復合管 X65/Inconel625與超級雙相不銹鋼S32760焊接工藝及接頭性能研究

關鍵詞：異材焊接，復合管，超級雙相不銹鋼，接頭性能

0前言

某項目位于瓊東南盆地北部，南海北部大陸架西部，水深1220～1560m。某項目水下中心管匯項目，Manifold模塊里復合管的長度約10km，海底輸氣輸油管道內部主要流體為液壓控制液與化學藥劑，具有一定的腐蝕性，外側為海水。管線模塊部分有復合管和超級雙相不銹鋼UNSS32760異材管道對接，主要為鍛件四通處與復合管的對接。因異種金屬在元素種類、物理性能、化學成分等方面有很大的差異，與相同材料的焊接相比，異種材料的焊接無論從焊接機理和操作技術上都比同種材料要復雜得多，且由于焊縫兩側材料承受的應力狀態不同，容易導致焊縫及熱影響區產生裂紋，甚至導致焊縫金屬與母材的剝離[1-3]，所以異種材料的焊接對于焊材選擇、參數設置等都需要慎重考慮[4-5]。

對于復合管和超級雙相不銹鋼的異材焊接，在國內海上氣田的項目中，少有應用先例，且海洋工程的工期因為船期的確定，完全不同于陸地，其單位時間作業成本遠高于陸地施工。復合管的基材是碳鋼材料X65，與超級雙相不銹鋼的對接焊接容易對不銹鋼組織造成污染，對不銹鋼的抗腐蝕能力造成一定影響[6-8]。為保障項目工程的順利實施，在國內缺乏相關參考資料的情況下，項目組通過前期的大量試驗摸索和方案優選，展開對復合管與超雙材料高效焊接工藝開發及焊接材料的篩選工作，對此類異材焊接進行了力學性能和點蝕性能的實驗研究。

1實驗材料

1.1母材材料

復合管X65/Inconel625是由外側的碳鋼材料API5LX65內部按照熔化極氣體保護電弧焊（GMAW）堆焊工藝堆焊鎳基材料AWSA5.14：ERNiCrMo-3堆焊3mm而成，使復合管的內壁有良好的耐高溫、高壓性能，能夠傳送腐蝕介質，復合管因其價格上的優勢而得到廣泛應用[9]。

超級雙相不銹鋼S32760，與一般的雙相不銹鋼相比，有更多的合金元素和更低的碳含量，具有較強的機械性能和優異的耐腐蝕能力。在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的制造領域應用越來越廣泛，特別是在那些含有氯離子、硫化氫截止的壓力容器和換熱器等設備中[10]。但是在焊接過程中，熱輸入的變化、冷卻速度等影響對于元素的燒損和雙相比例的影響很大，高含量的合金元素會使其焊接接頭處易析出金屬間化合物，進而會影響材料的機械性能和耐腐蝕性能，從長久的項目經驗來看，HAZ區域的性能是焊接接頭中最薄弱的區域。母材的力學性能和化學成分見表1和表2。

1.2焊接材料

焊接材料選用與堆焊層一樣的鎳基材料ESABOKTigrodNiCrMo-3，直徑2.4mm，符合SFA/AWSA5.14：ERNiCrMo-3和ENISO18274：SNi6625鎳基合金焊接標準，其力學性能和化學成分見表3和表4。焊接工藝為鎢極氬弧焊，焊接位置為6G方向，背部保護氣體和正面保護氣體均為氬氣保護，焊前除濕，層間溫度設定最高為100℃。

2焊接工藝及過程

合適的焊接參數和熱輸入是保證焊接接頭力學性能和耐蝕性能的關鍵，本次試驗件的焊接按照標準ASMEBPVC-IX-2019制作[11]，采用的焊接工藝參數見表5。

試驗件焊接結束后按照相關要求進行外觀檢驗（VT），滲透檢驗（PT）和X射線探傷（RT）。各項檢驗結果顯示，焊縫表面成型良好，無氣孔、未熔合、裂紋、咬邊等缺陷，焊接試樣滿足要求。

3試驗結果及分析

3.1力學性能實驗

對焊接試件開展拉伸性能、抗彎性能、抗沖擊性能、抗腐蝕性能及硬度等力學性能測試。

（1）拉伸測試。對焊接試件開展機加工處理，加工成ASTME-8標準拉伸試件開展單軸拉伸試驗。經測試后，抗拉強度平均為554MPa，拉伸試驗均斷于X65母材區域，證明焊縫金屬強度高于母材。

（2）抗彎測試。對焊接試件開展機加工處理，加工成ASTMA370標準抗彎試件開展抗彎試驗。室溫下，利用直徑40mm的彎輥對焊接試件進行側彎，彎曲角度達到180°，所有試件完好，均無任何缺陷產生，焊縫金屬塑性良好。

（3）抗沖擊測試。對焊接試件開展機加工處理，加工成ASTME23-18標準抗沖擊試件開展抗沖擊試驗。焊接接頭縮減截面的沖擊性能見表6，均滿足相關要求，焊接接頭韌性良好。

（4）耐腐蝕測試。對焊接試件開展機加工處理，加工成ASTMG31-2012a標準耐腐蝕試件開展耐腐蝕試驗。焊接接頭宏觀腐蝕結果合格，放大10倍的宏觀圖片如圖1所示，焊縫及熱影響區剖面完全熔合、無裂紋。

（5）硬度測試。對焊接試件進行機加工處理，加工成符合ASTME92標準的硬度測試試件，并開展維氏硬度試驗（HV10）。實驗結果表明，顯微硬度（HV10）在母材、熱影響區和焊縫區域的最大值均不超過305，最小值不低于190，滿足規格書和項目服役環境的要求。

3.2點蝕實驗

對焊接接頭按照標準ASTMG48進行氯化鐵點蝕試驗，取樣位置為復合管復合層與超雙對接焊縫區域，如圖2所示。通過顯微鏡放大20倍觀察，試件焊縫表面無腐蝕坑，試驗后試樣照片見圖3所示。

點蝕結果見表7，所有試件的腐蝕率均小于4g/m2。氯化鐵點蝕試驗結果滿足標準規范要求。

3.3微觀金相檢測

焊接接頭的微觀組織圖如圖4所示。焊縫金相試驗表面，API5LX65母材和熱影響區的組織主要為鐵素體、珠光體和貝氏體，其較亮的組織為鐵素體，較暗的組織為珠光體。焊縫和625復合層組織主要為柱狀奧氏體，沒有連續的C、N化合物和金屬間化合物析出，C、N化合物和金屬間化合物析出的總量不超過0.5%。ASTMA790UNS32760母材和熱影響區的組織主要為奧氏體和鐵素體，沒有連續的C、N化合物和金屬間化合物析出，C、N化合物和金屬間化合物析出的總量不超過0.5%。兩側母材熱影響區位置，未發現未熔合夾渣，焊縫區無明顯的夾渣、氣孔和裂紋等缺陷。焊接接頭的微觀顯示，焊縫異材連接處融合良好，無缺陷。

4結論

本文通過對國內海上氣田某項目復合管和超級雙相不銹鋼的異材焊縫接頭進行GTAW對接焊實驗，探索制定焊接工藝，并開展試件的無損探傷和相關的焊接工藝評定試驗驗證，可以得出如下結論：

（1）復合管X65/Inconel625與超級雙相不銹鋼S32760焊接接頭的焊縫表面成型良好，焊縫及熱影響區剖面完全熔合，無裂紋、無氣孔、未熔合、裂紋、咬邊等缺陷，采用試驗中的焊接工藝，可以得到性能優良的異材焊接接頭。

（2）異材焊縫接頭的抗拉強度為554MPa，拉伸試驗均斷于X65母材區域，焊縫強度高于母材。經過180°彎曲試驗均無任何缺陷產生。焊接接頭HAZ的顯微硬度呈梯度分布，焊縫的維氏硬度分布均小于300HV10。復合層和超雙焊接后，焊縫金屬接頭強度、塑性、韌性、耐腐蝕性等良好，均滿足設計要求，產品滿足服役條件。

（3）API5LX65母材和熱影響區的組織主要為鐵素體、珠光體和貝氏體組成；焊縫和625復合層組織主要為柱狀奧氏體組成；ASTMA790UNS32760母材和熱影響區的組織主要為奧氏體和鐵素體組成。所有焊接區域均無連續的C、N化合物和金屬間化合物析出，C、N化合物和金屬間化合物析出的總量不超過0.5%。焊接接頭的微觀顯示，焊縫異材連接處融合良好，無缺陷。