伍道亮，張輝，陳學(xué)雷，師金鳳

1.招商局重工（江蘇）有限公司 江蘇南通 226116

2.招商局郵輪制造有限公司 江蘇南通 226116

1 序言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的海洋油氣開發(fā)進(jìn)入高速發(fā)展期，在油氣開發(fā)裝置建造過程中，高壓油氣輸送管道是關(guān)鍵部件之一，由于其涉及H2S、Cl-等各種酸性介質(zhì)，管道耐蝕性要求高，因此與流體接觸的管內(nèi)壁通常采用Inconel 625鎳基合金。而油氣輸送管道一般設(shè)計(jì)壓力較大，設(shè)計(jì)壁厚一般超過50mm，為了節(jié)省材料成本，同時(shí)保證管材強(qiáng)度，通常采用低合金鋼管內(nèi)壁堆焊鎳基合金的復(fù)合管形式。

根據(jù)調(diào)研，目前行業(yè)內(nèi)鎳基合金復(fù)合管通常采用氬弧焊進(jìn)行焊接，有利于保證焊縫質(zhì)量、焊接接頭力學(xué)性能及耐腐蝕性能[1-5]。但考慮到厚壁管的焊接，氬弧焊的焊接效率過低，難以滿足項(xiàng)目生產(chǎn)周期，因此為提高焊接效率，本文對(duì)鎳基合金復(fù)合厚壁管的FCAW焊接工藝進(jìn)行研究，并完成了相關(guān)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)?zāi)覆募昂附有苑治?/h2>

試驗(yàn)用管材基層為ASTM A694 F65鍛鋼材質(zhì)，管內(nèi)壁堆焊3mm厚的鎳基合金Inconel 625，復(fù)合管規(guī)格為φ273mm×（54.15+3）mm。ASTM A694 F65鍛鋼和鎳基合金Inconel 625的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表1 試驗(yàn)管材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

從表2可看出，鎳基合金Inconel 625和F65鍛鋼材質(zhì)成分及性能差別很大，而且兩者物理性能差異較大（常溫條件下，Inconel 625的導(dǎo)熱系數(shù)為80～90W/m·K，熱膨脹系數(shù)為8.1×10-6/℃；F65的導(dǎo)熱系數(shù)為40～50W/m·K，熱膨脹系數(shù)為12.3×10-6/℃），焊接過程中熱量擴(kuò)散不均勻，導(dǎo)致焊縫組織不均勻，焊接接頭產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。同時(shí)，鎳基合金Inconel 625焊接時(shí)，S、Si元素容易在焊縫中偏析形成低熔點(diǎn)共晶體，這些低熔點(diǎn)共晶體匯集于晶界處形成液態(tài)薄膜，在應(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生焊接熱裂紋。而且，鎳基合金Inconel 625合金元素含量高，焊接熔池流動(dòng)性差，焊縫成形不易控制，易產(chǎn)生夾渣、氣孔等焊接缺陷。

表2 試驗(yàn)管材的力學(xué)性能

3 焊接工藝

3.1 焊接方法及焊接材料選擇

本項(xiàng)目鎳基合金復(fù)合管壁厚57.15mm，焊接量大，如采用行業(yè)內(nèi)常規(guī)的氬弧焊方法，則焊接效率太低。經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終選定氬弧焊（GTAW）打底，藥芯焊絲氣體保護(hù)焊（FCAW）填充、蓋面的焊接方法，可大幅提高焊接效率。

根據(jù)鎳基合金復(fù)合管的特點(diǎn)，G TAW 選用ERNiCrMo-3焊絲，F(xiàn)CAW選用ENiCrMo3T1-4藥芯焊絲，焊接材料熔敷金屬的化學(xué)成分見表3。

表3 焊接材料熔敷金屬的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

3.2 坡口設(shè)計(jì)

為減少厚壁管的焊接量，對(duì)焊接接頭進(jìn)行坡口優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖1所示。優(yōu)化后的坡口形式，可節(jié)省30%的焊接工作量。復(fù)合管的下料及坡口采用冷加工完成，保證焊前坡口質(zhì)量。

圖1 焊接坡口形式

3.3 焊接參數(shù)

打底焊道采用GTAW工藝，保證單面焊雙面成形，填充至8mm深度后，更換為FCAW工藝，焊接過程采用多層多道焊，具體焊接參數(shù)見表4。

表4 鎳基合金復(fù)合管焊接參數(shù)

3.4 焊接過程注意事項(xiàng)

由于鎳基合金復(fù)合厚壁管焊接時(shí)拘束應(yīng)力大，因此為避免出現(xiàn)冷裂紋，焊前對(duì)接頭進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度≥65℃，整個(gè)焊接接頭預(yù)熱均勻，焊接過程中的層間溫度不低于預(yù)熱溫度。同時(shí)在打底和熱填充焊道完成前，焊接過程應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，不得中止焊接。

為保證根部焊接質(zhì)量，防止管內(nèi)壁的鎳基合金堆焊層氧化，影響耐腐蝕性能，焊接前對(duì)管內(nèi)壁進(jìn)行充氬保護(hù)，氧氣含量≤100ppm（1ppm＝10-6）時(shí)，方可開始焊接。焊接過程中需對(duì)背保護(hù)氣體的氧氣含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在完成8mm深度后，才能停止充氬。

另外，因?yàn)殒嚮辖鸬暮辖鸷扛?，焊接熔池流?dòng)性差，所以FCAW焊接時(shí)容易出現(xiàn)未熔合、夾渣等缺陷。為保證焊接質(zhì)量，應(yīng)對(duì)焊工進(jìn)行專項(xiàng)焊接培訓(xùn)，確保熟練掌握焊接操作技能。蓋面焊道應(yīng)采取小熱輸入、小擺幅焊接，蓋面的最后焊道應(yīng)在焊縫中心位置完成[6-10]。

為了消除鎳基合金復(fù)合厚壁管的焊接應(yīng)力，同時(shí)滿足NACE MR0175：2015《用于石油及天然氣工業(yè)含H2S腐蝕環(huán)境的材料規(guī)范》要求的接頭硬度值，焊后需進(jìn)行焊后熱處理，熱處理溫度為580～600℃，保溫2～3h。

通過以上焊接工藝優(yōu)化，焊接一個(gè)φ273mm×（54.15+3）mm的鎳基合金復(fù)合管的對(duì)接接頭，焊接時(shí)間由原42h縮短為24h，大幅度提高了焊接效率。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 宏觀分析

焊后48h對(duì)焊縫進(jìn)行MT+PAUT檢測(cè)，結(jié)果合格，未發(fā)現(xiàn)未熔合、裂紋、氣孔及咬邊等缺陷。對(duì)焊接接頭進(jìn)行宏觀腐蝕試驗(yàn)，其宏觀照片如圖2所示。從圖2可看出，焊縫坡口兩側(cè)熔合良好，焊接接頭成形良好。

圖2 焊接接頭宏觀照片

4.2 力學(xué)性能分析

對(duì)焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)為室溫拉伸，取樣2組，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照ISO 6892-1：2019《金屬材料拉伸試驗(yàn)，第一部分：室溫拉伸試驗(yàn)方法》；沖擊試驗(yàn)采取-46℃低溫沖擊，取樣位置分別為焊縫表面及根部的焊縫（WM）、熔合線（FL）、熔合線+2mm（FL+2）、熔合線+5mm（FL+5），試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照ISO 148-1：2016《金屬材料缺口沖擊試驗(yàn)方法》；硬度試驗(yàn)參照NACE MR0175：2015《用于石油及天然氣工業(yè)含H2S腐蝕環(huán)境的材料規(guī)范》要求，進(jìn)行各個(gè)區(qū)域的硬度試驗(yàn)。焊接接頭各項(xiàng)力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果見表5～表7。

表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表7 硬度試驗(yàn)結(jié)果（HV10）

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，拉伸試驗(yàn)時(shí)斷裂于母材，證明焊接接頭的抗拉強(qiáng)度大于母材強(qiáng)度；焊接接頭在-46℃的沖擊試驗(yàn)結(jié)果均滿足驗(yàn)收要求（≥45J）；接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果滿足NACE MR0175：2015《用于石油及天然氣工業(yè)含H2S腐蝕環(huán)境的材料規(guī)范》要求。

以上結(jié)果表明，此鎳基合金復(fù)合厚壁管焊接接頭具有良好的力學(xué)性能。

4.3 耐腐蝕性能分析

根據(jù)ASTM G48：2011《使用三氯化鐵溶液做不銹鋼及其合金的耐麻點(diǎn)腐蝕和抗裂口腐蝕性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法》中方法 A要求，對(duì)復(fù)合管堆焊層的焊接接頭進(jìn)行取樣，先在60℃的20%HNO3+5%HF溶液中酸洗5min，干燥稱重，放置于90g FeCl3·6H2O +900mL去離子水中，保溫40℃，浸泡24h后，對(duì)失重率進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果見表8。由表8可知，所有試樣的失重率均＜4g/m2，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。所有試樣在20倍放大鏡下觀察，表面無(wú)可見明顯腐蝕點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合管堆焊層的焊接接頭具有良好的耐腐蝕性能。

表8 點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

1）鎳基合金Inconel 625+ASTM A694 F65復(fù)合厚壁管，采用GTAW+FCAW焊接工藝，可以得到無(wú)缺陷、成形良好的焊接接頭。

2）復(fù)合管焊接接頭力學(xué)性能及耐腐蝕性能良好，能滿足高壓、耐腐蝕環(huán)境的應(yīng)用需求。

3）采用FCAW焊接工藝焊接鎳基合金復(fù)合厚壁管，可顯著提高焊接效率，具有廣泛的應(yīng)用前景。