顏丙鎖，仲繼彬，邢攸為，馮加亮，任廣新

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

前言

某項目水深1220-1560米，該項目管匯排布緊密，均為超級雙相不銹鋼材質(zhì)，且施工空間狹窄，受限空間對焊工技能和操作技巧均有很大挑戰(zhàn)，海底輸氣輸油管道內(nèi)部主要流體為液壓控制液與化學藥劑，具有一定的腐蝕性，對焊縫表面的耐蝕性能要求很高。

UNS S32750在普通雙相不銹鋼的基礎(chǔ)上，增加了鉬和氮微量元素的含量，相較于普通的雙相不銹鋼，具有更優(yōu)異的耐腐蝕性能，能夠在更惡劣的腐蝕環(huán)境中使用[1]。更多的合金元素和更低的碳含量，使材料在服役期間具有更較強的機械性能，在有高強度和高耐蝕性能需求的海底管道鋪設(shè)、船舶制造和海洋氣田開采的制造領(lǐng)域應用越來越廣泛，特別是在那些含有氯離子、硫化氫介質(zhì)的壓力容器和換熱器等設(shè)備中[2]。

UNS S32750在焊接過程中，接頭的力學性能和耐蝕性能對熱輸入非常敏感，如果熱輸入過小，會因為奧氏體轉(zhuǎn)化時間縮短而形成較少的鐵素體；如果熱輸入過大，會燒損熔池中的促奧氏體轉(zhuǎn)化元素鎳和氮等，冷卻速度也會較正常熱輸入時的慢，使焊縫組織最后形成過多的鐵素體，不平衡的雙相組織對材料的各項性能均造成影響[3]。且超雙管線內(nèi)部油氣控制液或者其他采集后的液體對內(nèi)部管壁使用壽命均是嚴格挑戰(zhàn)，因此焊縫根部質(zhì)量直接決定了產(chǎn)品的服役壽命，因此坡口設(shè)計以及管道焊接時的背部保護效果均是工藝設(shè)計重點關(guān)注點，項目組通過前期的大量試驗摸索和方案優(yōu)選，展開對超雙焊接工藝開發(fā)與篩選工作，對焊接接頭進行了坡口試驗優(yōu)選和力學性能、點蝕性能等實驗研究。

1 常用坡口推薦情況

常用的管道焊接坡口形式分別為：美國國家標準ASME氣體傳輸與分配管道系統(tǒng)規(guī)范B31.8-2018《Gas Transmission and Distribution Piping Systems》中推薦的坡口形式[4]見圖1；美國標準鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼管道和管焊接指南AWS D10.18-2018《Guide for Welding Ferritic/Austenitic Duplex Stainless Steel Piping and Tubing》中推薦的坡口形式[5]見圖2。

圖1 ASME規(guī)范中的坡口

圖2 AWS規(guī)范中的坡口

以項目中使用最多的2寸超雙管線為例，管線外徑60.3mm，壁厚8.74mm，對上述焊接坡口形式進行工藝試驗，填充的金屬量大，手工焊接使用契塊定位焊接后，在封底焊接過程磨去契塊時，異物掉入管線內(nèi)沒有及時清理的話，復雜的彎曲管路在最終的吹掃程序不能有效的清理全部雜物碎屑，對完工后的串洗試壓有影響；使用焊絲搭橋定位焊接坡口的話，需要焊工有過硬的搭橋技術(shù)，且坡口間隙的大小不一，打底后背透的根部余高也高低不平，即使最優(yōu)秀的焊工師傅也不能保證每次焊接獲得合格的焊縫，該傳統(tǒng)的V形坡口出具在WPS中，作為手工焊接的一種備用坡口形式。

且公司同時在開發(fā)保利蘇迪（Polysoude）焊機的軌道填絲鎢極氬弧焊工藝，上述坡口均不能滿足半自動軌道焊接的精度要求，不能成批生產(chǎn)合格的焊縫，因此急需設(shè)計出一種更高效的坡口以滿足手工和半自動軌道焊接的需求。

2 高效焊接組合坡口設(shè)計

在上述ASME和AWS標準中推薦的坡口的基礎(chǔ)上，設(shè)計出如圖3所示的組合坡口形式，以8.74mm厚的超雙管線為例，對設(shè)計的坡口進行工藝試驗和焊接練習。

圖3 零間隙組合坡口

經(jīng)過試驗與焊接比對，焊工普遍反映鈍邊兩側(cè)的夾角在焊接時鐵水流動緩慢，夾角處需要停留一段時間才能融合好，否則容易形成未熔合缺陷，需要反復練習才能熟練掌握熔合技巧，考慮到焊工練習投入較大，繼續(xù)優(yōu)化該組合坡口形式至圖4所示，將鈍邊與坡口斜邊的交界處加工出一個R1～2mm的小圓弧，這樣能明顯改善夾角處的未熔風險。圖4組合坡口使用Panasonic（YC-200BL3）氬弧焊機手工焊接時，在封底時焊槍擺動小，不需要太大的擺動就能把坡口的夾角熔合好，封底焊接的時間短，使用該坡口時操作簡單，且容易獲得較好的根部成型，該坡口0間隙組對可以固化焊工的操作手法，容易掌握；且該組合坡口適用于寶利蘇迪（Polysoude）軌道填絲自動焊焊機，滿足自動焊機的高組對精度要求，能獲得批量的合格焊縫，對提高焊接效率起到促進作用。

圖4 帶圓弧倒角組合坡口

傳統(tǒng)V形坡口，留間隙的坡口組對需焊工具有一定搭橋技巧，對焊工技能要求較高，封底焊在12點鐘方向，因背部充氣會有一個向上頂推的壓力，操作不慎會有根部內(nèi)凹的風險如下圖5所示。高效焊接組合坡口在組對時只需直接0間隙對齊就行，節(jié)省了組對調(diào)整間隙時間，且閉環(huán)的坡口間隙避免了背部保護氣體外泄，提高了保護效率，如下圖6所示。

圖5 傳統(tǒng)V形坡口搭橋技術(shù)

圖6 高效焊接組合坡口0間隙組對

在后續(xù)的生產(chǎn)中，因為項目上的管件和三通在來料時已經(jīng)加工好坡口，我們開發(fā)單邊V形和單邊組合坡口的組對，如下圖7所示，但是后續(xù)在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，該坡口對焊工的操作要求更嚴苛，因為該坡口一側(cè)帶直邊，一側(cè)不帶直邊，焊工在焊接時鐵水熔化控制更難操作，且在單V側(cè)需要停留時間更長一點，易形成V形坡口側(cè)的熔合不足，焊接難度大，且對焊后拍片的評片增加難度如圖8所示，故最終舍棄圖5所示的組合坡口。

圖7 單V和帶直邊單J組合坡口

圖8 評片難度增大的組合坡口

3 焊接工藝及過程

帶圓弧倒角組合坡口最終成功應用在項目中的手工焊接和軌道填絲自動焊接種，現(xiàn)只選取自動焊接的焊接工藝結(jié)果列出如下。

母材是超級雙相不銹鋼ASTM A790 UNS S32750管材，外部直徑60.3mm，壁厚6mm，焊材選用Sandvik25.10.4.L，因為其能獲得優(yōu)秀的ASTM G48 Method A點蝕性能。焊接工藝為半自動軌道填絲鎢極氬弧焊接，焊接位置為6G方向，焊接時背部充氣體保護，保證氧含量小于500ppm，根部不被過度氧化燒損[5-6]，背部保護氣體選擇純氮氣，正面保護氣體選擇98%氬氣加2%氮氣的高純氬氮混合氣[7]，焊前除濕，層間溫度設(shè)定最高為100℃，本次試驗件的焊接按照標準ASME BPVCIX-2019[8]制作，參數(shù)如表1所示。

表1 軌道填絲鎢極氬弧焊Orbital GTAW(With Filler Metal)參數(shù)

4 無損檢驗

試驗件焊接結(jié)束后按照相關(guān)要求進行外觀檢驗（VT），滲透檢驗（PT）和X射線探傷(RT)。各項檢驗結(jié)果顯示，焊縫根部和表面成型良好，無氣孔、未熔合、裂紋、咬邊等缺陷，根部余高控制良好，焊接試樣滿足要求。

5 試驗結(jié)果及分析

5.1 力學性能試驗

焊接試件經(jīng)機加工后進行力學性能實驗。

拉伸試驗2件，其中一根抗拉強度為887MPa，斷裂于母材區(qū)域；另一根拉伸試樣抗拉強度875MPa，斷裂于母材區(qū)域，焊縫金屬強度均滿足使用要求；

室溫下彎曲角度180°，彎輥直徑24mm的面彎和根彎各2片，結(jié)果均無任何缺陷產(chǎn)生，焊縫金屬塑性良好；

焊接接頭宏觀腐蝕結(jié)果合格，放大10倍的宏觀圖片如圖9所示，焊縫及熱影響區(qū)剖面完全熔合、無裂紋；

圖9 焊接接頭宏觀放大10倍

沖擊試驗結(jié)果如下表2，沖擊韌性均滿足要求：

缺口位置試樣尺寸沖擊吸收功KV8 /J平均值焊縫中心線10×5×55 108，99，105 104熔合線97，103，115 105熔合線+2 71，65，65 67熔合線+5 126，142，144 137

焊接接頭維氏硬度測試結(jié)果均小于300HV10，滿足規(guī)格書要求。

5.2 點蝕試驗

對焊接接頭按照標準ASTM G48進行點蝕試驗，點蝕試驗溫度為40±2℃。試驗周期為24小時。試件表面無腐蝕坑，點蝕腐蝕率均小于4g/m2，氯化鐵點蝕試驗結(jié)果滿足標準規(guī)范要求。

5.3 微觀金相檢測試驗

試驗按照金相組織分析試驗的標準，經(jīng)粗磨、精磨、拋光、腐蝕。采用40% NaOH溶液電解腐蝕(電解電壓7-8V)，在光學顯微鏡下觀察組織并通過500X下光學顯微鏡拍照發(fā)現(xiàn)：母材、焊縫和熱影響區(qū)組織為奧氏體和鐵素體，且晶界清晰，沒有連續(xù)的沉淀物，碳化物、氮化物、金屬間相總和不超過0.5%。

5.4 鐵素體含量試驗

鐵素體試樣經(jīng)過拋光后，用40%氫氧化鈉溶液電解浸蝕（7-8V）。然后觀察母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的金相組織，圖10。分別從母材區(qū)，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)選取10個區(qū)域進行相比例計算，每個區(qū)域通過100個柵格點進行統(tǒng)計計算，結(jié)果滿足35-65%要求。

圖10 焊接接頭鐵素體柵格圖-500X

6 結(jié)論

通過上文高效焊接組合坡口焊接試件，試件的根部成型良好，相關(guān)的焊接工藝試驗驗證，可以得出如下3條結(jié)論：

（1）采用高效焊接組合坡口焊接試件，可以得到性能優(yōu)良的焊接接頭，抗拉強度、硬度和韌性均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（2）高效焊接組合坡口便于焊工在操作時控制焊縫根部成型厚度，降低焊工打底焊接操作難度，大量節(jié)省組對時間。

（3）該組合坡口熔敷金屬截面積小，焊材及保護氣體消耗較少，現(xiàn)場加工需要專用的坡口機，需要較強的坡口預制能力，合格的坡口形式能提高安裝效率，降低組對難度，適合于規(guī)?；┕ぁ?/p>