DNV450管內(nèi)壁復(fù)合625合金對(duì)接焊工藝及控制要點(diǎn)

周 彬，張建歡

(珠海巨濤海洋石油服務(wù)有限公司，廣東 珠海 519050)

0 前言

在海底油氣生產(chǎn)系統(tǒng)中，基于流體操作溫度、腐蝕介質(zhì)含量和工程成本等因素的考慮，在碳鋼管線、管件和閥門內(nèi)壁廣泛采用復(fù)合625合金復(fù)合材料。通過(guò)在油氣輸送部件內(nèi)壁堆焊3 mm的耐腐蝕性合金材料，可以有效防止腐蝕性介質(zhì)如H2S等對(duì)管線等生產(chǎn)系統(tǒng)的破壞，延長(zhǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的服役時(shí)間。同時(shí)，合金層厚僅3 mm，較之整個(gè)管線使用合金材料，材料成本也下降很多。但由于是在管內(nèi)壁堆焊625合金，在管管對(duì)接接頭焊接時(shí)很難從管內(nèi)部施焊，在坡口側(cè)焊接的時(shí)候，由于基材、復(fù)合層與焊縫材料的成分及性能差別較大，如何有效保證復(fù)合層的耐腐蝕性能和基材的力學(xué)性能是焊接過(guò)程中始終要考慮的問(wèn)題。通過(guò)分析油氣輸送管線DNV 450內(nèi)壁復(fù)合3 mm厚625合金對(duì)接接頭，按照《DNV－OS－F101:海底管線系統(tǒng)》附錄C要求的各項(xiàng)理化試驗(yàn)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，探討了DNV450內(nèi)壁復(fù)合625合金對(duì)接接頭焊接過(guò)程中的注意事項(xiàng)和焊接工藝性能。

1 材料及焊接性分析［1］

母材使用DNV－OS－F101:DNV 450管線鋼內(nèi)壁復(fù)合625合金，焊材選用AWS A5.14 ERNi-CrMo－3和 AWS A5.11 ENiCrMo－3。采用 GTAW進(jìn)行封底和熱焊道的焊接，SMAW進(jìn)行填充和蓋面焊。基材、焊材及復(fù)合層材料的化學(xué)成分如表1、表2所示。根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的冷裂紋敏感指數(shù)(Pcm)公式和碳當(dāng)量(CE)公式:

Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

表1 管基體化學(xué)成分%

表2 復(fù)合層及焊材化學(xué)成分%

得出基材的碳當(dāng)量和冷裂紋敏感指數(shù)分別為0.365和0.19，基材碳鋼的可焊性良好。基材和焊材的力學(xué)性能如表3所示。

表3 基材和焊材力學(xué)性能

在焊接接頭的根部，由于復(fù)層與基體金屬在成分和性能上差異明顯，所以在只能從外側(cè)施焊的情況下，為了保證接頭的力學(xué)性能、復(fù)層材料的耐腐蝕性能以及防止因化學(xué)成分與冶金模式差異導(dǎo)致的異種金屬連接處出現(xiàn)裂紋，全部使用625合金焊材來(lái)進(jìn)行焊接。

2 焊接工藝

2.1 接頭設(shè)計(jì)

管線焊接使用60°單邊V型坡口，氬弧焊封底焊接三層后改用焊條電弧焊。氬弧焊實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，不允許背部清根或在根部進(jìn)行補(bǔ)焊和無(wú)絲熔焊。接頭要求如圖1所示。

圖1 焊接接頭準(zhǔn)備要求

2.2 焊接順序

(1)焊前清理。用丙酮清洗內(nèi)壁復(fù)合層和焊絲。使用砂輪片或鋼絲刷打磨外壁碳鋼，去除油污、銹跡等影響焊接質(zhì)量的污物。

(2)組對(duì)焊接。使用定位塊進(jìn)行組對(duì)點(diǎn)焊，嚴(yán)格禁止在根部焊道位置點(diǎn)焊。定位塊焊接示意如圖2所示。定位塊約長(zhǎng)15～30 mm，可根據(jù)待焊管徑的大小布置不同的數(shù)量。隨著封底焊道的進(jìn)行，不斷打磨去掉定位塊。

圖2 定位塊點(diǎn)焊示意

(3)管內(nèi)進(jìn)行封堵通入氬氣(純度99.99%)，同時(shí)用鋁箔膠帶封堵坡口外側(cè)，待氧氣含量下降到1 000×10－6以下開(kāi)始封底焊接。

(4)背部?jī)艋瘹怏w要保持至完成6 mm焊縫金屬厚度才能停止通氣。

(5)停止通氣后開(kāi)始用手工焊條焊接至蓋面完成。

(6)焊接過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)測(cè)層間溫度。層間溫度不得高于150℃。

2.3 焊接參數(shù)

試件焊接在6G位置進(jìn)行，焊接過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)如表4所示。

3 焊接工藝評(píng)定理化性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，力學(xué)性能試驗(yàn)主要進(jìn)行焊縫橫向拉伸、全焊縫拉伸，彎曲，夏比沖擊和硬度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表5、表6所示。

3.2 化學(xué)元素分析

為了確保根部焊縫的耐蝕性能，對(duì)根部焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，如表7所示。C、Fe元素和 Ni元素與焊絲相比有一定程度的變化，主要是由于復(fù)合層、基材和焊材之間化學(xué)成分的差異導(dǎo)致焊接過(guò)程中的元素稀釋引起，合金元素實(shí)測(cè)成分符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

中國(guó)城鎮(zhèn)化過(guò)程的迅速推進(jìn)促進(jìn)了能源消費(fèi)的增長(zhǎng)和模式的轉(zhuǎn)化，城鎮(zhèn)居民生活能源消費(fèi)問(wèn)題也成為中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程中面臨的重要問(wèn)題。自2001年起，中國(guó)以用電為主導(dǎo)的生活能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)正式替代了以煤炭為主導(dǎo)的生活能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。電力因其直接使用便捷、價(jià)格經(jīng)濟(jì)和清潔衛(wèi)生等特點(diǎn)，得到了國(guó)家政策的支持，成為城鎮(zhèn)居民生活能源首選。［1］據(jù)《2017—2018年度全國(guó)電力供需形勢(shì)分析預(yù)測(cè)報(bào)告》，隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化率以及居民電氣化水平逐步提高，居民家庭用電量也在穩(wěn)步增加，2017年，中國(guó)居民生活用電量較2016年增長(zhǎng)了7.8%，城鎮(zhèn)居民人均生活用電量以5%左右的速度增長(zhǎng)。［2-3］

表4 焊接參數(shù)

表5 焊縫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表6 硬度、沖擊韌性及彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表7 根部焊道化學(xué)成分 %

3.3 腐蝕性能

根據(jù)ASTM G48方法A的要求，對(duì)以根部焊縫為中心從復(fù)合層表面下取厚度大于1.5 mm的試樣進(jìn)行點(diǎn)腐蝕測(cè)試。試樣尺寸60.05 mm×20.04 mm×1.81 mm，在50℃溫度下用6%的FeCl3溶液浸泡24 h。腐蝕后試樣在20倍放大下觀察無(wú)任何可見(jiàn)點(diǎn)蝕坑，質(zhì)量損失率 0.4g/m2·d－1，符合設(shè)計(jì)要求。

3.4 微觀組織

根部焊道微觀組織如圖3所示。根部焊道為分散的全枝狀?yuàn)W氏體(奧氏體的定義在鎳基合金中不同于鐵基材料，在此是指具有面心立方結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu))組織，沒(méi)有產(chǎn)生有害的金屬間化合物、邊界碳化物。

圖3 根部焊道中心微觀組織(500×)

4 焊接過(guò)程控制要點(diǎn)

4.1 焊條操作技巧

鎳基合金焊縫金屬無(wú)法像碳鋼一樣容易流動(dòng)鋪展，所以手工焊條焊接過(guò)程中對(duì)焊工的操作要求相應(yīng)提高。實(shí)際操作過(guò)程中，全位置焊接時(shí)不同廠家生產(chǎn)的焊條有很大區(qū)別。為了能夠達(dá)到良好的成型，在焊接時(shí)要特別注意幾點(diǎn):(1)盡可能低壓低電弧，這樣才能更好地控制熔池;(2)嚴(yán)格控制擺動(dòng)寬度，尤其是在立焊和仰焊位置，擺動(dòng)寬度不要超過(guò)焊條直徑的三倍;(3)熄弧時(shí)首先壓縮電弧，然后提高行進(jìn)速度減小熔池來(lái)避免熄弧造成的缺陷。

4.2 材料存儲(chǔ)與加工

由于不同基體金屬材料之間理化性能的巨大差異，鎳基材料復(fù)合層在使用過(guò)程中主要起耐腐蝕的作用，所以在加工和存儲(chǔ)過(guò)程中要始終注意保護(hù)內(nèi)壁復(fù)合層材料。坡口制備采用機(jī)械加工方式制備，而由于625合金與碳鋼力學(xué)性能的差異，加工過(guò)程中的刀具使用也要慎重。主要的控制措施如下:

(1)管材存儲(chǔ)過(guò)程中，管兩端要始終用特制的管帽扣住，防止存儲(chǔ)過(guò)程中的污染物、基材碳鋼形成的銹跡進(jìn)入管內(nèi)壁污染復(fù)合層材料。

(2)移動(dòng)管時(shí)，只允許從管外壁進(jìn)行固定或接觸來(lái)進(jìn)行，防止過(guò)程中碰傷內(nèi)壁復(fù)合層和造成污染。

(4)坡口加工時(shí)選用切割鎳基合金的刀頭，防止在坡口加工至復(fù)合層與基材結(jié)合面時(shí)因材料性能的巨大變化對(duì)刀具造成破壞。

(5)機(jī)械加工坡口后對(duì)坡口面進(jìn)行表面無(wú)損檢測(cè)，確保坡口面無(wú)缺陷。

(6)加工好的坡口若不能立即進(jìn)行組對(duì)焊接工作，應(yīng)采取必要的保護(hù)措施防止污染。

4.3 背部焊縫惰化氣體保護(hù)

對(duì)接焊縫焊接時(shí)，在管內(nèi)部充入氬氣進(jìn)行保護(hù)，防止焊接過(guò)程中根部焊道表面形成氧化層、污染物或氣孔。

(1)充氣前要在管內(nèi)隔離出盡量小的惰化氣體空間。這個(gè)空間越小，惰化的時(shí)間越短。但如果使用易燃材料隔離惰化空間，要注意保持與坡口的距離，防止根部焊道焊接時(shí)的電弧將其引燃。

(2)充氣時(shí)可以在充氣管端使用防紊流的裝置來(lái)保證充入氣流均勻穩(wěn)定流出。若直接用管端通入氣體，最好能夠通入氣體約10 min后開(kāi)始焊接。

(3)在充氣過(guò)程中要使用氧含量分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氧含量。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在氧含量小于1 000×10－6時(shí)開(kāi)始焊接，背部焊道成型和顏色較好，尤其是在小于500×10－6時(shí)，根部焊道表面可呈現(xiàn)出銀白色。若在氧含量大于1 000×10－6焊接時(shí)，焊道表面會(huì)呈現(xiàn)出明顯的黑色氧化物。不同氧含量時(shí)根部焊道的成型效果如圖4所示。

(4)在完成根部焊道后，仍要繼續(xù)通入惰化氣體，最好是在焊完三層或6 mm熔敷金屬后停止通入氣體，否則根部焊道仍會(huì)氧化變色。

4.4 內(nèi)壁錯(cuò)邊的處理

圖4 氧含量對(duì)根部焊道成型和外觀的影響

管組對(duì)過(guò)程中，由于管自身的橢圓度和厚度差異，組對(duì)時(shí)難免會(huì)產(chǎn)生內(nèi)壁錯(cuò)邊。若內(nèi)壁錯(cuò)邊量大于1 mm，一方面可能會(huì)在局部區(qū)域減小復(fù)合層的有效厚度，另一方面對(duì)根部焊道的焊接操作和成型也會(huì)造成嚴(yán)重影響。為了降低錯(cuò)邊的影響，采取在錯(cuò)邊處堆焊減少錯(cuò)邊量的方法，同時(shí)在做根部點(diǎn)蝕測(cè)試時(shí)在堆焊處取試樣進(jìn)行耐蝕評(píng)定，補(bǔ)焊如圖5所示。注意補(bǔ)焊后的坡口要打磨至適合焊接的形狀。

圖5 內(nèi)壁錯(cuò)邊過(guò)大的補(bǔ)焊處理示意

5 結(jié)論

(1)在625合金復(fù)合管對(duì)接焊時(shí)，選用625合金焊材來(lái)填充整個(gè)焊縫可以有效滿足接頭的各項(xiàng)力學(xué)性能和耐腐蝕性能要求。

(2)復(fù)合管根部焊道的成型和氧化程度與管內(nèi)惰化氣體氧含量密切相關(guān)，以含氧量1 000×10－6為界，隨著氧含量升高了成型和氧化程度急劇惡化。

(3)對(duì)于復(fù)合管內(nèi)壁錯(cuò)邊嚴(yán)重的焊口，通過(guò)在錯(cuò)邊處補(bǔ)焊不但可以改善錯(cuò)邊量，還能保證補(bǔ)焊處的耐腐蝕性能。

［1］John N Dupont，John C Lippold，Samuel D Kiser.Welding Metallurgy and Weldability of Nickel－Base Alloys［M］.Hoboken，New Jersey:John Wiley ＆ Sons，Inc.，2009.