鎳合金復(fù)合管彎頭的焊接

許江新，張付峰，張永輝，齊凱華，唐 荔

（1.鄭州萬達(dá)重工股份有限公司，鄭州450019；2.四川華油集團(tuán)有限責(zé)任公司 物資分公司，成都610017）

鎳合金復(fù)合管彎頭的焊接

許江新1，張付峰1，張永輝1，齊凱華1，唐 荔2

（1.鄭州萬達(dá)重工股份有限公司，鄭州450019；2.四川華油集團(tuán)有限責(zé)任公司 物資分公司，成都610017）

為了解決大直徑、厚壁鎳合金復(fù)合管焊接性差的問題，以Φ600 mm×（36+3）mm鎳合金復(fù)合管（Q245R+N08825）彎頭為研究對(duì)象，通過優(yōu)選焊接方法、坡口形式和焊接順序，確定了合理的焊接工藝和參數(shù)。對(duì)該焊接工藝所焊接頭進(jìn)行了化學(xué)成分和力學(xué)性能檢測(cè)。結(jié)果表明，該焊接接頭的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，抗氫致開裂和應(yīng)力腐蝕開裂性能良好，說明該焊接工藝技術(shù)所焊接頭能滿足高含硫氣田的使用條件。

焊接；鎳合金復(fù)合管；N08825

隨著國內(nèi)外高硫含量（H2S）天然氣資源的大量開采，具有較高強(qiáng)度和優(yōu)異耐腐蝕性能的大直徑、厚壁鎳合金復(fù)合管得到了廣泛應(yīng)用。鎳合金復(fù)合管的焊接較為復(fù)雜，焊接要求較高，國內(nèi)相關(guān)的焊接工藝還不夠成熟。針對(duì)該問題，本研究經(jīng)過工藝評(píng)定試驗(yàn)，確定了合理的工藝參數(shù)。采用該焊接工藝所焊接頭的力學(xué)性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，抗氫致開裂和應(yīng)力腐蝕開裂性能良好，可滿足高含硫氣田的使用要求。

1 雙金屬復(fù)合管的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)

復(fù)合管由耐蝕合金層與基體管兩部分組成，管層之間通過各種變形和連接技術(shù)使兩種材料結(jié)合成一體。工程應(yīng)用中，耐蝕合金層依據(jù)目標(biāo)油氣田的介質(zhì)環(huán)境、使用壽命等進(jìn)行選擇，以滿足耐蝕性能的需求；基體管根據(jù)輸送介質(zhì)的壓力確定，以保證復(fù)合后的管體能滿足油氣輸送壓力和強(qiáng)度的需要。

復(fù)合管集耐蝕合金層的耐蝕性能與基體管的力學(xué)性能于一體，兼具耐蝕層和基體層的優(yōu)點(diǎn)，可充分發(fā)揮兩種材料的性能特點(diǎn)[1]。相對(duì)于純耐蝕合金管，不僅能有效降低成本，而且在酸性環(huán)境中具有更好的安全性和可靠性。

2 鎳合金復(fù)合管的焊接性分析

鎳合金復(fù)合管的基層材料為Q245R鋼，用于保證管道的強(qiáng)度，覆層材料為N08825鎳基合金，用于保證管道的耐蝕性能。為了確保Q245R+N08825雙金屬復(fù)合管的焊接質(zhì)量，基層和覆層應(yīng)分別焊接。基層Q245R鋼的焊接性良好，但覆層N08825鎳基合金屬于奧氏體不銹鋼，其焊接性較差。Q245R、N08825和擬選用焊絲ERNiCrMo－3的化學(xué)成分見表1。

焊接Q245R+N08825雙金屬復(fù)合管時(shí)，若選用的工藝措施不當(dāng)，易產(chǎn)生過燒、熱裂紋、氣孔、晶間腐蝕等[2]。對(duì)于Q245R+N08825復(fù)合管，其Ni和Fe的二元共晶物中有較多低熔點(diǎn)的金屬共晶物和非金屬共晶物。由于非金屬共晶物（如S和P）熔點(diǎn)比金屬共晶物（Ni和Fe）低很多，在焊縫結(jié)晶時(shí)低熔點(diǎn)共晶物的液態(tài)膜殘留在晶界區(qū)，同時(shí)鎳及鎳合金與碳鋼相比，線脹系數(shù)較大，焊接時(shí)易產(chǎn)生較大的應(yīng)力，焊縫結(jié)晶時(shí)低熔點(diǎn)共晶物的液態(tài)膜在收縮應(yīng)力作用下易產(chǎn)生開裂。此外，Q245R+N08825雙金屬復(fù)合管中鎳基合金的固相與液相溫度間距較小，液態(tài)金屬流動(dòng)性較低，在結(jié)晶過程中，熔池中的氣體來不及溢出，易留在焊縫中形成氣孔。有些鎳基合金具有兩個(gè)敏化溫度區(qū)間，在焊接過程中，處在敏化溫度區(qū)間的晶界發(fā)生Cr和Mo等碳化物的沉淀，引起晶界區(qū)的貧Cr和貧Mo現(xiàn)象。因此焊接Q245R+N08825雙金屬復(fù)合管時(shí)應(yīng)采用小線能量，降低道間溫度，加快焊縫冷卻速度，焊前徹底清除焊絲、母材坡口處的油、污物，嚴(yán)格控制母材、焊材中的S、P含量，從而防止熱裂紋、氣孔等缺陷的產(chǎn)生[3]。

表1 Q245R、N08825和ERNiCrMo－3的化學(xué)成分

3 焊接工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)所用Q245R+N08825雙金屬復(fù)合管的覆層N08825鎳基合金與基層Q245R鋼的化學(xué)成分差別較大，物理性能也差異較大。焊接此類管道時(shí)，易出現(xiàn)焊接成形不好、焊接接頭質(zhì)量不合格等問題[4]。鑒于此，本研究針對(duì)該復(fù)合管性能特點(diǎn)進(jìn)行了焊接工藝技術(shù)研究。

3.1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用材料取自于 Φ600 mm×（36+3）mm Q245R+N08825雙金屬復(fù)合管?；鶎訛楹穸?6 mm的Q245R鋼，覆層選用厚度3 mm的N08825鎳基合金。

雙金屬復(fù)合管的焊接方法一般采用手工鎢極氬弧焊（GTAW）、焊條電弧焊（SMAW）和埋弧焊（SAW）等。采用GTAW焊接時(shí)，因氬氣可隔離空氣對(duì)熔化金屬的氧化，且電弧還能自動(dòng)清除焊道表面的氧化膜，熱源和填充焊絲可分別控制，焊接熱輸入量易于控制。但GTAW焊接的缺點(diǎn)是熔深淺，熔敷率小，生產(chǎn)效率較低。SMAW焊接生產(chǎn)效率一般，靈活性較高，但對(duì)焊工技能要求較高[5]。SAW焊接具有速度較快、熔敷率高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，焊接厚壁基層更有優(yōu)勢(shì)[6]。此外，Q245R+N08825雙金屬復(fù)合管縱縫過渡層焊道屬于異種鋼焊接，為了減少基層對(duì)覆層的稀釋，焊接過渡層時(shí)要采用小電流、快速焊等方法，以減少熔深，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腐蝕性能[7]。綜上，本焊接試驗(yàn)選用GTAW+SMAW+SAW的焊接方法。

3.2 焊接材料

Q245R+N08825雙金屬復(fù)合管對(duì)接焊時(shí)，由于基層Q245R與覆層N08825的化學(xué)成分相差較大，焊縫中覆層的化學(xué)成分必然會(huì)因基層材料的熔入而產(chǎn)生較大的稀釋，如果僅選用N08825焊材進(jìn)行過渡層的焊接，則必然會(huì)降低覆層焊縫的耐腐蝕性能?？梢姾附与p金屬復(fù)合管對(duì)接焊縫時(shí)應(yīng)選用焊材的化學(xué)成分、力學(xué)性能和耐腐蝕性較N08825應(yīng)更高[8]。因此，本次試驗(yàn)過渡層及覆層選用的焊接材料為ERNiCrMo－3，其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

表2 ERNiCrMo－3的力學(xué)性能

3.3 坡口形式

Q245R+N08825雙金屬復(fù)合管對(duì)接焊時(shí)，坡口應(yīng)選用大角度、小鈍邊。坡口采用等離子或機(jī)械加工，切口表面應(yīng)平整，無裂紋、重皮、毛刺、凹凸、縮口、熔渣、氧化物及鐵屑等。加工坡口前，必須用磨光機(jī)磨去影響焊接質(zhì)量的表面層，并打磨平整。焊前用不銹鋼絲刷、砂輪片將坡口內(nèi)外壁50 mm范圍內(nèi)清洗干凈，去除污物毛刺等，并用丙酮清洗坡口表面，層間徹底清理熔渣、粉塵。

3.4 焊道順序及焊接工藝參數(shù)

焊接Q245R+N08825雙金屬復(fù)合管的對(duì)接焊縫時(shí)，為保證良好的抗腐蝕性能、防止熱裂紋產(chǎn)生需要選用較小的焊接參數(shù)，而鎳基合金由于其熔點(diǎn)較高又需要保持一定的熱輸入，可見合理選擇焊接參數(shù)是保證焊接接頭性能的關(guān)鍵[9]。綜合考慮，選擇該雙金屬復(fù)合管的焊接順序如圖1所示，工藝參數(shù)見表3。

圖1 Q245R+N08825雙金屬復(fù)合管對(duì)接焊焊接順序示意圖

表3 Q245R+N08825雙金屬復(fù)合管對(duì)接焊焊接工藝參數(shù)

4 焊接接頭力學(xué)性能和腐蝕試驗(yàn)

4.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

合格的焊接接頭必須保證接頭的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求[10]。按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》，對(duì)焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)后，加工試樣，進(jìn)行常規(guī)力學(xué)及其他性能測(cè)試，力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果見表4～表6，結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表6 V形缺口夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

4.2 腐蝕試驗(yàn)與化學(xué)成分分析

根據(jù)技術(shù)要求，通過晶間腐蝕（ASTM G28 A法和ASTM A262C法）、點(diǎn)蝕（ASTM G48 A法）、硬度HV10（API SPEC 5LD—2009）、化學(xué)成分分析（ASTMB424）、耐蝕合金層的 SCC（NACETM0177—2005）等試驗(yàn)及檢驗(yàn)，證明其焊縫表面的化學(xué)成分和焊縫的耐腐蝕性能均符合規(guī)范要求。

5 結(jié) 論

（1）焊接Q245R+N08825雙金屬復(fù)合管時(shí)，應(yīng)采用小線能量、降低道間溫度、加快焊縫冷卻速度，嚴(yán)格控制母材、焊材中的S和P的含量等措施，可以有效預(yù)防焊接接頭熱裂紋、氣孔等缺陷。

（2）焊接Q245R+N08825雙金屬復(fù)合管時(shí)，由于兩種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能差異較大，為了保證焊接接頭的性能，應(yīng)選用比原內(nèi)襯鎳鉻含量高的鎳基焊材。

（3）采用GTAW+SMAW+SAW的焊接方法，保證了Q245R+N08825雙金屬復(fù)合管的焊接質(zhì)量，提高了焊接效率，且焊接接頭能夠滿足高含硫氣田對(duì)輸送管道的耐蝕要求。

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Welding of Ni-alloy Composite Pipe Elbow

XU Jiangxin1，ZHANG Fufeng1，ZHANG Yonghui1，QI Kaihua1，TANG Li2
（1.Zhengzhou Wanda Heavy Industry Co.,Ltd.,Zhengzhou 450019,China;2.Sichuan Huayou Petroleum Group Co.,Ltd.,Material and Goods Branch,Chengdu 610017,China）

In order to solve the problem of poor weldability of the large diameter and thick wall Ni-alloy composite pipe,taking Φ 600 mm×（36+3）mm Ni-alloy composite pipe （Q245R+N08825）elbow as the research object,reasonable welding technology and parameter were confirmed by optimizing welding method,groove type and welding sequence.The results of mechnical performance testing and chemical composition analysis indicated that the mechanical property of welding joint met the standard requirement,which had the good performance of resistance to hydrogen-induced cracking and stress-corrosion cracking.This illustrated the welded joint of the welding technology could meet the service conditions of high sour gas field.

welding;Ni-alloy composite pipe;N08825

TG407

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.11.009

許江新（1969—），男，河南三門峽人，工程師，

主要研究方向?yàn)槭吞烊粴廨斔陀秒p金屬耐蝕復(fù)合管及管件焊接，管道及管件耐蝕合金堆焊等。

2017-03-14

修改稿收稿日期：2017-08-04

編輯：謝淑霞