水平固定復合管雙金屬環焊縫焊接工藝和應用研究

穆學杰　孫寧松　曲海濤　田黎明　李廣華　向琪月　牟宗浩　宋元新

摘要：雙金屬復合管和耐蝕合金預制內補口鋼管以其優異的耐腐蝕性能和免補口特點在油田中得到了廣泛應用，特別是耐蝕合金預制內補口鋼管造價相對低廉，近年來在國內油田高腐蝕地面管道中得到了較大面積的推廣，效果良好。由于雙金屬復合管內、外層金屬在化學成分、微觀組織、物理性能等方面的差異，常用的對接焊接工藝存在工序復雜、操作難度大、施工成本高、焊工技能要求嚴的難題，容易造成成分偏析、耐蝕合金成分稀釋、內焊道成形不良、虛焊、碳遷移和熱輸入引起的熔合區組織變化等結果。從影響雙金屬焊縫質量的因素出發，以不銹鋼復合管水平固定對接焊為研究對象，從坡口形式、組對方式、耐蝕合金打底焊層和雙金屬過渡焊層的焊接方法等方面進行實驗研究，提出了復合管內封焊、U型坡口無間隙組對、熔池背部保護、無填充熔化焊打底和無填充熔化焊過渡等新的工藝方法，通過X射線探傷和焊接工藝評定，并結合微觀組織分析，對焊接工藝進行了綜合評價。

關鍵詞：復合管;耐蝕合金預制內補口鋼管;雙金屬焊縫;無填充熔化焊打底;無填充雙金屬過渡焊

中圖分類號：TG457文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0061-09

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.10

0 前言

油田單井油氣輸送用埋地鋼質管道孔徑較小（不大于φ114 mm），由于沒有小孔徑鋼質管道焊口內防腐補口技術，一般不對管道內壁進行防腐處理，隨著油田采出液腐蝕性的增加，管道內腐蝕日趨嚴重。以勝利油田為例：勝利油田現有單井管道6 000余條，總長超過10 000 km，由于輸送介質的復雜性，油田單井、注水、集輸管線的內壁腐蝕遠遠超過管道外壁的腐蝕，調查發現，油田單井、注水和集輸管線腐蝕穿孔的部位70%～80%集中在焊口區域。油田管道壽命一般為2～3年，部分管道運行不到一年就發生穿孔現象。據統計，油田金屬管道平均每10 km存在2.5處隱患，每年因腐蝕造成的管道維修、污染環境等經濟損失超過2億元，因重復建設造成的經濟損失無法估量，這也是開采成本居高不下的原因之一。

雙金屬復合管和耐蝕合金預制內補口鋼管憑借其優異的耐腐蝕性能和免補口特點，在油田中得到了廣泛應用，特別是耐蝕合金預制內補口鋼管的造價相對低廉，近年來在國內油田高腐蝕埋地管道中得到了較大面積的推廣，取得了良好的效果。

耐蝕合金預制內補口鋼管是一種在普通碳鋼鋼管管端內壁通過堆焊或堆焊+內襯預制一層耐蝕合金層，然后對鋼管內壁進行防腐處理，在管道焊接連接后，通過耐蝕合金焊縫連接管道內防腐層形成連續有效的鋼管。其管端結構相當于不銹鋼內襯復合管，如圖1所示。

由于油田埋地管道必須在地上焊接連接至幾百米以上長度后再下溝連頭，所以只能采用水平固定管管對接焊接。并且要求雙金屬焊縫不銹鋼打底層中不得熔入碳鋼成分、碳鋼填充蓋面層與打底焊層必須良好熔合等，這就需要技能較高的焊工才能完成。而國內高技能焊工較少，無法完成油田埋地管道巨大的工作量，這限制了不銹鋼內襯復合管道和耐蝕合金預制內補口管道的推廣應用。

因此，針對雙金屬復合管的焊接施工難題，從焊接材料、封焊方法、坡口形式、組對方式、焊接方法等因素出發，開發一種更簡單可靠的焊接工藝，以降低焊接施工難度，提高焊縫質量，延長管道壽命，降低管道建設和運營綜合成本，減少管道安全、環保風險，推動不銹鋼雙金屬復合管道和耐蝕合金預制內補口管道的應用，具有重要意義。

1 影響復合管焊縫質量的主要因素

1.1 復合管封焊位置對打底焊層質量的影響

1.1.1 外封焊對打底焊層質量的影響

復合管的內襯管與基管是機械結合，層間存在間隙，通常采用GB/985.4推薦的坡口形式[1]和外封焊方法[2]。其坡口形式、封焊位置和組對間隙如圖2所示。焊接施工方案為不銹鋼焊絲氬弧焊打底+309L氬弧焊過渡+J507焊條電弧焊填充蓋面。

在復合管焊接中，打底焊層的焊接質量至關重要。傳統的復合管焊接工藝采用管口間隙組對的方法，當采用焊條電弧焊時，容易造成內焊道焊瘤、夾渣、未熔透等缺陷;采用TIG焊時，會使外封焊層再次熔化，雙金屬夾層內的空氣會因膨脹而逸出，極易造成熔合區焊縫一側氣孔的產生，嚴重時會穿透打底焊層，在輸送液體導電介質時，引起雙金屬夾層電偶腐蝕現象而形成刺漏，如圖3所示位置。

1.1.2 內封焊V型坡口對打底焊層質量的影響

為避免外封焊復合管存在的雙金屬夾層內空氣膨脹造成的熔合區焊縫一側氣孔的產生，耐蝕合金預制內補口鋼管采用管端內堆焊方法，使基管與不銹鋼層冶金結合，其結構如圖4所示。

管端內堆焊復合管的焊接施工方案與機械復合管相同，一般采用不銹鋼焊絲氬弧焊打底+309L氬弧焊過渡+J507焊條電弧焊填充蓋面。采用手工氬弧焊打底焊接時，氬氣電弧極易將坡口面的碳鋼成分熔入打底焊層的內表面，由于雙金屬電位存在差異，同樣存在輸送液體導電介質時在焊縫碳鋼處發生孔蝕[3]的現象。

1.2 雙金屬過渡焊層焊接工藝對焊縫質量的影響

雙金屬之間的過渡層是熔合耐蝕合金打底焊層、碳鋼坡口面和碳鋼填充焊層，起到雙金屬過渡作用的焊層，是影響復合管雙金屬焊縫質量的關鍵。由于耐蝕合金內層及不銹鋼焊材在化學性能、物理性能等方面與碳鋼及焊材存在較大差異，在雙金屬焊縫焊接過程中會出現許多難以解決的問題。其中碳遷移引起的熔合區脆化、雙金屬結晶裂紋、熱應變引起的焊道裂紋等尤為明顯，削弱了焊縫的力學性能和耐腐蝕性能，難以滿足工程結構中的實際需要[4]。

采用奧氏體不銹鋼焊材在不銹鋼打底焊層之上與低碳鋼坡口面進行雙金屬過渡層焊接時，存在許多問題，主要表現在以下兩個方面：

（1）鋼的熔點在1 500 ℃左右，不銹鋼焊材的熔點與之接近;低碳鋼焊材的熔點約1 600 ℃。當采用奧氏體不銹鋼焊材在不銹鋼（309L）打底焊層之上進行雙金屬過渡焊接，且過渡焊層較厚時，由于焊材熔點的差異，309L過渡焊層表面熔化流平遮蓋了底部兩側坡口面，致使碳鋼坡口表面未達到熔化溫度，出現了不銹鋼過渡焊層與不銹鋼打底焊層之間熔合良好，而與低碳鋼坡口面虛焊的現象，如圖5所示。

（2）焊道或焊層之間，以及焊縫與母材之間的殘余應力對焊縫的力學性能和耐腐蝕性能有害。在同種鋼焊縫中，引起此應力原因是焊接熱輸入造成的應力分布不均勻，該現象可以通過焊后熱處理來消除;在異種鋼焊縫中，除了上述原因外，不同金屬線膨脹系數的差異也會引起焊縫應力，焊后熱處理只能使層間應力均勻分布，不能完全消除。

20 ℃時，20鋼的線膨脹系數為12.78×10-6/℃，309L不銹鋼焊材的線膨脹系數為15.85×10-6/℃，兩者差異較大，焊層中勢必存在較大的應力。S2209管端內堆焊復合管如圖6所示，采用S2209打底，309L過渡和填充蓋面的焊縫側彎試件，其中S2209的線膨脹系數為13.70×10-6/℃，更接近于20鋼。由圖6可知，試件側彎后內焊道有開裂現象，原因是線膨脹系數較大的309L過渡層在焊接過程中受熱膨脹，導致線膨脹系數較小的S2209打底焊層與堆焊焊層之間開裂。

1.3 小結

由于雙金屬復合管內、外層金屬在化學成分、微觀組織、物理性能等方面的差異，傳統的對接焊接工藝存在工序復雜、現場操作難度大、施工成本高、焊工技能要求嚴的問題，容易造成成分偏析、耐蝕合金成分稀釋、內焊道成形不良、虛焊、碳遷移和熱輸入引起的熔合區組織變化，以及層間熔合不良、基管成分熔入內焊道引起電化學腐蝕等結果。

焊接實踐證明，如果沒有高超的焊接技能，難以控制打底焊層不熔入碳鋼成分以及保證309L過渡層與碳鋼坡口面的良好熔合，不能保證雙金屬焊縫質量。因此，需要一種簡單可靠的、低技能焊工即可輕易完成的復合管焊接施工工藝，以適應油田管道建設的需要。

2 焊接工藝方案設計

2.1 焊接設備和方法

2.1.1 焊接設備

采用逆變式直流脈沖焊接電源或自動焊機來完成水平固定復合管雙金屬環焊縫的焊接。

2.1.2 焊接方法

a. 打底焊層——TIG不擺動脈沖無填充熔化焊。采用該方法的目的是：（1）無填充熔化焊可避免內焊層熔入碳鋼成分，保證通過內焊層連接的耐蝕合金內襯層連續有效。（2）可在確保焊層熔透的前提下，采用脈沖電流打底焊防止熱輸入過大引起的仰焊位置焊縫內凹。

b. 雙金屬過渡焊層——TIG無填充擺動熔化焊。為防止過渡層與兩側坡口面虛焊，本方案設計采用無填充氬弧擺動，將堆焊熔合區和坡口面的碳鋼成分熔化在打底焊層之上，形成含有雙金屬成分的過渡層，以保證雙金屬焊層之間熔合良好。

c. 填充蓋面層——擺動焊。填充蓋面焊層的焊接方法采用傳統TIG擺動填絲焊或焊條電弧焊。

3 坡口設計和試件制作

3.1 主要設計思想

（1）應確保耐蝕合金熔化焊打底焊層不熔入坡口面碳鋼成分。

（2）除適用于手工焊接外，還能適用于自動焊接。

（3）應能以較少的金屬填充量完成雙金屬環焊縫的焊接。

3.2 坡口的適用性分析

3.2.1 U型坡口的適用性分析

如果將GB/T985.4 推薦的U型坡口改為無間隙組對（見圖7a），則存在如下問題：

（1）能夠實現熔化焊單面焊雙面成型的需要，但無法避免碳鋼熔入焊層。

（2）自動焊機垂直的鎢針氬氣電弧無法直接作用于碳鋼坡口面，難以形成雙金屬過渡層。

3.2.2 V型坡口的適用性分析

如果將GB/T985.4 推薦的V型坡口改為無間隙組對（見圖7b），可以保證熔化焊打底焊層不熔入碳鋼成分，但存在以下問題：

（1）鈍邊寬度較大，無法使坡口面根部熔化流平形成雙金屬過渡層。

（2）坡口面與鈍邊交界處的形狀增加了焊前清理的難度。

3.2.3 結論

GB/T985.4 推薦的復合鋼坡口適用于間隙組對、填充金屬打底焊接工藝，無法適用于復合管的自動或手工熔化焊打底、過渡的焊接工藝。所以，需要重新設計一種坡口形式，以符合設計思想的要求。

3.3 坡口設計

3.3.1 坡口形狀和尺寸

對上述兩種坡口進行了改進，以適應設計思想的要求，其形式和尺寸如圖8所示。

3.3.2 坡口特點

（1）與推薦的V型坡口相比，減少了金屬填充量（見圖7、圖8）。

（2）對管口內壁和坡口進行了機械加工，對接管口內徑一致，保證了無間隙組對的精度;鈍邊厚度一致，為自動焊接提供了條件。

（3）鈍邊和圓弧過渡處由耐蝕合金構成，能夠避免熔化焊打底焊層碳鋼成分的熔入。

（4）坡口面的角度可使自動焊機的垂直鎢針氬氣電弧作用于坡口面，有利于通過熔化焊形成雙金屬過渡層。

（5）鈍邊與坡口面采用圓弧過渡，方便現場焊接前管口的清理。

3.4 試件制作

3.4.1 復合管內封焊

選擇φ76×7 mm 20鋼基管，采用2209雙相不銹鋼堆焊+內襯的預制內補口方法制作管端復合管試件，如圖9所示。

試件中將外封焊改為內封焊是為了防止外封焊焊道在管口對接焊接時的二次熔化引起的雙金屬夾層中空氣的膨脹逸出，從而引起熔合區氣孔的產生。

封焊材料選擇與碳鋼基管線膨脹系數最接近的S2209雙相不銹鋼，避免因膨脹系數的差異引起較大的層間應力。

封焊層在靠近管端約15 mm寬度位置加厚，是為了參與熔焊的坡口鈍邊處不含有碳鋼成分，防止耐蝕合金成分的稀釋。

3.4.2 試件機械加工

根據上述設計，對封焊完成的鋼管按設計要求進行機械加工，實物如圖10所示。

4 管口的焊接

4.1 焊層設計

φ76×7+2 mm復合管雙金屬焊縫的焊層設計如圖11所示。

4.2 焊前準備

4.2.1 管口清理

采用鋼絲刷清理坡口面，采用砂布輪將管口內、外約10 mm范圍內清理干凈，待焊接部位丙酮擦拭。

4.2.2 熔池背部保護

管口清理后組對前，在管口內壁約5 mm范圍內按說明書均勻涂抹免充氬保護焊劑[5]。然后將鈍邊處的多余部分擦拭干凈。

4.2.3 管口組對

試件采用無間隙組對如圖12所示。野外施工現場采用專用對口架組對，組對速度較傳統方法快而準確。

4.2.4 管口定位

采用無填絲氬弧熔化焊定位焊接方法，每段定位焊道的長度不小于15 mm，并均勻分布在圓周上且不少于3處。

4.3 焊接要點

4.3.1 打底層

采用手工氬弧焊將對接的耐蝕合金鈍邊熔化形成打底焊層，如圖13所示。在熔焊過程中無需填充焊材。

4.3.2 過渡焊層

打底層完成后，如果直接采用碳鋼焊條進行基管焊接，不可避免會出現焊縫耐蝕合金元素的稀釋，以及材料膨脹系數的差異引起的層間裂紋，因此，必須進行雙金屬過渡層焊接[6]。

雙金屬過渡層的焊接要點是焊層要薄，要保證雙金屬組織均勻。

具體方法是：鎢極氬氣電弧主要作用于坡口面根部，在兩側稍作停留，將坡口面的一部分熔化，通過鎢極擺動推動熔池在打底焊層上形成較薄的雙金屬過渡層（約1.5～2 mm），如圖14所示，整個焊接過程無需填充金屬。

該焊層含有堆焊耐蝕合金和坡口面碳鋼成分，與碳鋼和耐蝕合金都具有良好的焊接性，且線膨脹系數居于兩者之間，層間不會存在較大的殘余應力。

4.3.3 填充蓋面焊層

采用焊條電弧焊進行填充、蓋面層的焊接，完成雙金屬焊縫的焊接。本試驗采用φ1.0 mm的ER50-6焊絲鎢極氬弧自動焊接代替焊條電弧焊完成填充、蓋面層的焊接。

4.4 焊接工藝參數

手工焊焊接工藝參數如圖15所示。本實驗在手工氬弧打底、過渡焊層完成后，采用自動焊接機進行了填充、蓋面焊層的焊接試驗，以檢驗自動焊機的性能和適用性，其預設的焊接參數如圖16所示。

4.5 焊接過程和焊層外觀

手工打底、過渡焊層外觀如圖17所示。自動填充、蓋面焊層外觀如圖18所示。

5 焊縫檢測和分析

5.1 焊層外觀目測檢測

各焊層外觀無缺陷，熔合良好。

5.2 焊縫微觀組織分析

將焊縫金屬截取試件并分區，如圖19所示，觀察分析其微觀組織。其中，熔化焊打底焊層的微觀組織如圖20所示，過渡焊層微觀組織如圖21所示，低碳鋼填充層與坡口面熔合區微觀組織如圖22所示。

圖20左側為預制內補口堆焊區，右側為熔化焊對接打底焊層。可以看出，焊縫組織由鐵素體和奧氏體組織組成，與耐蝕堆焊金屬組織相同。熔合線清晰無缺陷。

由圖21可知，下部是與打底焊層的熔合區，主要由奧氏體、鐵素體和少量珠光體構成，上部是與低碳鋼填充焊層的熔合區，珠光體分量增多。各焊層之間熔合良好無缺陷。

圖22左側是低碳鋼坡口面，右側是低碳鋼焊材填充金屬。焊縫熔合良好，熔合線坡口面一側有微弱碳增濃，符合焊縫微觀組織的一般現象。

5.3 焊縫合金稀釋分析

由圖20可知，熔化焊打底焊層中均勻分布有少量珠光體組織，這是由于堆焊熔合區合金再次熔化形成的耐蝕合金稀釋，其稀釋率很小，對打底焊層的耐腐蝕性能影響不大。

5.4 焊縫力學性能和射線探傷

本焊件焊縫經射線檢測和力學性能試驗合格，其中射線影像共10件，檢測比例100%，評定級別全部為Ⅰ級;其中根據SY/T0452-2012標準進行的拉力試驗、彎曲試驗、沖擊試驗和刻槽錘斷試驗結果100%合格，如圖23所示。焊件的內焊縫和射線影像如圖24所示。

6 結論

內襯不銹鋼復合管道采用管端內封焊、背部焊劑保護、改進型坡口無間隙組對、無填充熔焊打底和無填充熔焊過渡方法，能夠簡化焊接工藝，降低焊接難度和施工成本，保證焊縫質量，是一種值得推廣的不銹鋼內襯復合管道或耐蝕合金預制內補口防腐管道的焊接工藝。該工藝已經成功應用于勝利油田埋地復合管道的現場施工中（見圖25）。

參考文獻：

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[6] 張立君，張燕飛，郭崇曉. 2205雙相不銹鋼雙金屬復合管焊接工藝研究[J]. 焊管，2009，32（4）：30-34.