2205/X65冶金復合管材焊接工藝及焊縫組織性能研究*

畢宗岳

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

隨著西氣東輸四線、 中俄東線、 陜京四線等一批國內重大管線工程的啟動建設，標志著我國石油、 天然氣管線工程建設進入新的發展階段[1-2]。目前，由于全球對油氣資源的持續高需求及優良油氣井的不斷枯竭，促使油氣開采逐漸走向深井、 超深井及腐蝕性油氣井的開發[3]。苛刻的服役工況條件，對油氣田裝備及輸送管線的耐蝕性有較高要求。例如，在油氣集輸段，由于含有大量H2S、 CO2和Cl-等腐蝕介質，管線腐蝕破壞嚴重，包括硫化物應力腐蝕開裂、 氫致開裂、 點蝕和均勻腐蝕等，導致管線多處失效，事故頻發[4-7]。我國西氣東輸的氣源地新疆克拉2 氣田，地層水Cl-濃度達100 677 mg/L，天然氣中H2S 含量0.72%（摩爾分數），集氣干線CO2分壓達0.1 MPa，最高工作溫度80 ℃。該氣田集輸管道不得不大量使用2205 雙相不銹鋼管材、 閥門等器件5 226 t，占2004 年全球2205 不銹鋼產量的1/3，工程造價極其昂貴。而雙金屬冶金復合管具有良好的力學性能和耐腐蝕性能，且成本只有純不銹鋼耐蝕管材的1/3，是目前解決酸性油氣田集輸管道腐蝕問題的最有效方法之一[8-11]，也成為目前石油管材領域研究開發的熱點和難點。

2205 不銹鋼屬第二代超低碳奧氏體－鐵素體雙相不銹鋼（duplex stainless steel，DSS），組織中奧氏體和鐵素體各約占50%，鐵素體相主要富集Cr、 Mo 元素，而奧氏體相主要富集N、 Ni 元素； 超低C 和適量N 是其成分特點，N 是強烈的奧氏體形成元素，既能提高強度又能增強耐應力腐蝕和抗點蝕性能且不損傷鋼的塑韌性[12]，可作為CO2和H2S 共存環境中的管線選材。X65 屬于低碳微合金鋼，具有較好強韌性匹配，在中低壓輸氣管線中應用廣泛。因此，本研究以爆炸+軋制工藝制備的2205/X65 復合板為研究對象，開發了大直徑、 薄復層2205/X65 雙金屬復合管材焊接工藝，并研制出Φ610 mm×（2+14）mm 2205/X65 雙金屬復合管材新產品。通過對復合管焊縫組織相比例、 力學性能、 耐蝕性能等進行系列研究，為2205/X65 復合管材工程化生產及應用提供了理論支撐。

1 試驗材料及方法

試驗材料2205/X65 復合板，規格為（2+14）mm×2000 mm×12000 mm。依據GB6396—2008 《復合鋼板力學及工藝性能試驗方法》 及API 5LD—2015 《內覆或襯里耐腐蝕合金復合鋼管規范》 和SY/T 6623—2012 《內覆或襯里耐腐蝕合金復合鋼管規范》 對復合板原料及試制復合管進行理化性能和腐蝕性能檢測評價。

金相試樣用砂紙研磨并拋光后，X65 鋼用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，2205 復層及其焊縫、 過渡層均用CuCl2（5 g）+HCl（100 ml）+酒精（100 ml）進行腐蝕。用MEF-4M光學顯微鏡（OM）觀察焊縫橫截面各區域微觀組織及腐蝕形貌。用Durascan-70 型維氏硬度計測試原料復合板、 焊縫橫截面顯微硬度。拉伸試驗和彎曲試驗分別在WAW-2000 和CSS-88100 型萬能材料試驗機上進行，沖擊試驗按GB/T 229—2007 《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，將尺寸為10 mm×10 mm×55 mm 的V 形缺口沖擊試樣去除復層，缺口夾角45°，在NAI500F 擺錘沖擊試驗機上進行試驗，溫度為-10 ℃。

復層及焊縫模擬環境的腐蝕速率試驗條件為H2S 分壓0.8 MPa、 CO2分壓1.5 MPa、 Cl-濃度≤15%，采用失重法計算腐蝕速率，即

式中：

R——腐蝕速率，mm/a；

M——試驗前的試樣質量，g；

M1——試驗后的試樣質量，g；

S——試樣的總面積，cm2；

T——試驗時間，h；

D——材料的密度，kg/cm3。

依據NACE TM 0284—2003 《管道、 壓力容器抗氫致開裂鋼性能評價的試驗方法》，采用A溶液（5%NaCl+0.5%冰乙酸，質量百分比）浸泡試樣96 h，測試復層及焊縫HIC 裂紋敏感率CSR、 裂紋長度率CLR和裂紋厚度率CTR，采用公式（2）～公式（4）進行計算

式中：a——裂紋長度，mm；

b——裂紋厚度，mm；

W——截面寬度，mm；

T——試樣厚度，mm。

依據NACE TM 0177—1996 《H2S 環境中抗特殊形式的環境開裂材料的試驗方法》，采用四點彎曲，在80%屈服強度應力水平作用下，浸泡于A 溶液中720 h，測試復層及焊縫SSCC 的腐蝕敏感率； 復層及焊縫晶間腐蝕試驗依據ASTM A262 《檢測奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感度的銅-硫酸銅-硫酸試驗》 方法E 進行。

2 2205/X65 雙金屬冶金復合板組織與性能

2205/X65 雙金屬復合板微觀組織如圖1 所示。由圖1 （a）可知，復層2205 組織為典型奧氏體+鐵素體雙相組織，亮白色區域為奧氏體相，灰暗色區域為鐵素體相。可看出，條帶狀奧氏體相被連續的鐵素體所環繞，沿軋制方向呈現扁平化特征，未發現其他析出物。通過定量金相技術對其兩相比例進行分析，發現奧氏體相和鐵素體相體積分數分別為49.5%和50.5%。由圖1 （b）可知，復合界面清晰，無肉眼可辨缺陷，復合效果良好，熱機械軋制作用使得具有爆炸焊特征的正弦波式復合界面近乎消失。由圖1 （c）可知，基層X65 組織為準多邊形鐵素體+針狀鐵素體+珠光體 （QF+AF+P）。從圖1 可知，2205/X65復合板原料各區域金相組織均符合標準要求，完全滿足制管要求。2205/X65 復合板化學成分和力學性能見表1 和表2。

圖1 2205/X65 雙金屬復合板顯微組織

表1 復層2205 和基層X65 的化學成分 %

表2 2205/X65 復合板力學性能檢測結果

3 2205/X65 雙金屬復合管焊接工藝

2205 DSS 焊接接頭的力學性能和耐蝕性能取決于焊接接頭組織的相結構特征和比例關系。因此，2205 DSS 的焊接是圍繞如何保證其雙相組織進行的。研究[13]表明，當鐵素體和奧氏體量各接近50%時，焊縫性能較好，尤其是韌性和耐蝕性。過低的鐵素體含量（＜25%）將導致焊縫強度和抗應力腐蝕開裂能力下降； 過高鐵素體含量（＞75%）將顯著降低焊縫耐蝕性和韌性。對于2205 DSS，由于母材中含有較高N，保證了焊縫沿熔合線附近區域不會形成單一鐵素體相，使得奧氏體含量一般不會低于30%[14]。同時，2205 DSS 具有良好焊接性，焊接冷裂紋和熱裂紋敏感性均較小，因此焊前不預熱，焊后不熱處理。

本研究復層2205 采用TIG 焊+ER2209 焊絲，較高的Ni 含量確保了焊縫的雙相組織特征及優良的耐蝕性。過渡層采用TIG 焊+ER309 焊絲，較高的合金成分可緩解耐蝕合金元素過度稀釋，防止內、 外焊縫重合區組織出現相比例失衡，且能使過渡層具有良好塑變能力，能較好協調基層焊縫和復層焊縫間熱物理性能差異引起的形變不協調，帶來復層焊縫耐蝕性的降低。基層X65 鋼采用MAG 焊+H08Mn2SiA 焊絲，滿足基層X65管線鋼力學性能匹配。焊接工藝參數見表3。

表3 Φ610 mm×（2+14）mm 2205/X65 復合管焊接工藝參數

焊縫坡口尺寸大小及開口形式嚴重影響2205/X65 復合管焊縫及熱影響區組織和性能。從保證復層焊縫耐蝕性和基層焊縫力學性能的角度，對2205/X65 雙金屬復合管焊接坡口形狀及尺寸進行精細化設計。復層采用V 形坡口，夾角90°±5°； 基層采用V 形坡口，夾角70°±5°。

4 2205/X65 雙金屬復合管焊縫組織分析

圖2 為2205/X65 復合管焊接接頭橫截面宏觀形貌及各區域微觀組織照片。復層焊縫中部為奧氏體+鐵素體雙相組織，在灰暗色鐵素體基體區域均勻相間分布著枝狀亮白色奧氏體相（圖2（b））。過渡層焊縫中部為亮白色柱狀奧氏體+暗黑色鐵素體組織 （圖2（c））。奧氏體組織生長具有明顯方向性，在其柱狀晶交叉晶界處為細小鐵素體相。處于交叉晶界處的鐵素體可細化奧氏體晶粒，打亂奧氏體粗大柱狀晶生長方向，鐵素體相還可增加晶界和亞晶界接觸面積，溶解有害元素S 和P，固溶更多雜質元素，同時顯著減少晶間偏析，提高焊縫耐腐蝕性和抗熱裂能力。基層X65 鋼焊縫中部為先共析鐵素體+針狀鐵素體組織 （圖2（d））。

圖2 （e）為焊接接頭基層母材和過渡層焊縫在熔合線附近組織，圖2 （f）為焊接接頭不銹鋼母材和焊縫在熔合線附近組織，兩種熔合區附近組織明顯不同。圖2 （e）中熔合線附近由于熱傳導作用，熱能損失嚴重，焊接過程的機械攪拌作用相對較弱，熔合線上兩種材料呈現聯生結晶，即外延結晶特征，以未熔化的母材金屬表面為基底形核并向焊縫內部和頂部生長，散熱最快方向生長，隨后長成方向性很強的柱狀晶。過渡層焊縫組織形態為柱狀晶奧氏體+蠕蟲狀鐵素體。圖2 （f）中，焊接是在過渡層焊接之后進行，焊接熱積累顯著，在多道次熱循環作用下，熱影響區晶粒粗化明顯，形態由母材的扁平化特征生長為粗大塊狀。熱影響區晶粒長大程度與單道次焊接熱輸入、 多道次焊接熱積累、 基體原始晶粒尺寸、 填充金屬塑性變形量大小及焊縫溫度梯度等因素綜合作用有關。

圖2 2205/X65 復合管焊接接頭宏觀形貌及各區域微觀組織照片

當多道次焊接熱積累、 單道次焊接熱輸入均較小，焊絲拉拔過程塑性變形量較大時，焊后HAZ 晶粒也可能有明顯長大； 當焊接熱積累、熱輸入均較大，而焊縫溫度梯度較大時，則HAZ 晶粒的長大也是有限的[15-16]。

通過定量金相技術對復層焊縫中部和過渡層焊縫中部進行兩相比例測定分析，結果見表4。結果表明2205/X65 復合管焊接接頭復層和過渡層焊縫鐵素體含量均在35%～65%，符合標準要求。

表4 2205/X65 復合管焊接接頭鐵素體相比率測試結果

5 2205/X65 雙金屬復合管焊縫性能

5.1 力學性能

對2205/X65 雙金屬復合管進行力學性能檢測，結果顯示：焊縫抗拉強度為681 MPa，-10 ℃母材、 HAZ 和焊縫沖擊功均值分別為292 J、 237 J和106 J，-15 ℃DWTT 剪切面積達到100%，焊接接頭正反彎曲 （彎角180°，彎軸直徑70 mm）后拉伸面無裂紋，強度、 塑性和低溫韌性匹配良好，復層焊縫硬度值228～254 HV10，遠小于標準要求的300 HV10； 基層焊縫硬度值195～235 HV10，均低于標準要求的248 HV10； 顯微硬度值分布均衡，無超標硬度點存在。表明2205/X65 雙金屬復合管焊縫性能優良，質量可靠。

5.2 抗腐蝕性能

5.2.1 復層母材及焊縫HIC 和SSCC

HIC 試樣經過96 h H2S 飽和A 溶液浸泡試驗后，經表面宏觀檢查，所有試樣外表面無氫鼓泡和裂紋產生，所有試樣剖面經顯微觀察均無HIC 裂紋，裂紋敏感率CSR、 裂紋長度率CLR和裂紋厚度率CTR 均為0。表明復合管復層母材及焊縫對HIC 不敏感。復合管復層母材及焊縫的SSCC 試樣在80%屈服強度應力水平作用下，在H2S 飽和A 溶液中加載720 h，全部試樣均未發生SSCC 開裂，放大10 倍檢查，試樣表面無裂紋，表明復合管具有優良抗SSCC 性能。

5.2.2 復層母材及焊縫抗晶間腐蝕

采用ASTM A262 E 法對復層母材和焊縫進行晶間腐蝕試驗，腐蝕試樣經彎曲后拉伸面均無裂紋。可以看出，復合管復層母材和焊縫抗晶間腐蝕性能優良，均滿足API 5LD—2015 《內覆或襯里耐腐蝕合金復合鋼管規范》 和SY/T 6623—2012 《內覆或襯里耐腐蝕合金復合鋼管規范》 標準及項目指標要求。

5.2.3 模擬環境腐蝕速率試驗

在H2S 分壓0.8 MPa、 CO2分壓1.5 MPa、 Cl-濃度≤15%條件下，依據GB 10124—1988 《金屬材料實驗室均勻腐蝕浸泡試驗方法》 對復合管復層及焊縫進行腐蝕速率測試，結果見表5。從表5可知，焊縫和母材腐蝕速率均≤0.000 99 mm/a。

試驗結果表明，本研究開發的2205/X65 雙金屬復合管完全滿足相關標準和具體項目指標要求，在“四高” （高溫、 高H2S、 高CO2、 高Cl-）等油氣田服役環境下能夠安全平穩運行。

表5 2205/X65 雙金屬復合管復層母材及焊縫模擬環境腐蝕速率試驗結果

6 結 論

（1）開發的以ER309 作為過渡填充金屬的MAG+TIG 焊接工藝，有效抑制了耐蝕合金元素的稀釋，確保了復合管焊縫組織的相結構特征及相比例關系，復層焊縫和過渡層焊縫鐵素體含量平均值分別為45.62%和39.98%，均處在35%～65%合理范圍內，保證了復合管焊縫的綜合力學性能和耐腐蝕性能。

（2）開發的焊接工藝技術，可用于大直徑2205/X65 復合管的工程化批量生產，產品質量可靠，可用于含有H2S、 CO2及Cl-等強腐蝕性服役環境下管道用材。