20+Inconel625復(fù)合管焊接工藝研究

譚芳銘 姜?dú)g歡 湯海東 王紹智

在油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，集輸管線、污水管線、注水管線內(nèi)部腐蝕嚴(yán)重，使用壽命較短，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。為了提高管線的耐腐蝕性能，采用在管線管端堆焊一層Inconel625鎳基合金，可以大大提高對(duì)接焊縫金屬的抗硫元素腐蝕性能。我公司承攬的陳氣33-18井注水管線更換工程中采用了φ114mm×11mm、材質(zhì)為20鋼。該管線管端內(nèi)壁堆焊長(zhǎng)80~100mm、厚度2mm的Inconel625鎳基耐蝕合金層，如圖1所示。針對(duì)該復(fù)合鋼管，進(jìn)行了管對(duì)接焊縫的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，結(jié)果表明該復(fù)合管焊接接頭具有良好的性能，在實(shí)際生產(chǎn)中獲得了滿意的焊接質(zhì)量。

1. 20 +Inconel625復(fù)合鋼焊接性

圖1 20+Inconel625復(fù)合管

20 +Inconel625復(fù)合鋼管基層材料為20鋼，該材料具有良好的塑性和較高的強(qiáng)度，焊接性良好，基層的主要作用是承受介質(zhì)的壓力。覆層為2mm厚的Inconel625合金，該材料是一種Ni-Cr-Mo合金，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。Inconel625鎳合金與20鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1和表2所示。

從表1可看出，Inconel625合金與20鋼的化學(xué)成分差別很大，在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生合金元素的稀釋，造成覆層含碳量的增加。為解決合金成分的稀釋問(wèn)題，應(yīng)盡量使用合金元素含量高的焊接材料，同時(shí)使用小電流、快速焊的施工工藝，獲得淺熔深，避免合金元素稀釋。

Inconel625合金焊接時(shí)，由于硫、磷或低熔點(diǎn)金屬等雜質(zhì)在焊縫金屬中偏析，形成低熔點(diǎn)共晶物，在焊縫結(jié)晶時(shí)這些低熔點(diǎn)共晶物在晶界間形成一層液態(tài)薄膜，在焊接應(yīng)力的作用下容易形成高溫低塑性裂紋。另外由于鎳合金的導(dǎo)熱性差，熱量不易散出，造成晶粒粗大，使晶間夾層增厚，減弱了晶間的結(jié)合力，也容易促進(jìn)熱裂紋的產(chǎn)生。

表1 Inconel625合金與20鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 Inconel625合金與20鋼的力學(xué)性能

Inconel625合金容易氧化，特別是形成難熔的Cr氧化物，會(huì)使液態(tài)焊縫金屬的流動(dòng)性變差，焊縫成形差，降低焊接接頭的使用性能，因此在焊接覆層時(shí)一定要做好正面和背面的雙重充氬保護(hù)。

由于Inconel625合金的固相與液相溫度間距小，液態(tài)焊縫金屬流動(dòng)性差，熔敷金屬在冷卻過(guò)程中，氣體在熔敷金屬中的溶解度也隨之下降，游離出來(lái)的氣體在流動(dòng)性差的焊縫金屬凝固前未完全逸出而形成氣孔，氣孔的部位往往在熔合線附近。

2. 焊接工藝的選擇

（1）焊接方法與焊接材料 由于Inconel625合金導(dǎo)熱系數(shù)小，同時(shí)熔池流動(dòng)性差，因此在復(fù)合管覆層和過(guò)渡層焊接中，采用了熱輸入量小且焊接質(zhì)量高的鎢極氬弧焊焊接方法，特別適合高鎳合金的焊接。由于基層為常見(jiàn)的20鋼，焊接工藝也十分成熟，一般采用焊條電弧焊，該方法焊接質(zhì)量穩(wěn)定、效率高。

覆層Inconel625的焊材，選用與其合金系統(tǒng)相似的ERNiCrMo—3鎳基焊絲。過(guò)渡層的焊材選用超低碳不銹鋼焊絲ER309LMo，可減少通過(guò)焊接材料向覆層過(guò)渡碳元素。基層的焊材選用低氫型焊條E4315（J427），可以保證焊縫金屬的強(qiáng)度和很好的塑性和韌性。

（2）坡口設(shè)計(jì)、加工及組對(duì) 選擇的坡口形式、組對(duì)尺寸、焊層布置及順序如圖2所示。

坡口采用車床進(jìn)行加工，加工時(shí)應(yīng)注意不要傷及覆層材料，正式組對(duì)焊接前應(yīng)用角向磨光機(jī)對(duì)覆層進(jìn)行整形打磨，并去除坡口兩側(cè)25mm內(nèi)的鐵銹、油脂、油漆、砂粒、水分和污物等。

（3）保護(hù)氣體 為防止覆層焊接時(shí)焊縫背面氧化，焊接時(shí)需要在管內(nèi)注入純度為99.99%的氬氣。方法是先將復(fù)合管兩端用錫紙膠帶密封，由復(fù)合管的一端注入氬氣，復(fù)合管另一端封口處設(shè)置一個(gè)φ3～φ5mm的排氣孔，用于排出焊接前管內(nèi)的空氣，同時(shí)防止收弧時(shí)管內(nèi)氬氣壓力過(guò)大，造成接頭收弧困難，產(chǎn)生凹坑等缺陷。另外，為了防止焊縫處氬氣大量排放，事先可用錫紙膠帶密封坡口，僅留出焊工一次連續(xù)焊接的長(zhǎng)度，待焊完該段后，撕開(kāi)相同長(zhǎng)度的膠帶，然后再施焊，依次類推，直至焊接完成為止，這樣可保證內(nèi)部氬氣壓力和純度，防止內(nèi)部焊縫氧化。充氬裝置如圖3所示。

（4）焊接參數(shù)的選擇 為了滿足焊接施工的質(zhì)量要求，獲得成形良好、性能優(yōu)良的焊接接頭，必須采用合適的焊接參數(shù)。具體焊接參數(shù)如表3所示。

（5）焊接工藝要點(diǎn) 為了保證焊接質(zhì)量，除了要選擇合適的焊接材料外，嚴(yán)格的焊接工藝是控制復(fù)合管焊接接頭質(zhì)量的關(guān)鍵。

在試驗(yàn)過(guò)程中，要注意以下幾點(diǎn)：

第一，由于鉛、硫、磷和某些低熔點(diǎn)元素能增加Inconel625焊接熱裂紋傾向，所以焊接前必須嚴(yán)格清理坡口兩側(cè)各25mm內(nèi)的油、漆、銹、垢及毛刺等雜質(zhì)。焊絲應(yīng)用酒精或丙酮擦拭，保證清潔。

圖2

圖3 充氬裝置示意

表3 焊接參數(shù)

第二，覆層的焊接質(zhì)量要求高，如果覆層出現(xiàn)焊接問(wèn)題，返修時(shí)會(huì)十分困難。為了保證覆層的質(zhì)量，采用焊接質(zhì)量高的鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接。焊接由下向上，注意觀察熔池形狀和溫度，保證內(nèi)部焊縫成形。為減少熱裂紋，在保證焊接質(zhì)量的前提下，盡量采用小熱輸入，電流一般控制在90~120A。焊完一段焊縫后，用手電筒觀察根部焊縫表面顏色，若呈灰色或黑色，說(shuō)明根部氧化，應(yīng)檢查充氬裝置密封性是否良好及調(diào)整焊接參數(shù)。覆層的焊接如圖4所示。

第三，過(guò)渡層是復(fù)合管熔敷金屬合金成分最為復(fù)雜的焊層，如果焊接參數(shù)選擇不當(dāng)，容易造成熔敷金屬合金濃度梯度過(guò)大，從而影響接頭的防腐性能。為防止過(guò)多的碳進(jìn)入到覆層，焊接過(guò)渡層時(shí)要采用小電流、快速焊的方法，以利于減少熔深，使基層和覆層的交界處有一定的鐵素體組織，提高焊接接頭的抗裂性能和耐蝕性能。

3. 焊接試驗(yàn)

（1）無(wú)損探傷 焊縫外觀檢查合格后，依據(jù)JB/T4730.2—2005標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)復(fù)合鋼管對(duì)接焊縫進(jìn)行X射線探傷，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中I級(jí)要求。

圖4 覆層焊接

（2）力學(xué)性能試驗(yàn) 根據(jù)NB/T47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》附錄C復(fù)合金屬材料焊接工藝評(píng)定的要求，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸、彎曲、低溫沖擊試驗(yàn)。

拉伸試驗(yàn)：取2塊試樣進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，焊接接頭的力學(xué)性能良好，抗拉強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

彎曲試驗(yàn)：取4塊試樣進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。焊接接頭沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，試驗(yàn)結(jié)果合格。

沖擊試驗(yàn)：復(fù)合管焊接接頭按標(biāo)準(zhǔn)要求取樣，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明，焊縫中心是焊接接頭沖擊性能較低的部位，但是滿足標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊吸收能量平均值≥24J，焊縫及熱影響區(qū)沖擊韌度均保持在較高水平。

4. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)20+Inconel625復(fù)合管進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，制定了相應(yīng)的焊接工藝評(píng)定報(bào)告，形成了一套合理的焊接工藝，并利用其指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)焊接，焊縫一次合格率達(dá)98%，焊接質(zhì)量得到了良好的控制，同時(shí)為我公司復(fù)合管的焊接積累了一定經(jīng)驗(yàn)。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表6 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

[1] 呂志軍，陸傳航，王體剛，等. Inconel625合金+低溫碳鋼的焊接工藝研究[J].中國(guó)造船，2011，52（2）：258-263.