低合金鋼焊材焊接鐵鎳合金復(fù)合管的可行性研究

劉慶忠，郭建明，李松林，倪來(lái)興

(1.大慶油田工程建設(shè)有限責(zé)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(fù)合管的可行性研究

劉慶忠1，郭建明1，李松林2，倪來(lái)興1

(1.大慶油田工程建設(shè)有限責(zé)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(fù)合管的焊接成本，對(duì)以低合金鋼為焊材的鐵鎳合金復(fù)合管進(jìn)行的填充蓋面焊做了可行性研究。試驗(yàn)采用ERNiCrMo-3鎳基焊絲氬弧焊打底，E71T8-Ni1J自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)填充蓋面，并對(duì)其焊接接頭進(jìn)行了拉伸、彎曲、沖擊及耐腐蝕性等理化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果分析顯示，采用低合金鋼焊材進(jìn)行鐵鎳合金復(fù)合管的填充蓋面焊，其沖擊與耐蝕性指標(biāo)偏低，無(wú)法滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。研究表明，此類復(fù)合管采用低合金鋼焊材進(jìn)行填充蓋面焊是不可行的。

Incoloy825復(fù)合管；低合金鋼焊絲；沖擊韌性；耐蝕性

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外油氣田地面工程建設(shè)中，為保證耐蝕性的同時(shí)降低建設(shè)成本，大量使用了不銹鋼復(fù)合管或鎳基合金復(fù)合管。目前，復(fù)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(jìn)行填充蓋面焊，以降低施工成本。筆者以Incoloy825鐵鎳合金復(fù)合管焊接為例，對(duì)后者可行性進(jìn)行各項(xiàng)理化及耐蝕性驗(yàn)證。

1 采用低合金鋼焊材的可行性分析

試驗(yàn)?zāi)覆臑樾屡d鑄管股份有限公司生產(chǎn)的冶金復(fù)合管，其化學(xué)成分見表1。該復(fù)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(duì)耐蝕元素的固溶度遠(yuǎn)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(yōu)于不銹鋼，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于耐一般性腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕及氯化物和硫化氫等應(yīng)力腐蝕環(huán)境中。

因涉及到異種金屬焊接，在打底層和過(guò)渡層選用相匹配的鎳基焊絲(ERNiCrMo-3)，填充蓋面焊采用自保護(hù)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(fù)合管母材化學(xué)成分

表2 焊材金屬化學(xué)成分

圖1 復(fù)合管焊縫形式示意圖

使用低合金鋼焊絲填充時(shí)其焊縫組織可參照?qǐng)D2來(lái)預(yù)測(cè)。通過(guò)計(jì)算母材與焊材各自的Cr、Ni當(dāng)量，從而確定其在圖中的坐標(biāo)位。其中L360QS鋼中Cr、Ni當(dāng)量分別為0.25％和2.325％；ERNiCrMo-3(Inconel625)鋼的Cr、Ni當(dāng)量分別為34.64％和64.9％； E71T8-Ni1J(Hobrat 81N1)鋼的Cr、Ni當(dāng)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(shè)自保護(hù)填充焊過(guò)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(biāo)之間的連線中點(diǎn)大致為(17.45％，33.6％)，此坐標(biāo)位于圖中A(奧氏體)區(qū)，其與E71T8-Ni1J的連線代表了焊縫可能產(chǎn)生的組織，根據(jù)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(zhǎng)度判斷，要想焊縫避免出現(xiàn)馬氏體，其稀釋率必須超過(guò)55％，否則焊縫就會(huì)出現(xiàn)馬氏體，對(duì)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(huì)導(dǎo)致前層焊道出現(xiàn)熱裂紋、合金元素?zé)龘p、組織過(guò)熱以及焊接操作困難。一般來(lái)說(shuō)，自保護(hù)焊正常焊接時(shí)，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(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)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(yàn)及檢測(cè)結(jié)果

2.1 焊接試驗(yàn)

焊接材料為L(zhǎng)360QS/Incoloy825冶金復(fù)合管，規(guī)格 Φ219mm×(7.1+3)mm。焊接位置為水平固定，焊接參數(shù)見表3。

2.2 接頭檢測(cè)項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)

試樣檢測(cè)委托北京石油大學(xué)測(cè)試中心進(jìn)行，試驗(yàn)內(nèi)容見表4。

2.3 檢測(cè)結(jié)果及分析

拉伸、彎曲、硬度、抗氫致裂紋、抗應(yīng)力腐蝕等試驗(yàn)合格，不合格項(xiàng)目主要集中在低溫沖擊、晶間腐蝕(G28 A法)與點(diǎn)蝕試驗(yàn)上。其檢測(cè)結(jié)果見表5和表6。

表3 焊接參數(shù)

表4 Incoloy825鐵鎳合金復(fù)合管焊接接頭檢測(cè)項(xiàng)目

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：“沖擊功平均值應(yīng)符合設(shè)計(jì)文件規(guī)定，至多允許有1個(gè)試樣的沖擊吸收功低于規(guī)定值，但不得低于規(guī)定值的70％”，表5和表6的沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于鎳基焊縫上熔敷低合金鋼焊材，如以27 J為合格指標(biāo)的話，其全尺寸沖擊指標(biāo)能夠滿足要求，但對(duì)于復(fù)合管焊接必檢的基層L360QS焊縫來(lái)說(shuō)，其指標(biāo)明顯偏低。在另一鋼管上取樣復(fù)檢，結(jié)果同樣偏低。對(duì)其焊縫進(jìn)行微觀組織分析，分析結(jié)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(diǎn)蝕試驗(yàn)和晶間腐蝕試驗(yàn)按照ASTM G-48 A法和ASTM G28 A法進(jìn)行，取樣位置為復(fù)合管襯層，即Incoloy825側(cè)。點(diǎn)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(qū)域發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕，而熱影響區(qū)域及內(nèi)表面基本無(wú)腐蝕(不考慮邊緣腐蝕)。正常來(lái)說(shuō)，Incoloy825與Inconel625組合而成的焊縫耐蝕性較好，不應(yīng)該發(fā)生如此嚴(yán)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(yàn)結(jié)果

圖3 復(fù)合管基層L360QS焊縫組織形貌

圖4 復(fù)合管襯層Incoloy825的點(diǎn)腐蝕和晶間腐蝕(ASTM G28 A)結(jié)果

表6 沖擊試驗(yàn)復(fù)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)采用低合金鋼焊材填充蓋面焊，其基層焊縫中會(huì)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(huán)節(jié)的現(xiàn)實(shí)。

(3)如果涉及到腐蝕試驗(yàn)，采用低合金鋼焊材填充蓋面焊，其結(jié)果更不理想。

(4)對(duì)于此類合金復(fù)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(jí)工程師，主要從事油田地面焊接技術(shù)研究。

2016-06-07

黃蔚莉