UNS S32750超級雙相不銹鋼小管徑焊接工藝及難點控制

張連爽，陳 坤，顏丙鎖，宋 凱，唐全昌，馮加亮

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

0 前言

海底輸氣輸油管道內部主要流體為液壓控制液或化學藥劑，這些流體的腐蝕性強，對焊縫根部即管線內表面的耐蝕性能要求較高，且管線外表面長期接觸帶氯離子的海水，對于材料的耐點蝕性能也有一定要求。超級雙相鋼兼具奧氏體和鐵素體的雙相組織優點，具有較高的耐腐蝕系數、良好的力學性能，被認為是深海海底水下管匯用管線的重要材料[1]。

UNS S32750超級雙相不銹鋼主要用于有高強度和高耐蝕性能需求的海底管道鋪設、船舶制造和海洋氣田開采等制造領域[2]。目前，對UNS S32750焊接工藝的討論較多，但主要集中在直徑＞720 mm的大管線，小管徑管線的焊接在國內生產很少，少有借鑒資源，而國外該類產品的焊接技術主要被幾家大型超雙焊接公司掌握，如OneSubsea、Akersolution、Baker Hughes等，超雙小管的焊接只能依靠自己探索，海工對小管焊接的探索致力于解決目前的空白。本文通過分析UNS S32750材料的焊接性，對焊接方法選擇、焊接過程中易出現的氣孔和未熔合等缺陷及相應措施進行總結[3]。

1 UNS S32750超級雙相不銹鋼的焊接性分析

UNS S32750在普通雙相不銹鋼包含Cr和Ni元素的基礎上，增加了Mo、N、Cu等元素，其化學成分和力學性能分別見表1和表2[4]。在氧化性介質中，隨著Cr含量的提高，鋼的耐蝕性增加，這是因為Cr能使鋼表面生成一層穩定且致密的Cr2O3鈍化膜[5]。

表1 ASTMA790 UNS S32750化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical compositions ofASTMA790 UNS S32750（wt.%）

表2 ASTMA790 UNS S32750力學性能Table 2 Mechanical properties ofASTMA790 UNS S32750

UNS S32750加入了較多的N（0.24%～0.32%），N是形成奧氏體并擴大奧氏體區的元素，焊接時也應保證焊縫金屬含有相應的N含量才能匹配其與母材的金屬性能，因此應選用對應N含量的焊接材料。自熔焊時無需填充金屬，手工蓋面焊接過程中采用Sandvik25.10.4.L焊絲填充。

UNS S32750焊接性良好，但對焊接要求非常高，接頭的力學性能和耐蝕性能對熱輸入非常敏感，熱輸入過大或偏小均會對焊接過程中的雙相形成造成影響。由于母材和焊縫金屬在過熱的過程中造成焊縫金屬脆化，因此焊接時需控制層間溫度，減少過熱區間（475℃）停留時間。焊接過程中產生冷裂紋的敏感性小，但有產生熱裂紋的傾向。

2 焊接方法和焊接工藝

項目生產中共包括DN20 mm、DN10 mm等多種規格、不同厚度的管件。由于管徑小，采用傳統的TIG焊難度大，焊接質量無法保證。通過分析管徑尺寸和厚度并不斷試驗，最終確定出兩種焊接方法，如表3所示。根據標準AWS D10.18推薦[6]，在小管徑薄壁厚小于3 mm、管外徑小于25 mm時推薦采用軌道自熔焊方法；當母材厚度大到自熔焊不能形成合格的焊縫外形時，可采用自熔焊+TIG蓋面的組合工藝，以使焊接表面外觀檢測合格。0間隙的Ⅰ形坡口組對示意[7]如圖1所示，組對前應仔細檢查坡口兩側的橢圓度和壁厚，確保組對錯邊量小于0.3 mm，組對間隙0 mm，這些技術參數均為焊機采購時廠家提供的機器使用規范。將焊縫兩側50 mm的氧化皮清理干凈，使用酒精或丙酮擦拭外面表和內表面，確保焊縫附近無雜質污染。

圖1 I型坡口示意Fig.1 Schematic diagram of square groove

表3 焊接工藝參數Table 3 Welding parameters

自熔焊采用POLYSOUDE公司生產的P4或P6焊機，預制時均采用5G位置，因產品不能翻轉，現場焊口的焊接多為2G和5G位置，焊接參數見表3，其中峰值和基值占比分別為200 ms和300 ms。

3 常見焊接缺陷及控制措施

小管徑管線現場焊口焊接時，因線路布局比較復雜，發生過背部充氣充錯焊口等情況，造成根部氧化缺陷，且現場焊接位置距離氣瓶較遠，過長的氣體管道對保護氣體純度及氣流速度均有影響。經統計，在近幾年超雙小管焊接缺陷中，氣孔占50%，未熔合占25%，根部氧化占10%，其余的缺陷如管內異物、外觀漏檢造成的拍片誤判、余高過高等問題因占比不大，且通過強調現場生產紀律可實時控制，本文不做討論。

3.1 氣孔

氣孔是超雙小管焊接出現最多的缺陷，在管線根部和焊接表面都有可能出現。氣體純度、氣體流量、坡口清潔度、焊接過程中保護措施不到位等都會造成氣孔缺陷，如圖2所示。

圖2 氣孔缺陷Fig.2 Blowhole defects

控制措施：材料坡口加工后必須清理，去除表面氧化膜等雜質，保證坡口內外各50 mm范圍表面清潔、干凈，無濕氣、油脂等雜質存在。焊接前采用丙酮或甲醇清潔焊縫表面，隨后用熱風槍預熱焊縫，去除表面潮氣，根據標準AWS D10.18推薦[6]，預熱溫度不超過65℃。焊接前充保護氣體時，用氧含量分析儀確定含氧量不能高于500×10-6，對于長期靜置的氣瓶，應滾動搖勻后再使用，另外運輸過程中盡可能放平運輸。點固焊接同樣要求背部充氣，氧含量小于500×10-6后才能開始焊接。及時檢測自熔焊焊機機頭密封性，確保焊接在良好保護氛圍的機頭內進行，對于有破損的焊機機頭及時更換配件。在充背部保護氣體時，對于較短的管段避免形成紊流，要保證內部形成均勻一致的氣體流速。在進行現場焊口充氣保護時，保證管線一端充氣，另一端設置排氣孔進行放氣，禁止在焊縫處放氣或在充氣同一端設置排氣孔。

3.2 根部未熔合

在焊接UNS S32750超雙小管時，出現未熔合的主要原因是組對時的錯邊尺寸過大，以及在5G位置焊接時焊機機頭在旋轉過程中鎢極偏離焊縫中心所致。

圖3 根部未熔合Fig.3 Lack of fusion at roots

控制措施：焊接時要特別注意防止管道受熱不均勻產生的變形，根據變形大小應適時調整焊接順序，預制管線的方位。焊接前焊工要自檢管線組對的根部間隙為0 mm，錯邊尺寸小于0.3 mm，管徑橢圓度不均的管線應拒絕組對，對于軌道自熔焊務必保證管線的壁厚和錯邊尺寸在規定范圍內。在5G位置，自熔焊過程中焊工要用手扶自熔焊機頭，確保焊機機頭內鎢極對準組對坡口間隙處，焊機旋轉到3點鐘方向時，此位置正是立向下焊接，由于焊機自重原因，向下滑移速度容易過快，容易導致焊口局部未熔合。

3.3 焊縫根部氧化

產生焊縫根部氧化的主要原因是當背部無保護氣時，焊接時的高溫熔敷金屬耐腐蝕性元素會與氧氣發生反應，導致焊縫根部產生氧化缺陷，如圖4所示。

圖4 根部氧化Fig.4 Oxidation of roots

控制措施：焊接過程中要隨時檢測管徑內部保護氣體，梳理好充氣軟管的管線走向，如有需要可在管線上做醒目標識，確保焊接管線和充氣管線的一致性，避免因現場焊口太多造成充氣充錯焊口的情況，同時也避免人員踩踏充氣管線。焊接設備所有氬氣表為專用表，不能用其他表替代。在自熔焊+填絲焊的操作中，當自熔焊完成后，進行填絲焊時管徑內部仍然要保持充氣狀態。

3.4 蓋面凹陷

在自熔焊過程中也會出現蓋面凹陷的情況。在進行DN20 mm管5G位置焊接時，焊接參數合適，但焊接完成后表面出現凹陷，其凹陷深度小于壁厚的10%，如圖5所示。分析原因：組對存在直坡口打磨不合格，這種情況組對后存在間隙，導致自熔焊時母材金屬填充到間隙內并造成焊后凹陷。

圖5 表面凹陷Fig.5 Surface indentation

控制措施：管線組對時嚴格把控組對精度，根部間隙為0 mm，錯邊尺寸小于0.3 mm。焊前先模擬生產條件，將焊接參數調試到最佳狀態，包括背部氮氣流量。現場多臺設備施工時，220 V電源焊機電壓可能不穩定，采取加穩壓器的方法；對于外觀凹陷，可以使用自熔焊+手工蓋面的組合工藝對凹陷處進行補焊，確保焊縫外觀合格。

4 其他注意事項

（1）超級雙相鋼焊接時應避免碳鋼污染，焊接車間與碳鋼車間要分隔開，且為封閉式無塵車間，進入車間必須穿戴鞋套，車間衛生清潔采用吸塵機清潔的方式，磨削粉塵下班后要用帶水拖布拖干。生產及質檢使用的工具為專用工具，要與碳鋼車間使用的檢驗工具進行區分，禁止混用，以確保避免焊后鐵素體以及其他C元素的污染，作記號使用的油漆筆應是不銹鋼專用的低氯筆，避免鹵族元素的污染。

（2）對于超級雙相鋼材質，焊后如果鐵素體含量太低，焊縫受熱后容易產生裂紋，鐵素體含量太高，焊縫將喪失韌性和延展性。焊接過程中要防止焊接熱輸入過高，不能超過焊接工藝規程限定的范圍，同時嚴格控制層間溫度，層溫以超雙規定的100℃和PQR試驗中的較低者為準，記錄在焊接工藝規程中，如溫度超高，可采取風冷等方式進行降溫[8]。

（3）焊接時管道內部選用純氮氣作為保護氣體，相比純氬氣有促進奧氏體轉變的作用，更能保護焊縫區的耐腐蝕作用。正面保護氣體選擇φ（Ar）98%＋φ（N2）2%的高純氬氮混合氣[8]。

5 結論

（1）在國內缺乏小直徑的超級雙相不銹鋼管參考資料的情況下，結合1 500 m深水管匯超級雙相不銹鋼管線項目，展開對UNS S32750材料小管徑焊接工藝研發，成功開發出自熔焊和自熔焊+填絲焊的組合工藝，并應用于在建項目中，在項目施工中焊接外觀和內部檢驗中都取得了較高的合格率。

（2）通過介紹UNS S32750材料小管徑自熔焊和自熔焊+填絲焊焊接過程中的設備選擇和焊接參數。結合分析項目焊接過程中易造成的焊接缺陷和具體問題，通過定向的試驗篩查出缺陷產生的原因，并采取有效方法進行解決。總結出UNS S32750超級雙相不銹鋼小管徑焊接工藝及難點控制，對今后的超級雙相鋼小管徑焊接提供指導借鑒。