鎳基合金625+X60復(fù)合管對接焊縫質(zhì)量控制措施研究

荊國防，刁鳳東，田 坤

中國石油天然氣管道局工程公司，河北 廊坊

1.引言

阿美公司在沙特哈拉德開采的天然氣中H2S、CO2等腐蝕介質(zhì)含量高，天然氣從氣井直接到氣體處理廠，中間的集輸站不設(shè)置過濾、分離、脫硫等裝置，天然氣對普通材質(zhì)的碳鋼管有嚴(yán)重的腐蝕性，管件內(nèi)腐蝕嚴(yán)重，嚴(yán)重降低了管網(wǎng)的使用壽命，不利于生產(chǎn)運(yùn)行安全。場站維修、更換管線管件施工難度大，成本高。鎳基合金625+X60復(fù)合管由2種金屬復(fù)合而成，內(nèi)部為3~5mm 厚的鎳基合金內(nèi)襯，外部為碳鋼管，具有良好的耐腐蝕性和足夠的強(qiáng)度，能夠滿足高含腐蝕性天然氣輸送的要求，筆者對鎳基合金625+X60復(fù)合管的焊接質(zhì)量控制措施進(jìn)行了研究。

2.鎳基合金625+X60復(fù)合管性能分析

鎳和鎳合金焊接時(shí)容易產(chǎn)生裂紋。除了宏觀裂紋，還會出現(xiàn)微觀小裂紋，這些微觀小裂紋危險(xiǎn)性極大，根據(jù)裂紋產(chǎn)生的原因，常見的有結(jié)晶裂紋、液化裂紋和應(yīng)變時(shí)效裂紋[1][2][3]。

2.1.結(jié)晶裂紋

結(jié)晶裂紋常發(fā)生在焊道弧坑，形成火口裂紋。結(jié)晶裂紋多數(shù)沿焊縫中心縱向開裂，有時(shí)也垂直于焊波?？刹扇∽屑?xì)清理焊接表面的氧化皮和污物(以免S、P、Pb等雜質(zhì)混入熔池)、選擇較小的焊接電流、減小焊接熱輸入、改善熔池結(jié)晶狀態(tài)、采用抗裂性能優(yōu)良的焊接材料等措施來減少結(jié)晶裂紋。

2.2.液化裂紋

大部分鎳合金都具有液化裂紋傾向，并隨著合金元素量的增加液化裂紋越顯著。液化裂紋產(chǎn)生在近縫區(qū)，具有沿晶開裂、從熔合區(qū)向母材擴(kuò)展的特征。減少和避免液化裂紋的辦法是盡可能減少熱輸入量和過熱區(qū)的高溫停留時(shí)間。

2.3.應(yīng)變時(shí)效裂紋

應(yīng)變時(shí)效裂紋的形成與焊接殘余應(yīng)力引起的應(yīng)變以及失效過程中塑性損失引起的應(yīng)變有關(guān)。消除應(yīng)變時(shí)效裂紋的措施有選擇Al、Ti 含量低，或用Nb 代替部分Al的鎳合金；接頭設(shè)計(jì)時(shí)，選用合理的接頭形式和焊縫分布，減少焊接的拘束度；焊接時(shí)，調(diào)節(jié)焊接熱循環(huán)，避免熱影響區(qū)中探花物相變引起的脆性；焊后對焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行合理的錘擊或噴丸處理。

2.4.控制措施

為避免出現(xiàn)焊接裂紋，應(yīng)盡量減少層間熱輸入，因此對薄壁管采取手工氬弧焊，大口徑厚壁管采取手工氬弧打底加焊條填充蓋面的焊接工藝，為適應(yīng)腐蝕性運(yùn)行條件，匹配母材的力學(xué)性能，減少焊縫開裂的可能性，焊材選用伯樂的AWSA5.14ERNiCrMo-3Thermanit 625焊絲(直徑為2.4mm)，焊條選用伯樂的AWSA5.11ERNiCrMo-3Thermanit 625(直徑為2.5mm 和3.2 mm)。

3.焊接過程控制

3.1.焊接試樣準(zhǔn)備

試件采用長度為300 mm，直徑為219mm，壁厚為8.74mm 的鋼管，焊接坡口采用冷切割進(jìn)行加工，嚴(yán)禁使用火焰進(jìn)行切割。

3.2.焊接前準(zhǔn)備

焊接前打磨坡口，坡口組對前需重新清理坡口表面，祛除鎳基層表面氧化膜，用丙酮清洗坡口內(nèi)外表面，清洗后用清水沖洗并用絲布擦干。制作充氬保護(hù)裝置，背部進(jìn)行充氬保護(hù)，氬氣純度不低于99.997%。

3.3.焊接前預(yù)熱

焊接前預(yù)熱無特殊要求，清理干凈表面確保無水氣即可。

3.4.焊接過程控制

焊接過程采取較小的熱輸入(<1.5kJ/mm)，層間溫度低于100℃，防止焊縫及熱影響區(qū)晶粒長大，從而影響焊接韌性，焊絲和焊條的焊接工藝參數(shù)見表1和表2。

Table1.The technical parametersof wire weldings表1.焊絲焊接工藝參數(shù)

Table 2. The technical parameters of electrode weldings表2.焊條焊接工藝參數(shù)

3.5.焊后無損檢測和試驗(yàn)

焊后對焊道進(jìn)行100%外觀檢查、滲透檢測、射線探傷，檢測結(jié)果符合ASME 標(biāo)準(zhǔn)[4]。對試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊韌性試驗(yàn)和耐腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)試件的焊縫金屬和熱影響區(qū)橫斷面融合完全、無裂縫，焊縫成形質(zhì)量符合規(guī)范要求。根據(jù)ASME規(guī)范要求，試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度為621MPa，

大于母材的抗拉強(qiáng)度547MPa，試樣拉伸和彎曲試驗(yàn)結(jié)果合格(表3)。沖擊韌性試驗(yàn)要求焊縫、熱影響區(qū)的沖擊吸收能量母材要求單個(gè)大于20，平均值大于27，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果(表4)，單個(gè)值和平均值均符合要求，沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果合格。按照規(guī)范要求，根焊區(qū)域硬度均小于250HV10，蓋面區(qū)域硬度均小于275HV10，硬度試驗(yàn)結(jié)果合格。在120h 的酸性液體浸泡后，重新檢測金屬成分，各元素的含量符合規(guī)范要求，耐腐蝕試驗(yàn)結(jié)果合格。

Table 3. The results of specimen drawing and bending tests表3.試樣拉伸和彎曲試驗(yàn)結(jié)果

Table 4. The results of impact toughness test表4.沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

4.質(zhì)量控制措施

4.1.焊工管理

焊工考試由經(jīng)阿美認(rèn)可的獨(dú)立第三方進(jìn)行監(jiān)考，考試過程中檢查每層的焊接情況，考完后檢查外觀、無損檢測、力學(xué)實(shí)驗(yàn)，任何環(huán)節(jié)不符合要求即終止考試。考試焊口所有結(jié)果合格后，焊工必須持證上崗，焊工證必須在有效期內(nèi)并與從事的焊接工藝相匹配。阿美要求每名焊工每周不超過2張返修片，總體返修率不超過95%，一旦超過指標(biāo)界限，停焊1周，重新參加焊工資格考試。針對焊接過程中集中發(fā)現(xiàn)的焊接缺陷，召開焊接質(zhì)量專題會，討論焊接缺陷發(fā)生的原因，制定預(yù)防改進(jìn)措施，保證焊接質(zhì)量符合規(guī)范和項(xiàng)目要求。

4.2.焊接設(shè)備管理

所有的焊接電源、焊條保溫烘干箱等設(shè)備必須經(jīng)過阿美認(rèn)可的第三方進(jìn)行檢測合格并貼簽后方可使用。重點(diǎn)檢測焊接的輸出電流、推力、電壓、極性等須符合焊接工藝評定要求，焊接電源定期進(jìn)行校驗(yàn)，不符合要求的要及時(shí)進(jìn)行維修和更新，確保焊接電源和保溫箱等設(shè)備符合焊接工藝評定要求。

4.3.材料管理

4.3.1.焊材管理

焊材保存于焊材室中，應(yīng)保證焊材室通風(fēng)、干燥(室溫10~25℃，相對濕度小于60%)，拆包后將焊條放入250~300℃烘干箱2h 后，放入不低于120℃的保溫箱進(jìn)行保溫，焊條只能烘干1次。

4.3.2.保護(hù)氣體

保護(hù)氣體選用純度99.997%的工業(yè)氬氣，進(jìn)場氬氣需進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，保證氬氣純度滿足規(guī)范要求。

4.3.3.母材驗(yàn)收

要對甲供材料進(jìn)行驗(yàn)收，重點(diǎn)驗(yàn)收母材的外觀質(zhì)量、出廠質(zhì)量資料是否齊全，需經(jīng)過項(xiàng)目質(zhì)量管理部門驗(yàn)收合格后方可進(jìn)場使用。

4.4.焊接過程管理

1)焊接時(shí)，選擇小的焊接參數(shù)，氬弧焊要求焊接2~3層，填充蓋面盡可能選用直徑較小的焊條。

2)相鄰管縱向焊縫最小間距100mm。

3)GTAW 風(fēng)速大于2.2m/s，SMAW 風(fēng)速不大于5m/s，應(yīng)采用有效措施(如防風(fēng)棚)進(jìn)行防護(hù)，考慮到施工現(xiàn)場處于沙漠，風(fēng)沙大，更需妥善做好防風(fēng)措施。

4)GTAW均采用高頻焊接設(shè)備進(jìn)行焊接，應(yīng)具有提前送氣和收弧氣滯后功能。

5)提前進(jìn)行充氬，充氬裝置氣室要小些，避免氣室里面有混合氣，用氧氣分析儀測量含氧量(不得超出0.02%)，復(fù)合管焊接根焊時(shí)充氬量要大于25min/L，用1~2瓶氬氣均可。

6)焊口錯(cuò)變量不得大于3mm。

7)焊接過程中的清理操作應(yīng)采用不銹鋼專用砂輪片和不銹鋼絲刷。

5.結(jié)語

焊接實(shí)踐表明，采取適當(dāng)?shù)暮附庸に嚭蛥?shù)，選擇合適的焊接材料，合理安排焊接順序，控制好焊接外部環(huán)境，能夠獲得良好的焊縫。焊接質(zhì)量控制要從人、機(jī)、料、法、環(huán)等多個(gè)方面綜合考慮，重視事前和事中控制，事后分析原因，采取有效的控制措施，才能夠有效地保證焊接質(zhì)量。