鎳合金CRA825長輸復合管半自動TIPTIG焊接工藝

劉振干，李勝利，張二波

中國石油天然氣第一建設有限公司，河南洛陽 471023

1 工程概況

CRA825復合管是一種特殊的雙金屬工程材料，以API 5L X60管道鋼作為基層，用冶金復合方式堆焊825鎳合金管作為復合層金屬，它既有常規(guī)碳鋼管道優(yōu)質(zhì)的力學性能及工程經(jīng)濟性，又具備鎳基合金的特殊抗腐蝕性能，已越來越多地應用到酸性及濕H2S等抗腐蝕要求高的場合。海外某油氣田項目由于運行介質(zhì)中含有大量的濕H2S成分，導致介質(zhì)腐蝕性大大增加，為了保證管道長周期運行安全，選用了抗腐蝕性能更好的CRA825復合管。管道全長62.4 km，采用埋地管道設計，管徑6in（1in=25.4mm），壁厚為9.53mm+3 mm（825鎳合金層）。由于該管道材質(zhì)特殊，質(zhì)量要求高、施工工期緊，考慮到傳統(tǒng)手工焊對焊工要求高、焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定、焊接效率低下等因素，引入TIPTIG焊接工藝來完成CRA825管道焊接。

2 TIPTIG焊接工藝

TIPTIG是一種新興的焊接工藝，綜合了傳統(tǒng)MAG焊效率高及TIG焊質(zhì)量穩(wěn)定的雙重優(yōu)點，采用動態(tài)振動自動送絲系統(tǒng)（并有熱絲系統(tǒng)預熱），克服了傳統(tǒng)氬弧焊手工送絲效率低的缺點。一方面，采用動態(tài)振動自動送絲技術破壞熔滴及熔池的表面張力，提高熔敷效率，細化晶粒，便于熔池中氣體的溢出，改善熔敷金屬性能及外觀成型；另一方面，熱絲系統(tǒng)在焊絲送入熔池前提前對焊絲進行加熱，進一步提升了焊絲的熔敷效率，降低了熱輸入量，提升了焊縫的冶金性能。TIPTIG焊接工藝適用電流范圍大，生產(chǎn)效率高，成本較低，操作方便，能獲得性能穩(wěn)定的高質(zhì)量焊縫金屬，自動化程度較高，可以實現(xiàn)自動焊接及半自動焊接。由于全自動焊接設備復雜，對環(huán)境要求高，現(xiàn)場移動便捷性較差，根據(jù)長輸管道現(xiàn)場焊接的實際情況，本次選擇了機動性更強、操作便利的半自動TIPTIG焊接工藝方法[1-2]。

3 焊接工藝試驗

為了驗證TIPTIG焊能夠獲得優(yōu)良的焊接接頭，對TIPTIG焊接工藝依據(jù)殼牌標準及國際標準進行了焊接工藝評定試驗。

3.1 試驗母材

試驗母材選用和工程材料一致的API 5L X60+3 mm CRA825材質(zhì)，該母材采用冶金復合工藝生產(chǎn)。基層母材的力學性能及CRA825復合層的化學成分見表1、表2。

表1 CRA825復合管基層母材的力學性能

表2 CRA825復合管復合層化學成分質(zhì)量分數(shù) 單位：%

3.2 焊材

根據(jù)復合管母材基層的碳鋼強度及復合層化學成分，選用ERNiCrMo-3（N06625）焊材作為填充金屬，參考國際市場的焊材品牌，本次試驗選擇了ESAB和Special Metal（下文簡稱SPME） 兩個品牌的ERNiCrMo-3焊材進行對比試驗，焊絲直徑0.9 mm。ERNiCrMo-3焊材的化學成分見表3。

表3 ERNiCrMo-3焊絲的化學成分質(zhì)量分數(shù)對比 單位：%

3.3 接頭的設計

根據(jù)TIPTIG焊接工藝特性，為了進一步提高熔敷效率，降低焊縫截面積，減少焊接熱輸入及熱影響區(qū)面積，焊接接頭坡口采用專用刀頭加工的“U”形坡口，坡口示意及實物見圖1。

圖1 坡口示意圖及實物

3.4 惰性氣體背面保護裝置

由于鎳基合金焊接的特殊性，為了獲得優(yōu)良的根部焊縫，必須采用惰性氣體對焊縫進行背面保護，本次采用的是帶自動氣體背保護裝置的專用長輸管道內(nèi)對口器，見圖2。該裝置集管道內(nèi)對口器功能及焊縫背面氣體保護裝置于一體，通過氬氣管道與外部的氧含量自動監(jiān)測儀相連，實現(xiàn)了焊縫背面氧氣含量濃度的自動實時監(jiān)測，起到了接頭焊縫對口及背面保護的雙重作用。

圖2 集對口及焊縫背面氣體保護于一體的內(nèi)對口器

3.5 焊接工藝參數(shù)

（1）焊接前應對坡口表面、坡口周邊的污物、基材銹蝕等進行徹底清理，并采用丙酮對復合層坡口表面、焊絲等進行徹底清理。

張會永，副主任醫(yī)師/副教授，現(xiàn)任遼寧中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院血液科副主任。畢業(yè)于遼寧中醫(yī)藥大學本碩連讀中醫(yī)學專業(yè)。2004年拜國醫(yī)大師李玉奇先生門下，隨學8年，系統(tǒng)學習傳統(tǒng)中醫(yī)理法方藥，并研習舌診、脈診。2007年起，師從楊關林教授學習中西醫(yī)結合臨床與研究。2008年始，從事血液科臨床工作至今。臨床之余，整理名老中醫(yī)學術經(jīng)驗，并從事生存質(zhì)量及中醫(yī)藥療效評價方法研究。

（2）焊接采用直流正接小電流、多層多道焊、小熱輸入的方法進行焊接，焊接熱輸入不超過2.0 kJ/mm，焊接參數(shù)見表4。

表4 TIPTIG焊接工藝參數(shù)

（3）不預熱或者采用低于50℃的預熱溫度，層間溫度控制在150℃以內(nèi)。

（4）結合TIPTIG焊接特性，采用適當?shù)臄[動方式提高熔敷效率，減少層間缺陷的產(chǎn)生。

3.6 惰性氣體背面保護監(jiān)測

CRA825復合管焊接背面保護氣體采用氬氣，純度為99.995%以上。焊接前，打開內(nèi)部充氬裝置對接頭根部進行氬氣置換，氣流量14～30 L/min，沖氬2～3 min，采用和內(nèi)對口器相連的氧含量測試儀對接頭背面氧含量進行監(jiān)測，見圖3。為達到良好的背面保護效果，焊接前及焊接過程中，背面保護氣中氧氣的體積分數(shù)要低于0.1%，且以不大于0.05%為最佳。

圖3 實時監(jiān)測接頭背面保護的氧氣含量

4 焊接接頭的無損檢測

焊接完畢后，待溫度降至室溫后，對焊接接頭進行外觀檢測，檢測表明，焊縫內(nèi)外部表面成型良好，無咬邊、焊瘤，焊縫表面圓滑，余高1.5～2 mm，無任何表面缺陷。焊縫根部呈現(xiàn)銀色及局部藍黃色，氧化顏色符合規(guī)范規(guī)定。對接頭進行RT和表面PT檢測，在RT檢測底片上僅看到有個別氣孔、夾鎢存在，焊接試件共10件，合格率100%，焊縫RT檢測顯示的統(tǒng)計結果見表5。

表5 接頭RT結果

5 焊接接頭的機械性能試驗

5.1 焊接接頭的力學性能

對焊接接頭按照ASTMA370進行拉伸、彎曲試驗，以驗證焊接接頭的力學性能，試驗結果見表6。從表6可以看出，焊縫力學性能良好，符合規(guī)范要求。

表6 焊接接頭的力學性能

5.2 焊接接頭的宏觀及硬度試驗

為了進一步驗證焊接接頭的熔合性并保證焊接接頭具有耐酸性介質(zhì)腐蝕的能力，對焊接接頭進行宏觀及硬度試驗。宏觀試驗照片見圖4，硬度值見表7。通過宏觀照片觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫層間熔合良好，未發(fā)現(xiàn)任何層間夾雜及未熔合產(chǎn)生。從表7可以看出，焊接接頭碳鋼部分硬度值HV10均小于規(guī)范要求值（275），焊縫金屬硬度值HV10均小于340，硬度指標符合規(guī)范要求，對比分析發(fā)現(xiàn)使用ESAB焊材的硬度值相對較高。

表7 焊接接頭的硬度值HV10

圖4 宏觀照片

5.3 沖擊試驗

表8 焊接接頭不同位置的低溫沖擊吸收功

圖5 夏比沖擊試樣取樣位置

6 焊接接頭金相、化學成分及腐蝕試驗

6.1 微觀金相試驗

經(jīng)過取樣、粗磨、細磨、腐蝕等步驟制備的金相試樣在400X光學顯微鏡下進行觀察，結果如圖6所示。接頭部位由于熔合了碳鋼母材、CRA825堆焊層、填充金屬三種材質(zhì)，因此其化學成分比較復雜，從圖6可以看到，焊縫為均勻奧氏體，呈枝狀發(fā)展，枝狀晶發(fā)展方向較一致；接頭母材及熱影響區(qū)均為細晶粒鐵素體及珠光體，晶粒分布均勻，無晶間化合物析出[3-4]。

圖6 微觀圖像

6.2 焊縫金屬的化學成分

為了驗證TIPTIG焊接過程對鎳基焊材產(chǎn)生稀釋性的影響，對焊縫金屬進行化學成分分析。從根部焊縫中心距表面0.5 mm處取樣分析，得出焊縫金屬的化學成分如表9所示，由表9看出焊縫金屬的化學成分符合焊縫所用鎳基焊材的化學成分要求。

表9 焊縫金屬化學成分質(zhì)量分數(shù) 單位：%

6.3 焊接接頭的晶間腐蝕試驗

為了保證焊接接頭具有優(yōu)良的抗腐蝕性能，采用ASTMG28方法A對焊接接頭進行硫酸-硫酸鐵環(huán)境下的晶間腐蝕試驗。取樣部位位于焊縫根部包括焊縫及熱影響區(qū)（去除基層碳鋼），試樣大小為25 mm×25 mm×3 mm，然后進行加工、拋光、稱重。試驗溶液為25 g硫酸鐵溶于600 mL硫酸形成的硫酸-硫酸鐵溶液，加入試樣后，在沸騰狀態(tài)下連續(xù)沸騰120 h。試驗結果采用稱重法進行評估，腐蝕試驗見圖7，試驗結果見表10。從試驗結果得知，SPME焊材的腐蝕速率小于ESAB焊材，因此防腐蝕性能更好。

表10 腐蝕試驗結果分析

圖7 ASTMG28硫酸-硫酸鐵腐蝕試樣

7 焊接試驗結論

對上述焊接試驗及理化試驗結果進行分析得出：

（1）TIPTIG焊在鎳基復合管焊接中能獲得優(yōu)良的焊縫，合格焊工焊接的焊縫中只有極少數(shù)的氣孔及夾鎢存在，均在可接受范圍內(nèi)，無熱裂紋、未熔合、未焊透等焊接缺陷產(chǎn)生。

（2） SPME和ESAB焊材的機械性能及抗腐蝕性合格，但SPME焊材在接頭硬度性能、焊縫沖擊性能、耐腐蝕性能方面更勝一籌，尤其是耐腐蝕性能方面，具有較大優(yōu)勢，因此選擇性能更優(yōu)的SPME焊材。

8 CRA825復合管TIPTIG焊接要點

采用TIPTIG焊工藝進行CRA825復合管焊接時應注意以下施工要點：

（1）基于TIPTIG焊工藝特性，操作人員要進行專門培訓，熟練掌握TIPTIG焊擺動幅度、控絲方法、窄間隙坡口焊接等操作技巧。

（2）由于鎳焊接對油水銹的敏感性，因此焊前必須徹底清除坡口表面及附近區(qū)域的油水銹等異物，并采用丙酮擦拭坡口表面以進行徹底清理。

（3）焊接時嚴格控制層間溫度及熱輸入，層間溫度不超過150℃，熱輸入不超過2.0 kJ/mm。

（4）焊接時應將層間接頭部位錯開，熄弧時將弧坑填滿以避免弧坑熱裂紋的產(chǎn)生。

（5）焊接接頭背面保護對焊縫根部的成型及氧化尤其重要，要采用純度99.995%以上的氬氣及惰性氣體背面保護裝置，背保護氣要維持到至少熱焊完成才能去除，建議采用內(nèi)窺鏡技術對焊縫氧化程度進行實時監(jiān)控檢查。

（6）基于TIPTIG焊對風速的敏感性，現(xiàn)場焊接時要采取嚴格的防風措施，控制風速≤2 m/s。

（7）可根據(jù)長輸管道現(xiàn)場實際條件實現(xiàn)全位置、全天候半自動TIPTIG焊接，機動性、便利性優(yōu)于全自動焊接及手工焊。

（8）采用TIPTIG焊能大幅提高焊接效率，經(jīng)過實際對比，現(xiàn)場半自動TIPTIG焊比一般手工焊效率提高1.5～2倍。

（9）該焊接方法焊接質(zhì)量優(yōu)良，焊接一次合格率高，培訓合格的焊工可在滿足工作量的基礎上獲得優(yōu)良的焊縫，實際焊接合格率維持在98.5%以上。

（10）半自動TIPTIG焊接操作技能易于掌握，普通手工焊工經(jīng)過短期培訓便可以掌握操作技術，并獲得高質(zhì)量的焊接接頭，從而滿足不同場合的實際焊接需要。