這類焊接工藝需要具有可靠穩(wěn)定的焊接工藝控制手段和檢驗手段，從而方可保證接頭的焊接質量[7]。還有文獻[12-13]，從焊接坡口、保護氣體等方面研究雙金屬復合管環(huán)焊縫相關工藝，也取得一定進展，值得行業(yè)借鑒。因此，文中開展對X60/625堆焊冶金復合管環(huán)焊縫焊接工藝研究，以來保證焊縫的結構性能和耐蝕性能，為阿美公司建設的沙特哈拉德項目提供工藝參考。

1 焊接工藝分析與工藝設計

1.1 焊接性能分析

堆焊冶金CLAD復合管φ219 mm×(8.74+3) mm X60/625，內層為鎳基耐蝕性金屬(鎳基合金625)，在室溫下的微觀金相組織為單一奧氏體；外層為低合金鋼(X60)，在室溫下的微觀金相組織為針狀鐵素體+珠光體?；軋?zhí)行API Spec 5L 45版 PSL2標準，規(guī)格為φ219 mm×8.74 mm，堆焊冶金復合管規(guī)格為φ219 mm×(8.74+3) mm，堆焊材料為625，堆焊厚度為3 mm?；転閄60管線鋼材料，I型碳當量CEPcm為0.16%，II型碳當量CEIIW為0.33%，其屬于低合金鋼，具有良好的焊接性能，焊接試驗用X60管線鋼拉伸性能測試結果為，屈服強度為 440 MPa,抗拉強度為550 MPa。堆焊焊絲為625材料，所有堆焊層為625熔覆金屬，PMI測試結果Cr含量為22.62%，Ni含量為62.97%，Mo含量為8.90%，符合 625熔覆金屬材料化學成分要求。堆焊冶金復合管基管、覆層的化學成分分別見表1和表2。

表1 基管X60化學成分(質量分數(shù)，%)

表2 堆焊層化學成分(質量分數(shù)，%)

1.2 焊接工藝設計

焊接工藝設計為鎢極氬弧焊+焊條電弧焊(GTAW+SMAW)來進行焊接。焊接前要進行坡口設計、管道的組對、背面保護及全位置焊接等。坡口設計中，由于該項目中焊材為X60/625，坡口加工為30°±2.5°，如圖1焊接坡口及焊接分層示意圖所示。采用機械加工，嚴禁使用氧-乙炔和等離子切割加工，加工成形后用磨光機進行清理坡口內外表面。坡口組對前，需重新對坡口清理表面，去除鎳基層表面氧化膜，在用丙酮清洗坡口內外表面，清洗后用清水沖洗并用絲布擦干，對口間隙為0～1 mm。焊絲選用伯樂AWS A5.14 ERNiCrMo-3，焊絲直徑為φ2.4 mm，抗拉強度≥760 MPa，焊絲化學成分見表3。焊條選用伯樂AWS A5.11ENiCrMo-3 Thermanit 625，焊條直徑為φ2.5 mm，屈服強度≥450 MPa，抗拉強度≥760 MPa，焊條化學成分見表4。

圖1 焊接坡口及焊接分層示意圖

表3 焊絲化學成分(質量分數(shù)，%)

表4 焊條化學成分(質量分數(shù)，%)

保護氣體選用工業(yè)氬氣(Ar)，純度99.997%，焊接氬氣流量10～15 L/min，根焊時背氬流量20～25 L/min。

焊接工藝過程為：根焊(1)、熱道焊(2)、填充焊(3,4)、填充焊(5)、蓋面焊(6,7)，共7層16道，如圖1所示。其中根焊(1)、熱道焊(2)、填充焊(3,4)為鎢極氬弧焊(GTAW)；填充焊(5)、蓋面焊(6,7)為焊條電弧焊(SMAW)。工藝設計的7層16道中，第1層設計為1道焊接，打底焊時熔深0～1 mm，焊縫熔寬2～4 mm；第2層仍為單道焊接，覆蓋第1層，連接復合管堆焊層金屬；第3層為2道焊接，作為625層向碳鋼層過渡焊接層，第3層到第7層，均為3道焊接，分別為碳鋼層填充和蓋面。焊接工藝參數(shù)見表5。

表5 焊接工藝參數(shù)

2 焊接工藝試驗與結果分析

2.1 焊接工藝實施

按照上述工藝設計，對φ219 mm×(8.74+3) mm X60/625堆焊冶金復合管進行坡口加工，組對和焊接。復合管管內有鎳合金層，焊接時需要充氬氣保護，要考慮氬氣充分保護焊縫，氣室不得有混合氣體存在，氣室內部含氧量不超過0.02%。焊接電源選用山東奧泰ZX7-400S TGIIa 逆變式多功能管道焊機。脈沖電源：N/A，鎢極直徑φ2.4 mm，風速不大于2 m/s。

焊接試樣形貌如圖2所示。焊接過程中，每層每道焊接完成后進行焊縫初檢，不得有焊接氣孔、裂紋等肉眼可見缺陷，再進入下一層次/道次焊接。由于內表面有保護氣體，氬氣流量14 L/min，充氬流量25 L/min，隔離空氣和氧氣，焊接完成后，焊縫內表面宏觀顏色呈現(xiàn)淺黃色或淡黃色，未見明顯發(fā)藍氧化區(qū)域出現(xiàn)，可見內充氬氣保護起到良好的保護效果，如圖2c所示。焊后24 h，使用RT拍片方法對環(huán)焊縫接頭進行檢測, 執(zhí)行標準為API 1104-2016，拍片靈敏度優(yōu)于2%，拍片結果為一級合格，未發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷。

圖2 焊接試樣形貌

2.2 焊縫宏觀與微觀形貌

根焊采用單面焊背面成形焊接工藝，焊縫成形較好，焊縫呈現(xiàn)弧形過渡，與焊縫兩側堆焊層過渡良好；同時，每層每道焊縫重疊和熔深覆蓋良好，此外，焊縫金屬與母材全焊透和全熔合，無宏觀焊接缺陷可見，如圖3焊縫截面形貌。

圖3 焊縫截面形貌

焊接接頭微觀分析顯示，基體組織見圖4a所示，X60碳鋼基體組織為粒狀貝氏體和鐵素體及珠光體組織；碳鋼與625堆焊層界面組織如圖4b所示，碳鋼與625堆焊層界面清晰，界面結合良好，無空隙無氣孔等缺陷；環(huán)焊縫中心組織如圖4c所示，625材料呈現(xiàn)柱狀晶，自熔合線性向焊縫中心分布，晶粒尺寸均勻細小，組織為固溶體和碳化物；基體熱影響區(qū)組織形貌如圖4d所示，熱影響區(qū)寬度約1 mm，沿著熔池弧線分布，粗晶區(qū)和細晶區(qū)分界清晰；熔合區(qū)組織如圖4e所示，主要為粒狀貝氏體和珠光體鐵素體組織，受高溫作用，鐵素體析出較多，晶粒尺寸較基體略顯長大；細晶區(qū)組織如圖4f所示，主要為珠光體鐵素體和少量粒狀貝氏體組織，晶粒尺寸細小均勻。

圖4 環(huán)焊縫微觀組織形貌

2.3 焊縫力學性能及耐蝕性

拉伸試驗：2個拉伸試樣如圖5所示，橫向抗拉強度分別是611 MPa和622 MPa，斷口位于母材，試驗結果均合格。彎曲試驗：試樣如圖6所示，分別為2個面彎，2個背彎，彎曲180°，試驗沒有發(fā)現(xiàn)明顯裂紋以及氣孔等缺陷，試樣彎曲結果均合格。

圖5 拉伸試樣

圖6 彎曲試樣

夏比沖擊韌性試驗執(zhí)行標準為ASME IX，ASME B31.3，驗收標準為ASME-W-011。分2部分進行，第1部分為GTAW部分試件，主要為根焊(1)至填充焊(3,4)部分，取樣2組，試樣尺寸為7 mm×10 mm×55 mm小尺寸試樣，缺口位置分別位于焊縫中心和熱影響區(qū)位置，缺口深度為2 mm，試驗溫度為-21.4 ℃。焊縫沖擊吸收能量分別為108 J，100 J，110 J，平均值為106 J，橫向膨脹量分別為0.92 mm，0.64 mm，0.99 mm，試驗結果合格，符合標準要求；熱影響區(qū)沖擊吸收能量分別110 J，70 J，80 J，平均值為87 J，較焊縫低1/4，焊縫和熱影響區(qū)的試驗結果合格，符合標準要求。GTAW部分試件夏比沖擊試驗結果見表6。

表6 GTAW部分試件夏比沖擊試驗結果

第2部分為SMAW部分試件，主要為填充焊(5)和蓋面焊(6,7)部分。取樣2組，試樣尺寸為4 mm×10 mm×55 mm小尺寸試樣，缺口位置分別位于焊縫中心和熱影響區(qū)位置，缺口深度為2 mm，試驗溫度為-33.7 ℃。焊縫沖擊吸收能量分別為35 J， 32 J，34 J，平均值為34 J，橫向膨脹量分別為0.69 mm，0.64 mm，0.61 mm，熱影響區(qū)沖擊吸收能量分別64 J，72 J，70 J，平均值為69 J，較焊縫高35 J。橫向膨脹量評價0.87 mm，平均較焊縫高0.23 mm，試驗結果合格，符合標準要求，詳細結果見表7。

表7 SMAW部分試件夏比沖擊試驗結果

環(huán)焊縫顯微硬度試驗中，在基材中心和距離表面1.5 mm處及覆層上取樣，分別在2個區(qū)域，即環(huán)焊縫6點鐘位置和12點鐘位置取2組試樣，然后進行顯微硬度試驗，載荷為98 N，每個試樣打35個硬度點，分別位于基材金屬、熱影響區(qū)及其環(huán)焊縫，硬度測試點示意圖如圖7所示。硬度分布圖如圖8所示，由圖8可以看出，基材金屬的硬度值在181～191 HV10之間。在基材的熱影響區(qū)，硬度值與基材金屬硬度相差不大，分布較為均勻，硬度值在200 HV10左右。焊縫區(qū)內的硬度較基材金屬和熱影響區(qū)內的硬度都高，其硬度值分布在228～279 HV10之間，這是由于焊縫在焊接時，液態(tài)金屬冷卻凝固過程中，焊縫組織從熔池底部到焊縫中心及焊縫表面，經歷復雜的熱應力和組織應力演變和生長過程，部分組織由于冷卻過快，局部產生淬硬組織或者淬硬相，從而導致焊縫硬度高于基材金屬及其熱影響區(qū)。在基材中心的焊縫區(qū)的硬度比基材邊緣的硬度值偏大，平均偏大18 HV10。覆層的硬度值在基體金屬、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的分布整體比較均勻，沒有明顯的差別，硬度值主要集中在257～285 HV10之間。硬度測試結果符合標準要求。

圖7 硬度測試示意圖

對環(huán)焊縫進行腐蝕試驗，執(zhí)行標準ASTM G48 A《Standard test methods for pitting and crevice corrosion resistance of stainless steels and related alloys by use of ferric chloride solution》，驗收標準為01-SAMSS-044《Materials system specification — CRA clad pipe spools》及01-SAMSS-048《Materials system specification — CRA clad or lined steel pipe》A-02(15)，在沸騰硫酸鐵-硫酸溶液中煮120 h，腐蝕速率為0.221 mm/a，小于標準要求的0.914 mm/a，耐腐蝕試驗合格。

圖8 硬度分布圖

綜上所述，冶金堆焊雙金屬復合管φ219 mm×(8.74+3) mm X60/625經過625焊絲GTAW打底焊、填充焊，再經過625焊條SMAW填充焊和蓋面焊，環(huán)焊縫成形良好，焊縫金屬、堆焊層及基層實現(xiàn)了良好過渡，鎳基合金625/X60焊縫強度滿足規(guī)范要求，并且環(huán)焊縫具有較好的抗腐蝕性能，滿足腐蝕環(huán)境的應用。

2.4 熔合線微區(qū)關鍵合金元素分析

焊縫熔合線附近X射線能譜儀(EDS)掃描結果顯示，焊縫與基管熔合線微區(qū)內Ni，Cr，Mo，F(xiàn)e元素分布發(fā)生了明顯的變化，即在熔合線附近，上述元素的分布存在一個明顯的梯度，而堆焊層與基管熔合線微區(qū)內的Ni，Cr，Mo，F(xiàn)e元素分布則無明顯的梯度變化，如圖9熔合線微區(qū)主要合金元素分布所示。焊縫金屬化學分析結果見表8，與焊絲、堆焊層化學成分用差值法計算出鎳的含量大于60%，符合標準要求。

圖9 熔合線微區(qū)主要合金元素分布

表8 焊縫金屬化學成分(質量分數(shù)，%)

3 應用

該焊接工藝在沙特哈拉德項目一期管道工程中得到應用，對X60/625雙金屬復合管對口施工，共焊接612道口，一次合格610道口，合格率達99.7%。

4 結論

(1)對于X60/625雙金屬復合管，采用ERNiCrMo3同質材料焊材，應用了GTAW+SMAW的焊接工藝，焊接過程分為根焊、熱道焊、填充焊及蓋面焊。環(huán)焊縫成形良好，焊縫金屬、堆焊層及基層可良好過渡，焊接后的焊縫經過無損檢驗、拉伸試驗、彎曲試驗、夏比沖擊試驗、硬度試驗、焊縫耐腐蝕試驗及關鍵合金元素分析后，各項指標均符合相關標準及技術規(guī)范要求。

(2)該焊接工藝的可行性在沙特哈拉德項目一期管道工程中的應用中得到驗證，該工藝可以進一步推廣至其它同類雙金屬復合管施工項目中。