雙金屬?gòu)?fù)合管焊接技術(shù)分析

李發(fā)根，孟繁印，郭 霖，常澤亮

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710077；

2.中國(guó)石油塔里木油田公司，新疆 庫(kù)爾勒841000；

3.西安向陽(yáng)航天材料股份有限公司，西安710025）

0 前 言

雙金屬?gòu)?fù)合管以其低廉的價(jià)格、較高承壓能力和優(yōu)異耐腐蝕性能，已經(jīng)逐漸得到我國(guó)油氣田領(lǐng)域認(rèn)可，累計(jì)應(yīng)用近2 000 km。用戶涵蓋了中石油、中石化及中海油多家油田單位，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從陸地石油、天然氣管線發(fā)展到海底管線，從注水管線擴(kuò)展到H2S/CO2集輸管網(wǎng)，產(chǎn)品規(guī)格也從中小直徑逐步向大直徑方向發(fā)展。

雙金屬?gòu)?fù)合管結(jié)構(gòu)的特殊性及對(duì)其力學(xué)性能和耐腐蝕性能的雙重要求，使得其焊接不能像普通管道那樣在現(xiàn)場(chǎng)施工，雙金屬?gòu)?fù)合管的焊接往往存在多層焊，焊接接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，焊接問(wèn)題一直是困擾復(fù)合管大規(guī)模應(yīng)用的一道難題。本研究主要圍繞雙金屬?gòu)?fù)合管端面處理、對(duì)接焊接以及相應(yīng)焊接工藝評(píng)定環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有焊接工藝的評(píng)定分析，為雙金屬?gòu)?fù)合管焊接工作提供進(jìn)一步發(fā)展建議。

1 端面處理工藝

目前油氣田應(yīng)用的雙金屬?gòu)?fù)合管主要為機(jī)械結(jié)合類型的產(chǎn)品，這類復(fù)合管端部并非熔合為一體，直接焊接難度較大，而且不利于無(wú)損檢測(cè)，因此需要對(duì)端部進(jìn)行層間密封焊接，然后才可進(jìn)行管間對(duì)接焊接。

當(dāng)前應(yīng)用較多的端面處理方式包括封焊和堆焊2種，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 管端封焊和堆焊結(jié)構(gòu)示意圖

典型的端部封焊是通過(guò)在端部加工坡口，再填充封焊焊縫。不過(guò)封焊后的雙金屬?gòu)?fù)合管現(xiàn)場(chǎng)焊接難度仍然較大，一次拍片合格率較低，而且還對(duì)焊工的焊接技術(shù)要求較高。雙金屬?gòu)?fù)合管基層和襯層材質(zhì)不同，膨脹系數(shù)差別較大，在管口容易產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。而對(duì)管端實(shí)施封焊后，又會(huì)在管端產(chǎn)生焊接應(yīng)力。這兩種應(yīng)力同時(shí)集中在管端封焊位置，容易造成裂紋，影響焊接質(zhì)量。

管端堆焊是通過(guò)在管口內(nèi)堆焊，將復(fù)合管結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的應(yīng)力集中部位和對(duì)接焊縫熔合線部位分開(kāi)，從根本上消除裂紋產(chǎn)生條件。選擇堆焊材料時(shí)，316L內(nèi)襯復(fù)合管選用309MoL，2205雙相不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合管選用Incoloy 825，而Incoloy 825內(nèi)襯復(fù)合管則選用Inconel 625焊材［1］。

目前堆焊技術(shù)還不是很成熟，存在效率低、工作量大、成本較高等缺點(diǎn)。現(xiàn)以 1根標(biāo)準(zhǔn)φ219.1 mm×（14.3+3）mm的X60+316L復(fù)合管為例，分別核算了3種端面工藝的經(jīng)濟(jì)性：①兩端部用309MoL封焊，成本增加可以忽略；②兩端分別堆焊3mm厚、50mm長(zhǎng)的309MoL焊材；③兩端堆焊3 mm厚、50 mm長(zhǎng)的625焊材。端面處理工藝的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比結(jié)果如圖2所示，由圖2可見(jiàn)，堆焊工藝較大程度地增加了成本。

圖2 端面處理工藝經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

因此，尚需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和完善復(fù)合管端面處理技術(shù)，開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的端面處理工藝。

2 對(duì)接焊接工藝

雙金屬?gòu)?fù)合管焊接工藝有2種：一種工藝是整個(gè)焊縫采用合金焊絲，文獻(xiàn)［2-3］分別采用了不銹鋼和鎳基合金焊接工藝應(yīng)用案例；另一種工藝需采用過(guò)渡焊方法，即不銹鋼層焊接采用不銹鋼焊絲，外碳鋼層采用碳鋼焊絲，過(guò)渡層采用高合金焊絲或純鐵焊絲，文獻(xiàn)［4-5］為該焊接工藝應(yīng)用實(shí)例。

采用合金焊絲，焊接過(guò)程中只需采用一種焊接工藝，焊縫質(zhì)量容易保證。在焊材選擇上，E309焊材能夠焊接 X52~X56鋼，焊材E309Mo可以匹配X60~X65鋼的強(qiáng)度，而X65~X70鋼則要用到Inconel 625焊材［6］。但由于經(jīng)濟(jì)性制約，這種工藝對(duì)薄壁小直徑的雙金屬?gòu)?fù)合管對(duì)接焊比較合適。而對(duì)厚壁大直徑的雙金屬?gòu)?fù)合管道，焊縫宜采用過(guò)渡焊方法，焊接過(guò)程需采用多種焊材。

采用過(guò)渡焊焊接方式在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多。通常利用不銹鋼焊絲焊接不銹鋼層和過(guò)渡層，而采用碳鋼焊條焊接基層。這種工藝雖然節(jié)約了不銹鋼焊接材料，降低了成本，但焊接過(guò)程中卻面臨較多問(wèn)題，且焊縫質(zhì)量不易控制和保證［7］。某油田施工現(xiàn)場(chǎng)采用該類焊接工藝的焊接管段環(huán)焊縫無(wú)損檢測(cè)情況見(jiàn)表1。另外，從理論上講，這類焊接工藝也面臨一定的風(fēng)險(xiǎn)。焊接基層時(shí)，需采用碳鋼成分焊接材料在不銹鋼成分過(guò)渡層焊道上焊接，碳鋼金屬被不銹鋼母材稀釋后形成中合金鋼焊縫金屬。在焊接快速冷卻條件下容易形成高硬度馬氏體組織，進(jìn)而影響焊接接頭的塑性和韌性，嚴(yán)重時(shí)還可能產(chǎn)生冷裂紋，這就給管道安全運(yùn)行埋下了隱患。筆者曾對(duì)該類工藝焊接后的失效試樣進(jìn)行了解剖，該失效試樣的照片如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，失效試樣的焊接接頭中有微裂紋，而且填充及蓋面層發(fā)現(xiàn)馬氏體組織，硬度高達(dá)400HV10。

表1 雙金屬?gòu)?fù)合管環(huán)焊縫無(wú)損檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖3 失效試樣焊接接頭裂紋缺陷及金相組織

針對(duì)上述情況，文獻(xiàn)［8］提出了一種純鐵過(guò)渡的過(guò)渡焊焊接工藝，通過(guò)在不銹鋼過(guò)渡層之后、基層焊接之前，增加一層微碳純鐵焊材焊接的焊縫金屬，將不銹鋼與碳鋼隔離開(kāi)，隨后基層焊接采用與基層母材強(qiáng)度匹配的碳鋼焊接材料。這樣，在不銹鋼過(guò)渡層之后沒(méi)有過(guò)渡區(qū)，質(zhì)量容易保證，但該工藝目前還缺乏應(yīng)用案例，應(yīng)用效果尚待進(jìn)一步考證。

總之，對(duì)于薄壁小直徑雙金屬?gòu)?fù)合管，焊接工藝宜采用合金焊絲，焊接質(zhì)量容易保證；對(duì)于厚壁大直徑雙金屬?gòu)?fù)合管，焊接工藝宜采用過(guò)渡焊方法，但該工藝還不夠成熟，有待進(jìn)一步地開(kāi)發(fā)與完善。

3 焊接工藝評(píng)定

關(guān)于雙金屬?gòu)?fù)合管產(chǎn)品質(zhì)量控制，目前國(guó)際上已經(jīng)形成了API 5LD［9］規(guī)范。該規(guī)范明確要求復(fù)合管進(jìn)行管端封焊，并規(guī)定了檢測(cè)方法。另外，規(guī)范也指出可以使用堆焊方式進(jìn)行管端處理，不過(guò)檢測(cè)要求規(guī)定不夠明確。

對(duì)于雙金屬?gòu)?fù)合管對(duì)接焊接工藝評(píng)定問(wèn)題，API 5LD規(guī)范同樣缺乏明確指導(dǎo)方法。傳統(tǒng)管道焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4103［10］，評(píng)價(jià)對(duì)象只是針對(duì)單一碳鋼管或不銹鋼管，而復(fù)合板焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13148［11］也只能評(píng)價(jià)復(fù)合板產(chǎn)品，并不適用于雙金屬?gòu)?fù)合管焊接工藝評(píng)定，而且還缺少焊接接頭耐蝕性能評(píng)價(jià)要求。

綜合來(lái)看，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還只是在雙金屬?gòu)?fù)合管封焊工藝上有明確評(píng)定方法，對(duì)于堆焊工藝及對(duì)接焊接工藝評(píng)定還缺乏針對(duì)性評(píng)定措施。因此，當(dāng)前工作主要是結(jié)合雙金屬?gòu)?fù)合管特性，圍繞焊接接頭力學(xué)性能和耐蝕性能等要求，盡快形成有效評(píng)定方法，打破目前無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依的局面。

4 結(jié) 論

（1）端部封焊經(jīng)濟(jì)，但不易焊接；而堆焊工藝相當(dāng)容易焊接，但經(jīng)濟(jì)性不足。

（2）對(duì)于薄壁小直徑雙金屬?gòu)?fù)合管的焊接，宜采用合金焊絲工藝，焊接質(zhì)量容易保證；對(duì)于厚壁大直徑雙金屬?gòu)?fù)合管，對(duì)接焊接工藝宜采用過(guò)渡焊方法。

（3）現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)只是對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管封焊工藝上有明確評(píng)定方法，對(duì)于堆焊工藝及對(duì)接焊接工藝評(píng)定還缺乏針對(duì)性評(píng)定措施。

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［5］孫樹(shù)山，楊利娜，秦増偉，等.L245NB+316L小管徑復(fù)合鋼管焊接工藝研究［J］.金屬加工（熱加工），2009（14）：43-45.

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［8］李為衛(wèi)，劉亞旭，許曉鋒，等.一種雙金屬?gòu)?fù)合管環(huán)焊縫焊接方法：中國(guó)，201310202717.X［P］.2013-10-02.

［9］API 5LD—2009，內(nèi)覆或襯里耐腐蝕合金復(fù)合管道鋼規(guī)范［S］．

［10］SY/T 4103—2006，鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收［S］．

［11］GB/T 13148—2008，不銹鋼復(fù)合鋼板焊接技術(shù)要求［S］．