海底輸氣復合管道焊接工藝

海底輸氣復合管道焊接工藝

蘆紅威，王喆

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300461)

摘要：針對焊接時管線的焊縫和熱影響區的化學成分不均勻性、組織偏析等缺陷，制定相應的試驗方案。開發出新的焊接工藝，運用MIG焊接方法、選取相應的焊絲和混合氣體作為保護氣體，確定最佳焊接參數。焊接接頭的焊接工藝評定試驗表明，以此工藝完成的復合管道焊接符合海底輸氣管道的理化及機械性能要求。

關鍵詞：復合管道；焊接工藝；焊縫性能

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.022

中圖分類號：U671.8;P755.1

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0075-05

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：第一蘆紅威 (1975-)，男，碩士,工程師

Abstract:Aimming at the welding defects of tissue segregation and uneven chemical composition of the welding and heat affected zone for the submarine gas pipeline, the corresponding test plan is formulated. According to the welding difficulty of the mechanical clad pipe, the new welding process is developed, in which the MIG welding method is applied, selecting Incoloy625 nickel base welding wire, using the Ar+20%He mixed gas as a protective gas. The optimal welding parameters are determined. The welding procedure qualification test of the composite pipe welding joint showed that the welding can meet the requirements of physical and chemical properties and mechanical properties of the submarine gas pipeline.

修回日期：2015-09-01

研究方向:載運工具

E-mail:luhw@cnooc.com.cn

海底輸氣復合管道的焊接對管道的安全性具有決定性作用。由于焊接時管線鋼經歷著一系列復雜的非平衡的物理化學過程，焊縫和熱影響區的化學成分不均勻性、組織偏析等缺陷，使焊接接頭處的腐蝕抗力較低，從而造成管線焊接后焊接部位不能滿足海底輸氣管道的鋪設及日常生產需求，因此亟待采用更為優化的焊接工藝來改善目前海底復合輸氣管道的不安全狀況。

斷裂、磨損與腐蝕是金屬構件失效的三種主要方式，在石油管道中每年由于腐蝕造成的經濟損失十分巨大[1]。在很低的海水溫度下(如低于0 ℃)，深水管線幾乎不會發生外部腐蝕，但是輸送氣體中含有大量的CO2、H2S、H2O等對管道的內壁產生嚴重的腐蝕[2-8]。為了減少這種由于腐蝕造成的巨大經濟損失，增加管道壁厚是簡單可行的方法，然而增加管道壁厚卻大大增加了管線造價。

因此，采用復合技術將耐腐蝕性好的不銹鋼復合在鋼管的內壁，在腐蝕環境條件下，輸氣管道內壁具有不銹鋼的耐腐蝕性能，又擁有外層碳鋼的剛度和強度，因而其應用前景、經濟價值和潛在市場十分廣闊。隨著石油、化工等行業的不斷發展，對不銹鋼復合管的需求量不斷增加，使用范圍不斷擴大。生產不銹鋼復合管的專利技術，于80年代中期開發出來以后，在歐美、日本、韓國等發達國家已經開始廣泛利用，目前世界上生產不銹鋼復合管技術已經成熟。我國于90年代初期引進國外不銹鋼復合管生產技術，并開始在國內以代替純不銹鋼結構管為目標推廣使用[9]。

1焊絲材料選擇

選擇焊絲，不但要考慮焊接形式對焊接材料的要求，更重要的是要考慮焊絲熔融后和管材母體材料的熔合后的內部晶像組織結構，從而顯現出最終需要的焊道的機械性能。尤其對于復合管道而言，又要同時考慮焊絲與兩種不同機體的管材焊接后的焊道機械性能，焊絲的選擇則顯得尤為重要。X65鋼管材料，內襯316L鋼，以及Incoloy625焊絲的化學成分檢驗結果及比較見表1～4。

表1　X65鋼管化學成分(質量分數)　%

表2　316L內襯管化學成分(質量分數)　%

表3　Incoloy625焊絲化學成分(質量分數)　%

從表1～4可以看出：

1)Incoloy 625合金與X65鋼的化學成分差別很大。在焊接時，合理選擇兩種合金過渡層的焊接材料非常重要。考慮到合金成分的稀釋問題，應盡量使用合金成分含量高的焊接材料，同時應盡量使用淺熔深的焊接方法和操作要領，避免合金的進一步稀釋。

表4　Incoloy625焊絲與X65物理性能比較

2)S和Si等雜質在Incoloy 625合金的焊縫金屬中容易偏析。S和Ni形成Ni-NiS低熔點共晶，在焊縫金屬凝固過程中，這種低熔點共晶在晶間形成一層液態薄膜，在焊接應力的作用下可能形成晶間裂紋。焊接過程中Si和O等形成復雜的硅酸鹽，在晶界形成一層脆的硅酸鹽薄膜，在焊縫金屬凝固過程中或凝固后的高溫區，形成高溫低塑性裂紋。

3)Incoloy625合金與X65級鋼在力學性能和物理性能上存在著較大的差異。導熱率不同，會改變焊接時的溫度場分布，從而改變焊縫的結晶條件。導熱率大的金屬首先冷卻、結晶，造成焊縫成分和組織的不均勻性；導熱性差，焊接熱量不易通過傳導而散出，焊接熔池容易過熱，造成室溫顯微組織晶粒粗大，使晶間夾層增厚，減弱了晶間結合力，延長了焊縫金屬的凝固時間，助長了熱裂紋的形成。Incoloy 625合金與X65級鋼的導熱率有7倍以上的差別，從而使得這種趨勢變得更加明顯。

4)Incoloy625合金與X65級鋼的線膨脹系數不同。焊接時由于焊接熱循環的作用，在這兩種合金內部產生交變的加熱和冷卻，加之這兩種合金熱膨脹的量和冷卻時收縮的量差別較大，會在接頭處產生較大的焊接殘余應力。

5)Incoloy625合金與X65級鋼的磁性不同，一種無磁性，一種有磁性。在焊接時，由于兩種材料的磁性不同，容易造成電弧磁偏吹，從而使焊縫成形變差，甚至會造成焊縫夾渣、未熔合等焊接缺陷，影響焊接質量。

6)對于Incoloy 625合金及其他的奧氏體不銹鋼來說，在450～850 ℃高溫持續服役的過程中存在發生晶間腐蝕的可能性，所以應將焊接時的層間溫度控制在合理范圍以內，減少t8/5的時間(800 ℃-500 ℃冷卻需要的時間)，減少影響焊接接頭性能的因素。而對于X65級鋼而言，過快的冷卻速度容易產生脆硬性組織，在焊接接頭過熱區的局部產生魏氏組織，對接頭的力學性能不利，故焊接時應注意預熱和保持一定的層間溫度。

7)焊接復合鋼管與焊接復合鋼板的不同之處就是受管徑的限制。焊接復合鋼管時，只能先焊覆層，再焊過渡層，后焊基層。在焊接過程中，應采取有效的保護措施和焊接技術，以防止覆層金屬根焊焊縫的合金元素被燒損和氧化;同時需要合理的焊接操作技術，焊接過程盡量采用淺熔深，避免合金被過渡稀釋，影響焊縫的使用性能。

2端口焊接要求

液壓脹管技術生產的復合管中，不銹鋼內壁與外部碳鋼管壁的結合力較低，在焊接過程中，焊接高溫作用下，熱脹冷縮造成復合管壁的結合界面處分離。為了保證管道焊接處的耐蝕性能，在管道端口處首先進行堆焊，技術及工藝要求見圖1、2。堆焊長度大于10 mm，堆焊層厚度大于3.5 mm。

圖1　合管端口堆焊技術要求

圖2　端口焊接工藝要求

根焊工作是復合管焊接的核心技術，由于襯管壁厚薄，在液壓脹管過程中，橢圓度控制難度大，在對口焊接時，尤其要注意錯邊量的控制，焊接時必須保證不銹鋼層的良好熔合。在端口焊接前需要對端口進行矯形，保證端口的圓度。

端口堆焊完畢后，對端口表面進行切削，使表面堆焊層表面光滑。

準備工作中應重視制定合理的焊接工藝。

3焊接工藝制定

選用MIG焊接。選用Incoloy625鎳基焊絲，焊絲直徑1.2 mm。

一般而言，為提高焊縫的耐腐蝕性能，根據YB/T5092-1996《焊接用不銹鋼絲》的規定，選用H0Cr26Ni21焊絲，Cr含量為25%～28%，Ni含量為20.0%～22.5%，基本滿足不銹鋼焊縫的性能要求。但是在焊接復合管時，由于在焊接過程碳鋼母材熔化，對焊縫的化學成分產生較大的稀釋問題，降低了焊縫的耐腐蝕性能。

3．1焊接氣體種類的選擇

1)純Ar氣保護。用純Ar焊接不銹鋼時(包括焊接低碳鋼及低合金鋼)，存在的問題如下。

①液體金屬的粘度及表面張力較大，易產生氣孔。焊縫金屬潤濕性差，易形成咬肉。

②電弧陰極斑點不穩定，產生陰極漂移現象。引起焊縫熔深及焊縫成形的不規則。

用純Ar保護的MIG焊焊接不銹鋼等金屬是不合適的。

2)Ar+1-2%O2混合氣體。通常在Ar中加入一定量的O2，克服陰極漂移現象，加入O2有利于金屬熔滴的細化，降低射流過渡的臨界電流Imin。但加入O2的量不宜太多，否則對不銹鋼的化學性能有影響。一般加入1%～2%即可。對于復合管焊接，由于采用Ni基焊絲，不允許采用Ar+1-2%O2作為保護氣體。

3)Ar+25-20%He混合氣體。采用Ar-He混合氣體。Ar氣電弧穩定而柔和，陰極清理作用好；He氣電弧發熱量大而集中，具有較大的熔深。如果兩者混合使用就可同時具有上述兩者的優點。焊縫金屬潤濕性及焊縫熔深比純Ar按體積分數計算，以氬氣占75%～80% ，氦氣25%～20%比較有效。焊接試驗采用Ar+20%He混合氣體作為保護氣體。

3.2復合管焊接前準備的主要工作

3．2．1坡口形式

以直徑168 mm 管徑為例， 其焊接接頭坡口形式見圖3、4，為V形坡口，間隙2.0 mm，鈍邊1.5 mm，坡口角度70°。

圖3　焊接坡口

圖4　焊接接頭形式

3．2．2焊件及焊絲表面處理

當焊件或焊絲表面存在油污等雜質時，焊接過程中就可能將雜質帶入焊接熔池，從而形成焊接缺陷。焊件或焊絲表面存在較厚的氧化膜時將影響焊縫質量，在焊接鋁合金時這個問題尤其突出，所以焊前需要進行仔細清理。

1)機械清理。打磨、刮削及噴砂等，用于清理焊件表面的污物及氧化膜。

2)化學清理。化學清理方法隨焊件材質的不同而異。焊前用溶劑仔細清理接頭處。

3．2．3焊件組裝定位

采用一種管內用的內撐式工具使管子對中并作為根部焊道的可卸襯墊用，該工具是利用一個伸長的手柄，可以人工使其張開或收縮。使用這種對中工具不需要定位焊。根部焊道第1條焊完之后，立即將對中工具收縮起來，以便用于下一個管子接頭的對中。

焊接時焊接機頭環繞管子回轉，機頭上裝有空冷焊槍及焊絲盤。在靠近管子的上端開始焊接，連續回轉直至焊完所有焊道。根據焊道部位及深度調整焊槍，在焊接過程中有改變焊槍的回轉方向，反轉時不熄弧，以保證適當的熔深、熔合及正確的焊道成形。

3．2．4焊接設備檢查

焊接前調整焊機，保證焊機在正常狀態。

3.3焊接參數的制定

熔化極氬弧焊的焊接參數主要有：焊接電流Ia、電弧電壓Ua、焊接速度vw、焊絲伸出長度la、傾角α、直徑d，保護氣體種類及其流量Q。

3．3．1根據焊件的厚度δ及焊縫熔深H選擇焊接電流Ia及焊絲直徑

根據焊接電流來確定送絲速度，在焊絲直徑一定的情況下，送絲速度增加，焊接電流增加。再根據焊接電流匹配合適的電弧電壓，從而形成合適的熔滴過渡形式及穩定的焊接過程。

3．3．2焊接速度vw

要根據焊縫成形及焊接電流Ia來確定合適的焊接速度。

在焊件厚度、焊接電流及電弧電壓等其他條件確定的情況下，焊接速度增加，焊縫熔深及熔寬均減小；焊縫單位長度上的焊絲熔敷量減小，焊縫余高將減小。焊接速度過高可能產生咬邊，要根據焊縫成形及焊接電流來確定合適的焊接速度。

3．3．3焊絲伸出長度

焊絲的伸出長度增加，其電阻熱Q也將增加，焊絲的熔化速度也將隨之增加。過長的焊絲伸出長度會造成低電弧熱熔敷過多的焊縫金屬，使焊縫成形不良，熔深減小，電弧不穩定。焊絲伸出長度過短，則電弧易燒導電嘴，金屬飛濺易堵塞噴嘴。對于射流過渡形式的焊接，合適的伸出長度為13～25 mm。

3．3．4保護氣體流量Q

熔化極氬弧焊要求保護氣體具有良好的保護效果，如果保護不良，將產生焊接質量問題。保護氣體從噴嘴流出時如果能形成較厚的層流，將有較大的保護范圍及良好的保護作用。但是如果流量過大或過小，就會造成紊流，保護效果不好。

對于一定孔徑的噴嘴，都有一個合適的保護氣體流量范圍。常用的熔化極氬弧焊的噴嘴孔徑為20 mm左右，Q=10-30 L/min。大電流熔化極氬弧焊時，應該用更大直徑的噴嘴，需要更大的保護氣體流量。

3.4焊接條件及工藝參數

接頭形式：對接。坡口形式：V形。

根部間隙：2.0 mm。焊接電源：額定焊接電流為500 A。

夾具：脹開心軸。焊絲：直徑1.2 mm，625。

焊接工藝參數見表5。

表5　焊接工藝參數

4焊接接頭的力學性能測試

4.1拉伸性能試驗

采用(GB 50236-1998.5)《現場設備、工業管道焊接工程施工及驗收規范6標準》進行檢驗，結果見表6。

從表6可以看出，焊接接頭的力學性能達到了技術要求。

4.2抗彎性能試驗

對焊接接頭取樣，加工成厚度為10 mm的板樣，在MTS-880試驗機上進行彎曲實驗，壓頭半徑為10 mm。焊接接頭的彎曲實驗結果見表7，可以看出，焊接接頭的彎曲性能良好，達到了技術要求。

表6　焊接接頭的力學性能

表7　焊接接頭的彎曲檢測結果

4.3沖擊性能試

用線切割切成55 mm×10 mm×10 mm的試樣，制備Sharp沖擊試樣，試樣的切割要求：

進行低溫-20 ℃沖擊試驗，試驗結果見表8。由表8可見，焊縫與母材的沖擊韌性相近，但都達到了技術要求。

表8　低溫沖擊性能

由以上試驗得出以下結果。

1)采用Ar+20%He混合氣體作為保護氣體，可以提高電弧的溫度，改善熔池金屬的流動性，有利于氣泡從熔池金屬中溢出，避免大尺寸氣孔缺陷的形成；同時改善液態金屬的潤濕性能，防止咬邊缺陷，具有良好的焊縫成形特性。

2)焊接接頭的硬度在焊縫中心硬度較高，焊接接頭的硬度變化范圍滿足技術要求。

3)熱影響區的低溫沖擊值較焊縫及母材都要小，而且波動較大。焊接接頭的拉伸力學性能、彎曲性能及低溫沖擊韌性都滿足技術要求。

5結論

海底輸氣復合管道既滿足對于管道強度、韌性的要求，也滿足內壁抗腐蝕性。從長遠來看，復合管道代替單一的管線鋼是未來發展的趨勢，可以大規模推廣。采用不同的抗腐蝕鋼來作為內襯管，焊接工藝的制定對于管道復合至關重要，機械復合相對于冶金復合制作簡單，也可節約成本，合理制定焊接工藝是保證焊接接頭強度、韌性等性能。

參考文獻

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About the Welding Process of the Undersea Gas Lined-Pipe

LU Hong-wei, WANG Zhe

(Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300461, China)

Key words: lined-pipe; welding process; welding property