鎳鐵合金復合管氣體保護焊工藝研究

胡 偉 高永杰

中國石油天然氣第七建設公司 山東膠州 266300

隨著全球能源開采領域向海洋深處或高含H2S CO2 CL-等強腐蝕介質油氣田延伸，應用雙金屬復合管可有效解決單一金屬材料的工程腐蝕問題，發揮其在苛刻腐蝕介質環境下的“安全、經濟”優勢，如我國海洋油氣工程、新疆牙哈氣田工程、迪那氣田工程及四川達州普光氣田工程近年均開始應用鎳合金復合管。雙金屬復合管將在日益成熟的工程材料研發技術下廣泛推廣。研究鎳合金復合管氣體保護焊技術，對提高焊接自動化水平和施工生產效率具有積極意義。

1 材料焊接性

試驗用鎳鐵合金復合管（L360QS+ N08825）規格為273 mm×(7.1+3)mm，基層L360QS 鋼屬低微合金調質抗酸鋼，具有高強度、高韌性、抗脆斷及抗低濃度H2S 腐蝕的能力；內復3mm 厚N08825 合金層采用離心鑄造和擠壓工藝成型，具有優于一般不銹鋼的高溫抗氧化性能和抗腐蝕性能，主要功能是隔離腐蝕介質對管道的破壞，設計安全服役期內保證管道功能的完好性。L360QS+ N08825 冶金復合管理論化學成分見表1，力學性能見表2。

基層L360QS 材料溫度敏感性強，焊接易產生延遲裂紋，焊前預熱、層間溫控、消氫熱處理和消應力熱處理工藝要求嚴格。N08825 屬Ni- Fe- Cr 系耐蝕合金，室溫組織為奧氏體，材料20～100℃線脹系數接近于奧氏體不銹鋼，約是碳鋼的1.2 倍，導熱性較鋼材差（導熱率約為碳鋼的1/ 4、不銹鋼的1/ 2）。因為復合管管徑及構造特殊性的限制，普遍采用單面焊雙面成型的施焊工藝，依次完成耐蝕層、過渡層和基層的焊縫金屬填充。結晶裂紋、合金氧化、過熱區晶粒粗大、晶間腐蝕、點蝕是焊接主要問題，尤其是過渡層的鐵、碳及其他有害元素的擴散，將提高根焊層晶間腐蝕和點蝕幾率，降低焊接接頭有效耐蝕厚度，縮短工程材料安全服役壽命。

2 焊接工藝設計

2.1 焊接方法

表1 L360QS+N08825冶金復合管理論化學成分（質量分數）

表2 L360QS+N08825冶金復合管力學性能

表3 焊接保護氣特性

利用氣體作為電弧介質并保護焊接區域的氣體保護焊具有電弧和熔池可見性好、焊接效率高的優點。雖然鎢極惰性氣體保護焊和熔化極氣體保護焊都能進行薄壁構件的焊接（焊接厚度1mm 材料），但根據復合管施焊次序及鎳合金材料焊接線能量輸入要求，焊接接頭根部及熱焊（過渡）層采用操控簡單、熱輸入小，且高頻引弧及電流衰減收弧技術成熟的鎢極氬弧焊（TIG），以保證焊縫金屬的優良質量和性能；基層坡口的填充及蓋面采用生產效率高的熔化極惰性氣體保護焊（MIG）。

2.2 焊接保護氣

保護氣類型對焊接接頭質量起著關鍵作用。根據材料焊接特點、焊絲種類及焊接電源特性的不同，保護氣劃分為單一組分保護氣和混和保護氣兩類。單一組分保護氣主要包括氦氣、氬氣、二氧化碳，焊接過程發揮惰性或活性的保護作用；混和保護氣是對氬氣、氦氣、氧氣、氫氣、CO2等氣體進行不同摩爾數的組合，焊接過程發揮從屬氣體的活性或還原性作用。各種焊接保護氣特性見表3。

鎳鐵合金材料與奧氏體不銹鋼具有相近的焊接特性，但適合奧氏體不銹鋼焊接用的活性氣體保護焊工藝不能用于鎳鐵合金材料，原因是：氧化性氣體燒損大量合金元素，降低焊接接頭性能；鎳合金熔池的氧化物降低液態金屬的流動性和浸潤性；二氧化碳氣體導致焊縫中碳原子含量增加，生成Cr23C6化合物；高熔點氧化物電位高，易導致原電池反應的點蝕發生；鎳合金液態熔池金屬流動性差，藥芯焊絲適用性差。因此，鎳鐵合金材料不宜采用氧化性氣體作為焊接保護氣。

2.2.1 氬氣

氬氣高溫不發生分解或吸熱物理反應，焊接電弧穩定，弧柱電位梯度低，利于鎳合金焊接采用脈沖弧焊電源。氬氣可有效隔離空氣，保護材料合金元素在焊接高溫下不被氧化或燒損，且促使熔化極氣保焊絲金屬呈穩定的軸向射流方式過渡。氬氣難溶于液態金屬，不產生氣孔缺陷。

2.2.2 氦氣

相同電弧長度下，氦氣的電弧電壓和電弧溫度均高于氬氣，據資料介紹，鎢極氦弧焊速度高于鎢極氬弧焊近兩倍。氦氣密度相對氬氣小，純氦保護氣下的焊接電弧不穩定（不適于脈沖電源），并生成大量飛濺物。利用氦氣可具有提高電弧電壓及高溫收縮的特性，在氬氣中混合10～15%的氦氣制取具有優點共存的惰性保護氣，較好改善液態金屬浸潤性和邊緣熔合不良的狀況，通過降低焊絲直徑或采用脈沖電源，可進一步提高鎳合金焊絲的操控性，但價格昂貴的混氦惰性氣體，需要綜合考慮施工成本及氣體來源的便捷性。

2.2.3 氮氣

來源廣泛且具有惰性氣體特質的氮氣相對氬氣成本更低，其可以作為奧氏體管材焊接背部保護氣。氮會降低Cr 在鋼中的擴散系數，阻礙碳化物形核及長大，從而提高晶界的鉻濃度。采取氮氣背部保護的鎳鐵合金焊接接頭的外觀檢查、RT 檢測、理化試驗及腐蝕試驗結論均能符合設計及規范要求。氧氣密度大于氮氣，水平管道焊口雙點（10 點和2 點）同步排氣法較高點（12點）排氣法更能利用氮氣的物理特性將氧氣置換干凈，垂直管道焊口的背部保護氣則應選擇惰性氣體。

2.2.4 氫氣

氫氣能與熔池中的氧化鎳發生反應：NIO+2H→NI+H2O↑，作為背部保護氣可使根焊道內表面色澤明亮。氫氣具有提高電弧電壓、熱功率及高溫收縮的特性，氬氣中混和2～5%的氫氣可增加焊縫金屬熔深和熔寬尺寸，國內核電工程的鎳合金材料焊接較多應用。氫在面心立方晶格奧氏體鋼的溶解度大于體心立方晶格鐵素體+ 珠光體鋼的溶解度，所以，混氫保護氣僅適用奧氏體材料或鎳鐵合金根焊焊槍保護或根焊背部保護，基層材料焊接嚴禁采用混氫保護氣，避免鐵素體鋼出現氫脆危害。鎳合金由液態向固態轉變過程，H2溶解度大大降低，試驗數據表明，氫氣的存在可抑制CO 氣孔的生成，含量大于5%的混合保護氣容易引起焊縫氣孔。

2.3 焊接材料

根據異種鋼焊接工藝規程及設計文件要求，焊接接頭全部選用熔敷金屬具有優良焊接工藝性和綜合機械性能的ERNi-CrMo- 3 焊絲（化學成分代號NiCr22Mo9Nb）。焊材理論化學成分及力學性能見表4。

表4 ERNiCrMo-3焊絲理論化學成分及力學性能

如果非海洋工程應用，異種鋼焊接接頭的電位差點蝕問題不需考慮。所以氣田工程選擇ERNiCrMo- 3 實心焊絲具有以下優點：

(1) 熔敷金屬塑性良好，可消減鎳鐵復合管基層和復層材料因線脹系數差異而產生的焊接應力；

(2) 鐵、碳元素含量低，可提高復層焊接接頭抗晶間腐蝕和點蝕能力；

(3) 有益合金元素高含量，較好解決基層MIG 焊高熱輸入的合金元素燒損和稀釋問題；

(4) 替代基層材料焊后熱處理方案，避免復層焊縫金屬在低敏化溫度區間晶界析出Cr23C6化合物；

(5) 無需考慮鎳合金高粘度熔池的脫渣問題。

2.4 焊接坡口

鎳合金材料焊接熔深一般只有低碳鋼的50%左右，奧氏體鋼的60%左右，純材管通常采用大角度V 型坡口保證焊縫金屬熔透，而鎳鐵合金復合管焊接關鍵是保證焊接接頭質量，嚴格防止基層鐵碳元素向根焊層金屬擴散，所以設計的J 型坡口根部為鴨舌狀，基層為20°窄V 型結構，無間隙組對。J 型坡口結構及焊接順序見圖1。

圖1 J型坡口結構及焊接順序

精度要求高的復合管J 型坡口可一次機加工成型，通過驗證具有以下優點：底部鴨舌狀結構保證根部焊透且耐蝕層厚度最大化；根焊加強高與鴨舌坡口形成的大夾角結構保證熱焊熔透；過渡層圓弧結構便于根焊操作及根焊縫質量目視檢查；基坡口利于焊縫金屬側熔及減少熔敷金屬填充量；無間隙組對作業效率高，背部保護氣對液態熔池成型影響小。

2.5 焊接參數

鎳鐵合金與奧氏體不銹鋼焊接工藝要求相近，但鎳基合金熔池表現為更差的浸潤性和流動性，熔融金屬馬拉貢尼特性導致的淺熔深還不能通過提高焊接電流的方式改善，因為高熱輸入導致過度偏析、碳化物沉淀或其他有害冶金現象發生，更容易引起熱裂紋或降低耐蝕性。嚴格控制焊接過程的雜質來源，采用“小規范、單道快速焊”的技巧控制焊接層間溫度，防止基層鐵碳元素擴散及合金元素氧化的措施可有效提高焊接接頭質量，杜絕內復層焊接接頭晶間腐蝕和點蝕發生。

表5 焊評試驗標準

3 焊評試驗及缺陷控制

通過大量試件制取、試驗及工藝改進，有效解決鎳基復合管焊接過程中明顯的晶間腐蝕、點蝕、裂紋，氧化及氣孔等問題，按工藝制取的焊評試樣通過設計檢驗標準，焊評試驗標準見表5。

3.1 氣孔

鎳合金在液態下大量溶解氧、氫、CO 等氣體，鎳合金由液態轉變為固態的溶解度下降和熔池速凝是氣孔產生的主要原因。

應對措施：焊前清凈坡口內外兩側50mm 范圍內的油垢、油漆、水分等；焊接環境風速大于2m/ s 時加設防風措施；禁止在濕度大于80%的環境下施焊；溫度低于0℃的母材坡口兩側100mm 區域加熱至15～20℃；氬氣體純度不低于99.99%，含水率小于0.005%；采用聚乙烯塑料管替代橡膠管輸送保護氣。

3.2 未熔合

鎳合金熔池具有“浸潤性差、流動性差、熔深淺”的特點，采用小焊接規范作業易形成熔合不良缺欠。

應對措施：采用脈沖電源增加焊縫熔深及電弧挺度；延長焊縫邊緣電弧停留時間；采用較細焊絲提高焊接操控性；適當增加坡口角度；焊工崗前培訓，提高技能水平。

3.3 結晶裂紋

鎳合金固態為單項奧氏體組織，有害雜質鉛、硫、磷、鋅和某些低熔點元素生成低熔點共晶物，焊縫或熱影響區在焊接應力和溫度作用下導致開裂。應對措施：焊前清除坡口及其附近的油污、油漆等雜質；嚴格控制焊材有害元素含量；嚴格控制焊接現能量及層間溫度；采用小電流快速焊方式減少焊接熱輸入；管道無應力組對；清潔空氣中的金屬粉塵。

3.4 耐蝕失效

根焊縫高電位合金氧化物、沉淀碳化物及熱焊金屬稀釋等因素均導致根焊金屬抗點蝕、晶間腐蝕能力和時效下降。

應對措施：嚴格焊接工藝紀律，杜絕基層鐵碳元素過渡到根焊金屬層；與焊縫接觸的作業工具為奧氏體不銹鋼材質；焊接環境、倉儲環境做好防鐵碳污染措施；機械法清除焊縫層間氧化物及焊槍端部氧化焊絲；采用高純度焊接保護氣，背部保護氣在熱焊后方可停氣；熱焊采用小電流、淺熔深、快速單道焊方式完成；管道內壁錯變量控制在0.25mm 以內；根焊及熱焊盡可能采用熱絲TIG 工藝；控制鎳合金材料及焊材的含碳量；超標根焊縫缺陷采取割口方式返修。

3.5 焊縫氧化

試驗證明，層間溫度大于110℃、保護氣體純度低于99.99%或背氣氧含量超過500ppm，焊縫表面氧化變色或渣化，同時力學性能可能變差。

應對措施:采取提前送氣、滯時停氣的保護措施；焊槍噴嘴后側輔加保護氣體拖罩；采用經驗證的高純度保護氣；控制背部保護氣氧量不大于300ppm；做好施焊環境的防風措施；根焊及熱焊層厚度合計大于6mm，方可撤除背氬保護。

4 結束語

復合管基層和復層材料屬于異種金屬，焊接接頭既要保證內復層焊縫耐蝕性，又要保證基層焊縫力學性能，相比單一材質管線焊接施工難度大的主要原因是我國雙金屬復合管產品應用較晚，施工單位接觸復合管焊接時間短、數量少、經驗缺，導致施工速度慢、焊縫合格率低的問題突出。通過焊接實踐證明，鎳基復合管采用氣保焊工藝具有電弧在保護氣壓縮下熱量集中、影響區窄、焊接效率高、焊接材料節省且利于焊接自動化技術推廣的優點，隨著科學技術的突飛猛進和現代工業的迅速發展，雙金屬復合管將在更多領域得到廣泛應用，氣保焊接技術將不是復合管施工技術發展的瓶頸。

1 SH/ T3611- 2012 酸性環境可燃流體輸送管道焊接規程：8～11.

2 SH/ T3523- 2009 石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金和鎳合金焊接規程：6～8.

3 不銹鋼焊接冶金（德）埃里希。福克哈德：15～30.

4 李超等，鎳及鎳合金耐腐蝕性分析及應用.1003- 3467（2011）14/ 16- 0018- 04.

5 吳偉,陳佩寅,張銳.鎳基焊接材料高溫失塑裂紋的研究現狀及研究趨勢[J].焊接,2005(5):5～8.

6 鄭光明等，國外復合管的制造和施工技術（1）國外油田工程，2001（1）：24～25.