X60/625鎳基合金復(fù)合管環(huán)縫焊接工藝及應(yīng)用

楊延華

(西安航空學(xué)院，西安 710077)

0 前言

在油氣集輸管道中，應(yīng)用雙層金屬復(fù)合管是防止油氣介質(zhì)腐蝕內(nèi)徑的有效方法，是一種新型防腐技術(shù)[1-3]，以雙層金屬復(fù)合管作為油氣田輸送管，是有效進行腐蝕預(yù)防和控制的主要管材，與碳鋼管相比可以耐腐蝕，與耐蝕合金純材相比，價格經(jīng)濟。由于雙金屬復(fù)合管的良好的耐蝕性和經(jīng)濟性，自20世紀90年代以來，其相關(guān)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用研究取得一定進展[4-5]。雙金屬復(fù)合管在油氣集輸管道中的應(yīng)用，有效解決了高腐蝕油氣集輸管材的腐蝕問題。由于雙金屬復(fù)合管道是2種材料機械或者冶金結(jié)合，則管道的質(zhì)量受多個加工環(huán)節(jié)影響，其中包括制造、檢驗、施工等，其中管道環(huán)焊縫的焊接，是管道集輸系統(tǒng)密封和強度、耐蝕等極其重要環(huán)節(jié)，否則極易出現(xiàn)焊接開裂、腐蝕泄露等質(zhì)量安全事故及環(huán)保事故[6-7]。

有些地區(qū)天然氣中含有硫化氫等腐蝕介質(zhì)，如阿美公司建設(shè)的沙特哈拉德項目位于沙特中南部的蒙德瑞克地區(qū)，該地區(qū)天然氣中含有的硫化氫等腐蝕介質(zhì)，對碳鋼管產(chǎn)生嚴重的腐蝕性，尤其是場站工藝管線、彎頭、彎管、三通等管件，更容易發(fā)生腐蝕失效，嚴重降低工藝管網(wǎng)的使用壽命，場站維修、更換管線管件比較復(fù)雜，且成本高。如果需要停輸將會嚴重影響經(jīng)濟效益。因此，選擇雙金屬復(fù)合管成為油氣田集輸管道腐蝕控制重要手段。在沙特哈拉德項目11條集輸干線及7座站場管線全部設(shè)計為內(nèi)堆焊冶金復(fù)合管X60/625，基材為API 5L PSL2 X60，覆材為鎳基合金625，管徑分別是6寸、8寸、16寸、20寸、24寸、30寸、48寸，壁厚范圍為7.11/3～38.1/3 mm。

由于雙金屬復(fù)合管焊接本身涉及到異質(zhì)材料的焊接，具有一定的焊接難度，再加上本項目冶金復(fù)合管是在X60基管內(nèi)堆焊鎳基焊材625而成，覆層材料受應(yīng)力、裂紋、氧化、合金元素稀釋等因素影響，在環(huán)焊縫組對焊工程中焊接更為困難。

依據(jù)相關(guān)研究文獻[7]，在20世紀90年代初期，雙金屬復(fù)合管管端封焊處理，環(huán)焊縫工藝為根焊、過渡焊、填充焊、蓋面焊等。管端封焊采用不銹鋼焊絲，經(jīng)過TIG焊接工藝完成不銹鋼和碳鋼層間隙的密封焊接。根焊采用不銹鋼焊絲或焊條打底，過渡焊采用過渡材料焊接，如309Mo焊絲，完成從不銹鋼層到碳鋼層的過渡，接著填充焊和蓋面焊采用碳鋼焊材完成碳鋼層的填充和蓋面。此類焊接工藝薄弱環(huán)節(jié)主要為封焊工藝和過渡焊工藝。例如，某油田用φ273 mm×(7+2) mm L360/316雙金屬機械復(fù)合管，管端采用封焊工藝，環(huán)焊縫采用根焊、過渡焊、填充及蓋面焊，抽查焊口220道，合格率為77.2%，不合格焊口主要集中為封焊和過渡焊問題[8]。而文獻[9-10]分析的某油田L(fēng)415/316L復(fù)合管焊接裂紋結(jié)果說明，過渡層高碳含量引起的高淬硬傾向從而引起復(fù)合管焊接接頭裂紋。文獻[11]報道分析了新疆克深2氣田應(yīng)用雙金屬復(fù)合管實踐中出現(xiàn)了焊接裂紋，從而導(dǎo)致失效管道失效。

鑒于根焊、過渡、填充焊接工藝具有成本低、便于施工等優(yōu)點，在塔里木迪那2氣田、克深2氣田等應(yīng)用，取得一定效果，但是還是容易出現(xiàn)焊縫稀釋、焊縫裂紋等問題。因而這類焊接工藝需要具有可靠穩(wěn)定的焊接工藝控制手段和檢驗手段，從而方可保證接頭的焊接質(zhì)量[7]。還有文獻[12-13]，從焊接坡口、保護氣體等方面研究雙金屬復(fù)合管環(huán)焊縫相關(guān)工藝，也取得一定進展，值得行業(yè)借鑒。因此，文中開展對X60/625堆焊冶金復(fù)合管環(huán)焊縫焊接工藝研究，以來保證焊縫的結(jié)構(gòu)性能和耐蝕性能，為阿美公司建設(shè)的沙特哈拉德項目提供工藝參考。

1 焊接工藝分析與工藝設(shè)計

1.1 焊接性能分析

堆焊冶金CLAD復(fù)合管φ219 mm×(8.74+3) mm X60/625，內(nèi)層為鎳基耐蝕性金屬(鎳基合金625)，在室溫下的微觀金相組織為單一奧氏體；外層為低合金鋼(X60)，在室溫下的微觀金相組織為針狀鐵素體+珠光體。基管執(zhí)行API Spec 5L 45版 PSL2標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)格為φ219 mm×8.74 mm，堆焊冶金復(fù)合管規(guī)格為φ219 mm×(8.74+3) mm，堆焊材料為625，堆焊厚度為3 mm。基管為X60管線鋼材料，I型碳當(dāng)量CEPcm為0.16%，II型碳當(dāng)量CEIIW為0.33%，其屬于低合金鋼，具有良好的焊接性能，焊接試驗用X60管線鋼拉伸性能測試結(jié)果為，屈服強度為 440 MPa,抗拉強度為550 MPa。堆焊焊絲為625材料，所有堆焊層為625熔覆金屬，PMI測試結(jié)果Cr含量為22.62%，Ni含量為62.97%，Mo含量為8.90%，符合 625熔覆金屬材料化學(xué)成分要求。堆焊冶金復(fù)合管基管、覆層的化學(xué)成分分別見表1和表2。

表1 基管X60化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 堆焊層化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

1.2 焊接工藝設(shè)計

焊接工藝設(shè)計為鎢極氬弧焊+焊條電弧焊(GTAW+SMAW)來進行焊接。焊接前要進行坡口設(shè)計、管道的組對、背面保護及全位置焊接等。坡口設(shè)計中，由于該項目中焊材為X60/625，坡口加工為30°±2.5°，如圖1焊接坡口及焊接分層示意圖所示。采用機械加工，嚴禁使用氧-乙炔和等離子切割加工，加工成形后用磨光機進行清理坡口內(nèi)外表面。坡口組對前，需重新對坡口清理表面，去除鎳基層表面氧化膜，在用丙酮清洗坡口內(nèi)外表面，清洗后用清水沖洗并用絲布擦干，對口間隙為0～1 mm。焊絲選用伯樂AWS A5.14 ERNiCrMo-3，焊絲直徑為φ2.4 mm，抗拉強度≥760 MPa，焊絲化學(xué)成分見表3。焊條選用伯樂AWS A5.11ENiCrMo-3 Thermanit 625，焊條直徑為φ2.5 mm，屈服強度≥450 MPa，抗拉強度≥760 MPa，焊條化學(xué)成分見表4。

圖1 焊接坡口及焊接分層示意圖

表3 焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表4 焊條化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

保護氣體選用工業(yè)氬氣(Ar)，純度99.997%，焊接氬氣流量10～15 L/min，根焊時背氬流量20～25 L/min。

焊接工藝過程為：根焊(1)、熱道焊(2)、填充焊(3,4)、填充焊(5)、蓋面焊(6,7)，共7層16道，如圖1所示。其中根焊(1)、熱道焊(2)、填充焊(3,4)為鎢極氬弧焊(GTAW)；填充焊(5)、蓋面焊(6,7)為焊條電弧焊(SMAW)。工藝設(shè)計的7層16道中，第1層設(shè)計為1道焊接，打底焊時熔深0～1 mm，焊縫熔寬2～4 mm；第2層仍為單道焊接，覆蓋第1層，連接復(fù)合管堆焊層金屬；第3層為2道焊接，作為625層向碳鋼層過渡焊接層，第3層到第7層，均為3道焊接，分別為碳鋼層填充和蓋面。焊接工藝參數(shù)見表5。

表5 焊接工藝參數(shù)

2 焊接工藝試驗與結(jié)果分析

2.1 焊接工藝實施

按照上述工藝設(shè)計，對φ219 mm×(8.74+3) mm X60/625堆焊冶金復(fù)合管進行坡口加工，組對和焊接。復(fù)合管管內(nèi)有鎳合金層，焊接時需要充氬氣保護，要考慮氬氣充分保護焊縫，氣室不得有混合氣體存在，氣室內(nèi)部含氧量不超過0.02%。焊接電源選用山東奧泰ZX7-400S TGIIa 逆變式多功能管道焊機。脈沖電源：N/A，鎢極直徑φ2.4 mm，風(fēng)速不大于2 m/s。

焊接試樣形貌如圖2所示。焊接過程中，每層每道焊接完成后進行焊縫初檢，不得有焊接氣孔、裂紋等肉眼可見缺陷，再進入下一層次/道次焊接。由于內(nèi)表面有保護氣體，氬氣流量14 L/min，充氬流量25 L/min，隔離空氣和氧氣，焊接完成后，焊縫內(nèi)表面宏觀顏色呈現(xiàn)淺黃色或淡黃色，未見明顯發(fā)藍氧化區(qū)域出現(xiàn)，可見內(nèi)充氬氣保護起到良好的保護效果，如圖2c所示。焊后24 h，使用RT拍片方法對環(huán)焊縫接頭進行檢測, 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為API 1104-2016，拍片靈敏度優(yōu)于2%，拍片結(jié)果為一級合格，未發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷。

圖2 焊接試樣形貌

2.2 焊縫宏觀與微觀形貌

根焊采用單面焊背面成形焊接工藝，焊縫成形較好，焊縫呈現(xiàn)弧形過渡，與焊縫兩側(cè)堆焊層過渡良好；同時，每層每道焊縫重疊和熔深覆蓋良好，此外，焊縫金屬與母材全焊透和全熔合，無宏觀焊接缺陷可見，如圖3焊縫截面形貌。

圖3 焊縫截面形貌

焊接接頭微觀分析顯示，基體組織見圖4a所示，X60碳鋼基體組織為粒狀貝氏體和鐵素體及珠光體組織；碳鋼與625堆焊層界面組織如圖4b所示，碳鋼與625堆焊層界面清晰，界面結(jié)合良好，無空隙無氣孔等缺陷；環(huán)焊縫中心組織如圖4c所示，625材料呈現(xiàn)柱狀晶，自熔合線性向焊縫中心分布，晶粒尺寸均勻細小，組織為固溶體和碳化物；基體熱影響區(qū)組織形貌如圖4d所示，熱影響區(qū)寬度約1 mm，沿著熔池弧線分布，粗晶區(qū)和細晶區(qū)分界清晰；熔合區(qū)組織如圖4e所示，主要為粒狀貝氏體和珠光體鐵素體組織，受高溫作用，鐵素體析出較多，晶粒尺寸較基體略顯長大；細晶區(qū)組織如圖4f所示，主要為珠光體鐵素體和少量粒狀貝氏體組織，晶粒尺寸細小均勻。

圖4 環(huán)焊縫微觀組織形貌

2.3 焊縫力學(xué)性能及耐蝕性

拉伸試驗：2個拉伸試樣如圖5所示，橫向抗拉強度分別是611 MPa和622 MPa，斷口位于母材，試驗結(jié)果均合格。彎曲試驗：試樣如圖6所示，分別為2個面彎，2個背彎，彎曲180°，試驗沒有發(fā)現(xiàn)明顯裂紋以及氣孔等缺陷，試樣彎曲結(jié)果均合格。

圖5 拉伸試樣

圖6 彎曲試樣

夏比沖擊韌性試驗執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASME IX，ASME B31.3，驗收標(biāo)準(zhǔn)為ASME-W-011。分2部分進行，第1部分為GTAW部分試件，主要為根焊(1)至填充焊(3,4)部分，取樣2組，試樣尺寸為7 mm×10 mm×55 mm小尺寸試樣，缺口位置分別位于焊縫中心和熱影響區(qū)位置，缺口深度為2 mm，試驗溫度為-21.4 ℃。焊縫沖擊吸收能量分別為108 J，100 J，110 J，平均值為106 J，橫向膨脹量分別為0.92 mm，0.64 mm，0.99 mm，試驗結(jié)果合格，符合標(biāo)準(zhǔn)要求；熱影響區(qū)沖擊吸收能量分別110 J，70 J，80 J，平均值為87 J，較焊縫低1/4，焊縫和熱影響區(qū)的試驗結(jié)果合格，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。GTAW部分試件夏比沖擊試驗結(jié)果見表6。

表6 GTAW部分試件夏比沖擊試驗結(jié)果

第2部分為SMAW部分試件，主要為填充焊(5)和蓋面焊(6,7)部分。取樣2組，試樣尺寸為4 mm×10 mm×55 mm小尺寸試樣，缺口位置分別位于焊縫中心和熱影響區(qū)位置，缺口深度為2 mm，試驗溫度為-33.7 ℃。焊縫沖擊吸收能量分別為35 J， 32 J，34 J，平均值為34 J，橫向膨脹量分別為0.69 mm，0.64 mm，0.61 mm，熱影響區(qū)沖擊吸收能量分別64 J，72 J，70 J，平均值為69 J，較焊縫高35 J。橫向膨脹量評價0.87 mm，平均較焊縫高0.23 mm，試驗結(jié)果合格，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，詳細結(jié)果見表7。

表7 SMAW部分試件夏比沖擊試驗結(jié)果

環(huán)焊縫顯微硬度試驗中，在基材中心和距離表面1.5 mm處及覆層上取樣，分別在2個區(qū)域，即環(huán)焊縫6點鐘位置和12點鐘位置取2組試樣，然后進行顯微硬度試驗，載荷為98 N，每個試樣打35個硬度點，分別位于基材金屬、熱影響區(qū)及其環(huán)焊縫，硬度測試點示意圖如圖7所示。硬度分布圖如圖8所示，由圖8可以看出，基材金屬的硬度值在181～191 HV10之間。在基材的熱影響區(qū)，硬度值與基材金屬硬度相差不大，分布較為均勻，硬度值在200 HV10左右。焊縫區(qū)內(nèi)的硬度較基材金屬和熱影響區(qū)內(nèi)的硬度都高，其硬度值分布在228～279 HV10之間，這是由于焊縫在焊接時，液態(tài)金屬冷卻凝固過程中，焊縫組織從熔池底部到焊縫中心及焊縫表面，經(jīng)歷復(fù)雜的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力演變和生長過程，部分組織由于冷卻過快，局部產(chǎn)生淬硬組織或者淬硬相，從而導(dǎo)致焊縫硬度高于基材金屬及其熱影響區(qū)。在基材中心的焊縫區(qū)的硬度比基材邊緣的硬度值偏大，平均偏大18 HV10。覆層的硬度值在基體金屬、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的分布整體比較均勻，沒有明顯的差別，硬度值主要集中在257～285 HV10之間。硬度測試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 硬度測試示意圖

對環(huán)焊縫進行腐蝕試驗，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM G48 A《Standard test methods for pitting and crevice corrosion resistance of stainless steels and related alloys by use of ferric chloride solution》，驗收標(biāo)準(zhǔn)為01-SAMSS-044《Materials system specification — CRA clad pipe spools》及01-SAMSS-048《Materials system specification — CRA clad or lined steel pipe》A-02(15)，在沸騰硫酸鐵-硫酸溶液中煮120 h，腐蝕速率為0.221 mm/a，小于標(biāo)準(zhǔn)要求的0.914 mm/a，耐腐蝕試驗合格。

圖8 硬度分布圖

綜上所述，冶金堆焊雙金屬復(fù)合管φ219 mm×(8.74+3) mm X60/625經(jīng)過625焊絲GTAW打底焊、填充焊，再經(jīng)過625焊條SMAW填充焊和蓋面焊，環(huán)焊縫成形良好，焊縫金屬、堆焊層及基層實現(xiàn)了良好過渡，鎳基合金625/X60焊縫強度滿足規(guī)范要求，并且環(huán)焊縫具有較好的抗腐蝕性能，滿足腐蝕環(huán)境的應(yīng)用。

2.4 熔合線微區(qū)關(guān)鍵合金元素分析

焊縫熔合線附近X射線能譜儀(EDS)掃描結(jié)果顯示，焊縫與基管熔合線微區(qū)內(nèi)Ni，Cr，Mo，F(xiàn)e元素分布發(fā)生了明顯的變化，即在熔合線附近，上述元素的分布存在一個明顯的梯度，而堆焊層與基管熔合線微區(qū)內(nèi)的Ni，Cr，Mo，F(xiàn)e元素分布則無明顯的梯度變化，如圖9熔合線微區(qū)主要合金元素分布所示。焊縫金屬化學(xué)分析結(jié)果見表8，與焊絲、堆焊層化學(xué)成分用差值法計算出鎳的含量大于60%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 熔合線微區(qū)主要合金元素分布

表8 焊縫金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

3 應(yīng)用

該焊接工藝在沙特哈拉德項目一期管道工程中得到應(yīng)用，對X60/625雙金屬復(fù)合管對口施工，共焊接612道口，一次合格610道口，合格率達99.7%。

4 結(jié)論

(1)對于X60/625雙金屬復(fù)合管，采用ERNiCrMo3同質(zhì)材料焊材，應(yīng)用了GTAW+SMAW的焊接工藝，焊接過程分為根焊、熱道焊、填充焊及蓋面焊。環(huán)焊縫成形良好，焊縫金屬、堆焊層及基層可良好過渡，焊接后的焊縫經(jīng)過無損檢驗、拉伸試驗、彎曲試驗、夏比沖擊試驗、硬度試驗、焊縫耐腐蝕試驗及關(guān)鍵合金元素分析后，各項指標(biāo)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范要求。

(2)該焊接工藝的可行性在沙特哈拉德項目一期管道工程中的應(yīng)用中得到驗證，該工藝可以進一步推廣至其它同類雙金屬復(fù)合管施工項目中。