L360QS/N06625冶金復合管堆焊層稀釋率及性能研究

邱蜀峰，唐 瀾，唐 力，牛 犇，孫彥青

（1.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司川東北氣礦，四川 達州 635000；2.西安向陽航天材料股份有限公司，西安 710065）

0 前 言

目前國際原油、天然氣等化石能源的供應存在諸多不確定性因素，我國作為能源進口大國，減少對進口能源的依賴度、增加國內油氣資源的產量迫在眉睫[1-4]。但隨著多年來油氣田的開采，易開發油氣田項目不斷減少，近年來開采的油氣中多含較高的CO2、H2S 等腐蝕性氣體，因此對油氣運輸管道的抗腐蝕能力提出了更高的要求[5-6]。為滿足高腐蝕性的油氣運輸，雙金屬復合管成為解決該問題的主要途徑之一。

目前，雙金屬復合管主要包括機械和冶金復合兩類，其中機械復合管制造成本低，在油氣管線中大量應用，但該類型復合管生產尺寸一般為定尺，且管端進行封焊和堆焊工藝，為減少焊接和使用質量問題，現場管線對接過程中不允許二次切割，因此通常會與冶金復合管配合使用；此外由于機械復合管比冶金復合管的結合力小，因此在一些關鍵部位往往采用冶金雙金屬復合管[7-8]。

冶金雙金屬復合管可根據相應的腐蝕環境，將不同耐蝕合金材料通過焊接方式熔敷在管道表面。在油氣管線運輸中，除焊接質量的控制外，Fe 含量也是重點關注的問題之一，因為其影響著管道的耐蝕性能。堆焊層Fe 含量超標是由于焊接參數控制不佳，導致熱輸入量過大，母材的稀釋率較大。黃衛東等[9]研究了送絲速度、焊接速度和焊接電流對稀釋率的影響；黃迪等[10]研究了增加鎢極尖端鈍邊直徑和焊絲直徑對稀釋率的影響，但兩者的研究都主要針對單一焊接參數對稀釋率的影響。本研究基于西南油氣田某集輸管線，針對堆焊層w（Fe）＜5%的要求進行工藝技術改革，此次試制的冶金復合管管徑小、壁厚薄、抗蝕性能要求高，對生產工藝提出了新的挑戰。為滿足相關技術指標和質量要求，綜合考慮了堆焊工藝參數對堆焊層理化性能的影響，分析了熱輸入量和冷卻方式與稀釋率之間的變化規律，制定了合理的焊接工藝，制備了抗蝕性能更好、產品質量更優的冶金雙金屬復合管。

1 工藝試驗方案

1.1 試驗設備及材料

冶金雙金屬復合管制備試驗設備采用伊克萊德公司生產的整管堆焊機，其堆焊管徑范圍為168～660 mm，長度≤ 12 m，可實現雙槍焊接，焊接穩定性好，效率較高，適合大規模生產使用，主要用于全內壁冶金式雙金屬復合管的生產。

本試驗采用雙槍焊接，堆焊層厚度≥ 3.0 mm，采用SMC 生產的直徑1.14 mm 的ERNiCrMo-3焊絲，基管選用Φ168.3 mm×8.8 mm 的L360QS碳鋼管，基管和焊絲的化學成分分別見表1 和表2。焊接方式為鎢極氬弧焊（TIG），熱絲電流60 A。

表1 L360QS碳鋼管化學成分 %

表2 ERNiCrMo-3焊絲化學成分 %

1.2 試驗方案

通過控制熱輸入和焊后冷卻方式的方法來控制稀釋率，從而控制Fe 含量。首先將碳鋼管內壁進行噴砂和打磨處理，使管坯內表面光滑，無鐵銹和凹陷，粗糙度≥ Sa2.5；為防止焊接變形，將碳鋼管固定于工裝設備后將裝配好的管件安裝在整管堆焊機上，根據管件壁厚、焊件和焊絲材質選擇合適的焊接方式和焊接工藝，具體參數見表3，其中方案1 為原有焊接工藝。

表3 TIG焊接工藝參數

圖1 為此次整管堆焊焊接示意圖，碳鋼管水平放置于堆焊平臺并沿管徑順時針旋轉，焊槍槍頭朝下置于碳鋼管內壁，焊接時兩個焊槍間距為400 mm，雙槍焊接有利于提升焊接速率。每個槍頭前三道焊接完成后開始水冷，水從碳鋼管外壁的正上方淋下，淋水位置與焊接熔池成180°。圖2 為焊接后復合管內表面照片。堆焊完成后對試樣進行無損檢測、理化性能及耐腐蝕性能檢測。

圖1 整管堆焊示意圖

圖2 堆焊后內表面照片

焊接熱輸入為

式中：Q——熱輸入量，kJ/mm；

U——焊接電壓，V；

I——焊接電流，A；

v——焊接速度，mm/min。

2 結果與討論

2.1 堆焊層Fe含量分析

表4為光譜儀對堆焊層表面Fe含量的檢測結果，其中方案1到方案3分別為不同熱輸入量下的Fe含量，對比發現，隨著熱輸入的減小，堆焊層的Fe含量也隨之減少，呈正相關。方案2和方案4為同一熱輸入時不同冷卻方式下堆焊層的Fe含量，水冷條件下Fe含量明顯降低，僅為4.06%，平均減少2.06%，達到了試驗預期。

表4 堆焊層Fe含量檢測結果

堆焊過程中通過鎢極輸入熱量將焊絲和母材熔化，以液固成型的方式將兩種材質結合在一起。熱輸入量越大，焊接過程中的熔池越深，混合金屬液中基管的比例越多，對焊材的稀釋越大，凝固后堆焊層中的Fe含量也隨之增加。冷卻方式改變了熔池中金屬液的冷卻速度，當冷卻速度較快時，堆焊過程中熔池內的金屬液快速冷卻，由液態轉變為固態的時間較短，母材中的Fe還未完全融入焊材已經凝固，尤其靠近熔池底部的金屬液還未與基材融合便已經完成液固轉變，因此通過改變冷卻速度可影響堆焊層的稀釋率。

對方案4焊后試樣進行化學成分檢測，取樣位置為距離熔合線2 mm 的堆焊層處，采用濕法分析堆焊層的元素含量，分析結果見表5。堆焊層各元素化學成分均在標準值范圍內，Fe 含量與表4 中相應試樣測量值差值僅為0.16%，表明PMI手持光譜儀檢測化學成分數據可信度高。

表5 濕法測量的堆焊層化學成分

2.2 無損檢測

對不同方案堆焊后的復合管分別進行RT、PT 和UT 檢測，其中方案3 堆焊后的復合管試樣在UT 檢測過程中發現有分層缺陷，其余試樣均未發現缺陷，無損檢測均合格。分析認為，通過減小熱輸入量也可降低堆焊層的Fe 含量，但是由于熱輸入量過低，焊接過程中焊絲熔化效果不好，熔池較淺，導致焊后無損檢驗存在分層現象。采用水冷方式未產生分層和裂紋等缺陷，則該方法可在保證焊接質量的情況下降低堆焊層Fe 含量，因此采用快速冷卻的方式降低稀釋率的方法是可行的。

2.3 物理性能分析

2.3.1 側彎與剪切試驗

為檢驗焊縫之間是否存在分層等缺陷，對方案4進行側彎試驗和剪切試驗，其中側彎彎曲度為180°，彎心直徑為50 mm。圖3 所示為帶有堆焊層的冶金復合管彎曲試驗后的宏觀照片，在表面未發現裂紋或破裂，表明焊接質量好。圖4所示為剪切試樣及剪切試驗工裝，表6為剪切試驗檢測結果，從表6 可以看出，平均剪切強度為417.7 MPa，均大于項目要求（≤ 250 MPa），表明堆焊層和基管之間具有較好的結合強度。

圖3 彎曲試驗后試樣

圖4 剪切試樣與剪切工裝

表6 剪切強度測試結果 MPa

2.3.2 硬度檢測

焊后母材和堆焊層按圖5所示位置進行硬度檢測，據標準要求，堆焊層硬度單值≤ 345HV10，均值≤ 315HV10，基管單值≤ 248HV10。表7為焊后復合管不同位置硬度測試結果，均符合標準要求。位置a到位置c為從基管表面到堆焊層面，其中a處和b處硬度分布均勻，c處硬度值降低，這是因為焊接過程中對基管表面產生回火，方案4焊接過程對母材的硬度影響較小。d處為堆焊層靠近碳鋼管部分，e處為靠近堆焊層表面部分，d處的硬度略低于e處，由于d處金屬焊接過程融化了碳鋼管，融入母材元素，導致硬度降低；e處硬度降低較少，表明稀釋率較低，對硬度的影響較小。

圖5 硬度測量點位置示意圖

表7 焊后復合管硬度檢測結果

2.3.3 基管拉伸與沖擊試驗

為了檢驗堆焊是否對母材性能產生不良影響，選取方案4 焊后復合管進行基層拉伸和沖擊試驗，其中沖擊試樣為V 形缺口，尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。表8 所示為基層拉伸與沖擊試驗結果，從表8 可以看出，采用方案4堆焊后基層屈服強度和沖擊功均有所降低，但均在標準范圍內。該工藝參數下對基層的綜合力學性能影響較小，基層各項力學性能指標均滿足標準要求。

表8 基層拉伸與沖擊試驗結果

2.4 金相組織及腐蝕性能分析

2.4.1 金相組織

圖6 所示為方案4 試驗鋼的顯微組織形貌，圖6（a）為低倍鏡下組織宏觀形貌，在10倍放大顯微鏡下觀察基管和堆焊層之間完全熔合，未發現裂紋、氣孔等缺陷，焊接狀態良好，其中第一層和第二層堆焊層厚度分別為2.32 mm和2.13 mm（圖6（a）為精車后照片，單邊精車1.0 mm）。圖6（b）～圖6（d）分別為基管、熱影響區和堆焊層的金相組織，其中基管組織主要為鐵素體+珠光體+貝氏體，未發現有害金屬間相、晶間連續沉淀相、σ 相及金屬間化合物；熱影響區組織為鐵素體+珠光體，未發現有害金屬間相、晶間連續沉淀相、σ 相及金屬間化合物；堆焊層組織為枝晶狀的奧氏體組織，未發現有害金屬間相、晶間連續沉淀相、σ相及金屬間化合物。

圖6 方案4堆焊后復合管金相組織形貌

2.4.2 腐蝕性能分析

冶金雙金屬復合管主要用于腐蝕性油氣運輸，因此堆焊層抗腐蝕性能是其最主要的性能指標之一，依據GB/T 17897《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼三氯化鐵點腐蝕試驗方法》進行點蝕試驗，將方案4堆焊層取樣后置于恒溫50 ℃、6%濃度的FeCl3溶液中，腐蝕時間為24 h。表9 為堆焊層點腐蝕試驗結果，從表9 可以看出，平均腐蝕速率為0.148 1 g/m2，低于項目要求。腐蝕試驗后試樣表面如圖7所示，試樣表面均未發現點蝕現象。

圖7 點腐蝕試樣宏觀形貌

表9 堆焊層點腐蝕速率統計

依據GB/T 4334 《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體（雙相）不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》進行腐蝕試驗，將方案4將試樣置于50%沸騰硫酸鐵-硫酸溶液中，試驗時間為120 h，由表10可以看出，三個試樣的腐蝕速率分別為0.30 mm/a、0.31 mm/a和0.28 mm/a，平均腐蝕速率0.30 mm/a，遠小于設計要求的1 mm/a。圖8所示為堆焊層腐蝕后試樣表面，試樣表面均未發現腐蝕坑。

圖8 晶間腐蝕試樣宏觀形貌

冶金雙金屬運輸管線在CO2和H2S環境中容易發生電化學腐蝕，其表現形式為均勻腐蝕和局部腐蝕，通過點腐蝕和晶間腐蝕試驗可以檢驗材料的抗腐蝕能力，以上試驗結果顯示方案4堆焊層腐蝕速率均較小，遠低于標準要求，此外試樣表面平整均勻，未發現腐蝕坑；這是因為焊材含有大量Cr、Ni、Mo等微量元素，堆焊層組織和元素分布均勻，堆焊層稀釋率低，不存在夾雜等焊接缺陷，因此其具有較強的耐腐蝕性能[5-6]。通過腐蝕試驗表明該工藝生產的冶金復合管堆焊層耐腐蝕性能強，適用于強腐蝕性環境的油氣運輸。

3 結 論

（1）針對L360QS/N06625冶金雙金屬復合管制備，堆焊熱輸入量越大稀釋率越大，堆焊層Fe 元素的含量也越大。因為較大的熱輸入使基管有更深的熔池，與液化后的焊絲融合，導致堆焊層Fe元素含量也隨之增加。

（2）冷卻速度越快，堆焊層Fe 元素含量越小。由于冷卻速度越快，焊接過程中熔池內的金屬液快速冷卻，基材中的Fe 元素還未完全融入焊材溶液便已凝固，因此通過改變冷卻速度可降低堆焊層稀釋率。

（3）通過試驗研究制定了新的工藝參數，第一層和第二層焊接電流分別為175 A 和185 A，送絲速度分別為1.3 mm/min 和1.5 mm/min，焊接電壓為14.5 V，焊接速度為250 mm/min，冷卻方式為水冷。該工藝參數下堆焊冶金復合管各項質量均合格，達到預期要求。

（4）對采用方案4 制備的雙金屬復合管進行理化性試驗，綜合性能良好，其中堆焊層點腐蝕和晶間腐蝕腐蝕速率分別為0.148 1 g/m2和0.30 mm/a，遠低于項目和設計要求，且腐蝕后試樣表面平整均勻，未發現腐蝕坑。