低合金鋼焊材焊接鐵鎳合金復合管的可行性研究

劉慶忠，郭建明，李松林，倪來興

(1.大慶油田工程建設有限責任公司，黑龍江 大慶163712；2.大慶油田第六采油廠，黑龍江 大慶163712)

低合金鋼焊材焊接鐵鎳合金復合管的可行性研究

劉慶忠1，郭建明1，李松林2，倪來興1

(1.大慶油田工程建設有限責任公司，黑龍江 大慶163712；2.大慶油田第六采油廠，黑龍江 大慶163712)

為了降低Incoloy825鐵鎳合金復合管的焊接成本，對以低合金鋼為焊材的鐵鎳合金復合管進行的填充蓋面焊做了可行性研究。試驗采用ERNiCrMo-3鎳基焊絲氬弧焊打底，E71T8-Ni1J自保護藥芯焊絲半自動填充蓋面，并對其焊接接頭進行了拉伸、彎曲、沖擊及耐腐蝕性等理化試驗。試驗結果分析顯示，采用低合金鋼焊材進行鐵鎳合金復合管的填充蓋面焊，其沖擊與耐蝕性指標偏低，無法滿足相關標準要求。研究表明，此類復合管采用低合金鋼焊材進行填充蓋面焊是不可行的。

Incoloy825復合管；低合金鋼焊絲；沖擊韌性；耐蝕性

近年來，國內外油氣田地面工程建設中，為保證耐蝕性的同時降低建設成本，大量使用了不銹鋼復合管或鎳基合金復合管。目前，復合管的焊接有兩種工藝，一是采用相匹配的不銹鋼或鎳基焊材，二是采用碳鋼或低合金鋼焊材進行填充蓋面焊，以降低施工成本。筆者以Incoloy825鐵鎳合金復合管焊接為例，對后者可行性進行各項理化及耐蝕性驗證。

1 采用低合金鋼焊材的可行性分析

試驗母材為新興鑄管股份有限公司生產的冶金復合管，其化學成分見表1。該復合管基層采用L360QS低合金鋼，襯層為Incoloy825鐵鎳合金。Incoloy825屬于Ni-Fe-Cr系，介于鎳基合金與高鎳不銹鋼之間。由于Incoloy825合金對耐蝕元素的固溶度遠比鐵基奧氏體大，因此能容納更多Cr、Mo等元素，因而其耐蝕性明顯優于不銹鋼，現廣泛應用于耐一般性腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕及氯化物和硫化氫等應力腐蝕環境中。

因涉及到異種金屬焊接，在打底層和過渡層選用相匹配的鎳基焊絲(ERNiCrMo-3)，填充蓋面焊采用自保護低合金鋼焊絲(E71T8-Ni1J)工藝。焊絲成分見表2，焊縫形式如圖1所示。

表1 Incoloy825冶金復合管母材化學成分

表2 焊材金屬化學成分

圖1 復合管焊縫形式示意圖

使用低合金鋼焊絲填充時其焊縫組織可參照圖2來預測。通過計算母材與焊材各自的Cr、Ni當量，從而確定其在圖中的坐標位。其中L360QS鋼中Cr、Ni當量分別為0.25％和2.325％；ERNiCrMo-3(Inconel625)鋼的Cr、Ni當量分別為34.64％和64.9％； E71T8-Ni1J(Hobrat 81N1)鋼的Cr、Ni當量分別為0.046％和1.87％。L360QS鋼與E71T8-Ni1J鋼的組織均為鐵素體與珠光體混合組織；而ERNiCrMo-3為奧氏體。假設自保護填充焊過程中，L360QS鋼與前道焊縫(ERNiCrMo-3)向焊縫的熔入量相同，即二者坐標之間的連線中點大致為(17.45％，33.6％)，此坐標位于圖中A(奧氏體)區，其與E71T8-Ni1J的連線代表了焊縫可能產生的組織，根據稀釋率大小，該組織有可能是奧氏體、奧氏體+馬氏體或馬氏體。從連線長度判斷，要想焊縫避免出現馬氏體，其稀釋率必須超過55％，否則焊縫就會出現馬氏體，對沖擊韌性造成不利影響。但高稀釋率意味著高熱輸入，而高熱輸入可能會導致前層焊道出現熱裂紋、合金元素燒損、組織過熱以及焊接操作困難。一般來說，自保護焊正常焊接時，其稀釋率為15％～30％。

圖2 WRC-1992組織相圖

以上理論分析表明，在鎳基焊縫上熔敷低合金鋼焊材，很可能導致焊縫中出現大量馬氏體，其直接后果就是沖擊韌性急劇下降。

2 焊接試驗及檢測結果

2.1 焊接試驗

焊接材料為L360QS/Incoloy825冶金復合管，規格 Φ219mm×(7.1+3)mm。焊接位置為水平固定，焊接參數見表3。

2.2 接頭檢測項目及標準

試樣檢測委托北京石油大學測試中心進行，試驗內容見表4。

2.3 檢測結果及分析

拉伸、彎曲、硬度、抗氫致裂紋、抗應力腐蝕等試驗合格，不合格項目主要集中在低溫沖擊、晶間腐蝕(G28 A法)與點蝕試驗上。其檢測結果見表5和表6。

表3 焊接參數

表4 Incoloy825鐵鎳合金復合管焊接接頭檢測項目

參照相關標準規定：“沖擊功平均值應符合設計文件規定，至多允許有1個試樣的沖擊吸收功低于規定值，但不得低于規定值的70％”，表5和表6的沖擊試驗結果表明，對于鎳基焊縫上熔敷低合金鋼焊材，如以27 J為合格指標的話，其全尺寸沖擊指標能夠滿足要求，但對于復合管焊接必檢的基層L360QS焊縫來說，其指標明顯偏低。在另一鋼管上取樣復檢，結果同樣偏低。對其焊縫進行微觀組織分析，分析結果如圖3所示。從圖3可以看出，其組織由馬氏體和魏氏體組成。

點蝕試驗和晶間腐蝕試驗按照ASTM G-48 A法和ASTM G28 A法進行，取樣位置為復合管襯層，即Incoloy825側。點蝕和晶間腐蝕試樣表面宏觀形貌如圖4所示。從圖4可以看出，在試樣外表面焊縫區域發生了嚴重腐蝕，而熱影響區域及內表面基本無腐蝕(不考慮邊緣腐蝕)。正常來說，Incoloy825與Inconel625組合而成的焊縫耐蝕性較好，不應該發生如此嚴重腐蝕，腐蝕原因歸根到底還是低合金鋼焊材大量熔入，造成前道鎳基焊縫耐蝕性急劇下降。

表5 沖擊試驗結果

圖3 復合管基層L360QS焊縫組織形貌

圖4 復合管襯層Incoloy825的點腐蝕和晶間腐蝕(ASTM G28 A)結果

表6 沖擊試驗復驗結果

3 結 論

(1)采用低合金鋼焊材填充蓋面焊，其基層焊縫中會形成大量馬氏體，沖擊韌性急劇下降。

(2)全尺寸試樣沖擊韌性合格，并不能掩蓋焊縫存在薄弱環節的現實。

(3)如果涉及到腐蝕試驗，采用低合金鋼焊材填充蓋面焊，其結果更不理想。

(4)對于此類合金復合管，采用低合金鋼焊材填充蓋面焊是不可行的。

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Feasibility Research on Welding Iron Nickel Alloy Composite Pipe by Using Low Alloy Steel Welding Materials

LIU Qingzhong1，GUO Jianming1，LI Songlin2，NI Laixing1
(1.Daqing Oilfield Engineering Construction Co.,Ltd.,Daqing 163712，Heilongjiang，China；2.Daqing Oilfield the Sixth Oil Production Plant，Daqing 163712，Heilongjiang，China)

In order to reduce welding cost of Incoloy825 iron nickel alloy composite pipe，adopting low alloy steel welding materials to carry out feasibility research on iron nickel alloy composite pipe filling and covering welding.It used ERNiCrMo-3 nickel-based welding wire argon arc welding for backing，E71T8-Ni1J self-protection flux cored wire semi-automatic for filling and covering，and physical and chemical tests were carried on for welded joint,including tensile，bending，impact，corrosion resistance and so on.The results indicated that adopting low alloy steel welding material for iron nickel alloy composite pipe filling and covering welding，the impact toughness and corrosion resistance are on the low side，which cannot meet the requirements of relevant standards.Research results showed that using low alloy steel welding material for this kind of composite pipe to fill covering is not feasible.

Incoloy825 composite pipe；low alloy steel welding wire；impact toughness；corrosion resistance

TG421

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.09.010

劉慶忠(1972—)，男，黑龍江省大慶市人，高級工程師，主要從事油田地面焊接技術研究。

2016-06-07

黃蔚莉