625 復合鋼管線焊接技術

陳不友，袁啟東，張凱峰

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

某海洋石油平臺海底管線安裝工程項目采用的API 5L X65＋INCONEL 625復合鋼管線，規格為：(φ168.3×9.5＋3) mm，管內鎳基合金堆焊厚度為3 mm。復合鋼管線焊接技術直接影響到項目工期進度，為了能夠滿足項目焊接施工要求，在陸地預制前，對復合鋼管試件進行焊接工藝評定，按等強度（或強度偏高于母材）及鎳基合金成分相近或相同的原則選擇焊接材料。焊評試件焊縫執行外觀檢查、NDT檢測、機械性能與腐蝕試驗，檢測與試驗結果都合格，證明了所選用的焊接工藝可用于復合鋼管線焊接。

1 API 5L X65＋INCONEL 625 復合鋼管性能分析

1.1 化學成分

API 5L X65+INCONEL 625復合鋼管化學成分見表1和表2。表1為復合鋼管X65材質的化學成分，表2為復合鋼管INCONEL 625材質的化學成分。

表1 API 5L X65+INCONEL 625 復合鋼管X65 材質化學成分（單位：%）

表2 API 5L X65+INCONEL 625 復合鋼管INCONEL 625 材質化學成分（單位：%）

1.2 機械性能

API 5L X65+INCONEL 625復合鋼管機械性能見表3[1]。機械性能主要有屈服強度、抗拉強度、延伸率及硬度值，都符合規范要求。

表3 API 5L X65+INCONEL 625 復合鋼管機械性能

1.3 焊接性能

API 5L X65+INCONEL 625復合鋼管線中Ni、Mo、Cr與Nb合金成分含量較高。復合材導熱率大，焊接時散熱快，焊接區域難于達到熔化溫度，并且在熔化溫度處的表面張力小，焊縫熔池流動性大，表面成形能力差。焊接時母材難熔合，易產生未熔合缺陷，工藝焊接性能差。因此，應采用大熱輸入、高能束的焊接方法，并采取焊前預熱工藝措施。

2 焊接材料的選用

根據API 5L X65+INCONEL 625復合鋼管材料的物理性能、力學性能、化學成分及焊接方法，按等強度（或強度偏高于母材）及成分相近或相同的原則選擇低氫焊接材料，低氫焊材產生的擴散氫含量最高值為5 ml/100 g焊縫金屬。選擇焊絲類別為ERNiCrMo-3，焊絲牌號為INCONEL 625，焊絲直徑規格為2.4 mm。鎢極類型為ThO2，鎢極尺寸為2.4 mm。氬氣純度≥99.99%。INCONEL 625焊絲化學成分及機械性能見表4和表5。

表4 INCONEL 625 焊絲化學成分（單位：%）

表5 INCONEL 625 焊絲機械性能

3 焊接人員

參與現場施焊的作業人員都需具有相應的、在有效期內的資質證書，根據ISO 9606-1:2017標準從實際焊接位置、材料等級和焊接方法等方面對焊接操作者進行考核，焊工證書由船級社簽發。焊工在作業前需認真了解焊接工藝規程要求。

4 焊接工藝評定

參照以往的成功焊接技術經驗，項目對API 5L X65+INCONEL 625復合鋼管試件進行了6G焊接位置的焊接工藝評定，試件焊縫做100%目視檢查、NDT無損檢測、機械性能與腐蝕試驗，焊接工藝評定由第三方船級社見證及簽發。

4.1 施工條件

焊接場所應做好防風、防雨和防雪等施工條件措施，風速不大于2 m/s。管內不得有穿膛風，管子兩端必須堵嚴實。所有焊接設備均應保持良好狀態，以防對焊接或臨近母材造成損傷。

4.2 組對與打磨

試件坡口下料采用機械加工，不得使用熱切割。焊接坡口應避免潮濕、油污、油脂、鐵銹和涂層等污染，坡口表面及距離附近母材內、外壁每側25 mm范圍內打磨干凈并露出金屬光澤，使用不銹鋼砂輪片打磨。試件對接時，一般應做到內壁齊平，如有錯口，其錯口值不大于1 mm。坡口型式V型，坡口角度為(60±5)°，坡口間隙為2 mm～4 mm，鈍邊為1 mm～2 mm。試件組對采用坡口內橋搭接方式。

4.3 焊前預熱

焊前預熱溫度≥50 ℃，加熱方法采用燃氣或者電阻加熱器，應在距離熱源對面坡口邊至少75 mm的地方測量預熱溫度。在開始下一道工序之前，在緊挨著坡口邊緣處測量的層間溫度不得超過規定的最大值，層間溫度應≤150 ℃。

該公司業務包括機械壓力機和液壓機以及落料線的設計、制造和銷售以及生產線的內部和外部組裝。產品設計和制造工藝執行德國標準和舒勒安全法規。在金屬板材成形領域，上海舒勒在整個中國市場享有極好的聲譽，汽車行業知名的客戶包括華晨金杯、長安福特、東風標致、廣州本田、一汽和上海大眾等。上海舒勒以其優異的固體成形/鍛造產品在中國市場占有牢固的地位。

4.4 焊接工藝

4.4.1 焊接方法

焊接方法為：GTAW，焊接方向為向上，氬弧氣體保護焊焊接時散熱快，熔池金屬流動性大，采用多層多道薄焊縫焊接工藝，可以有效避免產生未熔合、氣孔與表面咬邊等焊縫缺陷[2]。

4.4.2 氬氣保護

正面與背面都采用氬氣保護，正面氣體流速15 L/min～18 L/min，背面氣體流速20 L/min～25 L/min。為了避免焊縫根部被氧化，氬氣背面保護措施要做到位，不僅根部打底時需要充氬保護，第二層熱焊道仍需背面充氬保護。

4.4.3 焊接工藝參數

焊接的電流、電壓、速度與熱輸入等焊接工藝參數見表6，現場要求焊工嚴格按照焊接工藝參數進行施焊，熱輸入不得大于焊接工藝要求[3]。

表6 焊接工藝參數

4.5 氬弧焊封底

圖1 焊評試件焊接

1）氬弧焊的引弧和收弧應在坡口內進行，嚴禁在被焊工件表面引弧、試驗電流或隨意焊接臨時支撐物。

2）開始焊接時，應先引發電弧電熱母材，當呈現熔池后即填絲，并使焊縫加厚；然而，焊接速度不宜過快。

3）收弧時，焊接速度應適當減緩，以增加焊絲的填充量，待熔池填滿后不再加絲，同時應立即將電弧引至坡口邊緣快速滅弧；起焊與終焊點沿焊縫長度分布，不應重疊在同一部位。

4）施焊過程中，發現裂紋和氣孔等缺陷應徹底清除，不得采用熔化法清除缺陷；發現電弧不穩應立即檢查鎢極端頭形狀、氬氣流量、焊接電流是否符合要求；夾鎢時，應立即停止焊接，將其清除并更換鎢極；打底工作應一氣呵成，中途不應停止；打底焊縫完成后應進行外觀檢查。

4.6 NDT 無損檢測

試件焊接完成后對焊縫進行100%外觀檢查，無損檢測應在焊接完成24 h后進行，對焊縫分別做PT、UT與RT檢測，外觀檢查與無損檢測結果都合格，符合規范要求[4]。復合鋼管線現場焊接見圖2。

圖2 復合鋼管線現場焊接

4.7 機械性能與腐蝕試驗

根據規范要求對焊評試件的焊縫進行取樣試驗，試件焊縫主要做化學成分分析、拉伸、彎曲、宏觀腐蝕、硬度、V型缺口沖擊韌性、微觀組織與點腐蝕試驗。其中，V型缺口沖擊韌性試驗試樣缺口位置距焊縫中心、熔合線、熔合線+2 mm及熔合線+5 mm，單個沖擊值應≥38 J，平均值≥45 J。點腐蝕試樣件表面應打磨得較光滑，這樣可以減少表面受到腐蝕，點腐蝕試驗方法采用ASTM G48-11 Method A，點腐蝕試驗溫度為50 ℃，腐蝕時間24 h，腐蝕率應≤4.0 g/m2。焊評試件的機械性能與腐蝕試驗結果都合格，符合規范要求[5]。

最后，將合格的檢測與試驗報告形成焊接工藝評定，根據焊接工藝評定編寫焊接工藝規程，焊接工藝規程提供合理的焊接工藝參數用于復合鋼管線現場焊接。

5 結論

通過對API 5L X65+INCONEL 625復合鋼管試件進行焊接工藝評定，焊接工藝評定提供了可行的焊接工藝參數支持，用以指導施工現場的復合鋼管線焊接與焊工技能培訓，滿足了海洋石油平臺海底管線安裝工程的焊接技術要求，為復合鋼管線提供成功的焊接技術經驗。