雙金屬復合管焊接技術分析

李發根，孟繁印，郭 霖，常澤亮

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院 石油管工程重點實驗室，西安710077；

2.中國石油塔里木油田公司，新疆 庫爾勒841000；

3.西安向陽航天材料股份有限公司，西安710025）

0 前 言

雙金屬復合管以其低廉的價格、較高承壓能力和優異耐腐蝕性能，已經逐漸得到我國油氣田領域認可，累計應用近2 000 km。用戶涵蓋了中石油、中石化及中海油多家油田單位，應用領域已經從陸地石油、天然氣管線發展到海底管線，從注水管線擴展到H2S/CO2集輸管網，產品規格也從中小直徑逐步向大直徑方向發展。

雙金屬復合管結構的特殊性及對其力學性能和耐腐蝕性能的雙重要求，使得其焊接不能像普通管道那樣在現場施工，雙金屬復合管的焊接往往存在多層焊，焊接接頭結構復雜，因此，焊接問題一直是困擾復合管大規模應用的一道難題。本研究主要圍繞雙金屬復合管端面處理、對接焊接以及相應焊接工藝評定環節，通過對現有焊接工藝的評定分析，為雙金屬復合管焊接工作提供進一步發展建議。

1 端面處理工藝

目前油氣田應用的雙金屬復合管主要為機械結合類型的產品，這類復合管端部并非熔合為一體，直接焊接難度較大，而且不利于無損檢測，因此需要對端部進行層間密封焊接，然后才可進行管間對接焊接。

當前應用較多的端面處理方式包括封焊和堆焊2種，其結構如圖1所示。

圖1 管端封焊和堆焊結構示意圖

典型的端部封焊是通過在端部加工坡口，再填充封焊焊縫。不過封焊后的雙金屬復合管現場焊接難度仍然較大，一次拍片合格率較低，而且還對焊工的焊接技術要求較高。雙金屬復合管基層和襯層材質不同，膨脹系數差別較大，在管口容易產生膨脹應力。而對管端實施封焊后，又會在管端產生焊接應力。這兩種應力同時集中在管端封焊位置，容易造成裂紋，影響焊接質量。

管端堆焊是通過在管口內堆焊，將復合管結構導致的應力集中部位和對接焊縫熔合線部位分開，從根本上消除裂紋產生條件。選擇堆焊材料時，316L內襯復合管選用309MoL，2205雙相不銹鋼內襯復合管選用Incoloy 825，而Incoloy 825內襯復合管則選用Inconel 625焊材［1］。

目前堆焊技術還不是很成熟，存在效率低、工作量大、成本較高等缺點。現以 1根標準φ219.1 mm×（14.3+3）mm的X60+316L復合管為例，分別核算了3種端面工藝的經濟性：①兩端部用309MoL封焊，成本增加可以忽略；②兩端分別堆焊3mm厚、50mm長的309MoL焊材；③兩端堆焊3 mm厚、50 mm長的625焊材。端面處理工藝的經濟性對比結果如圖2所示，由圖2可見，堆焊工藝較大程度地增加了成本。

圖2 端面處理工藝經濟性對比

因此，尚需進一步開發和完善復合管端面處理技術，開發經濟高效的端面處理工藝。

2 對接焊接工藝

雙金屬復合管焊接工藝有2種：一種工藝是整個焊縫采用合金焊絲，文獻［2-3］分別采用了不銹鋼和鎳基合金焊接工藝應用案例；另一種工藝需采用過渡焊方法，即不銹鋼層焊接采用不銹鋼焊絲，外碳鋼層采用碳鋼焊絲，過渡層采用高合金焊絲或純鐵焊絲，文獻［4-5］為該焊接工藝應用實例。

采用合金焊絲，焊接過程中只需采用一種焊接工藝，焊縫質量容易保證。在焊材選擇上，E309焊材能夠焊接 X52~X56鋼，焊材E309Mo可以匹配X60~X65鋼的強度，而X65~X70鋼則要用到Inconel 625焊材［6］。但由于經濟性制約，這種工藝對薄壁小直徑的雙金屬復合管對接焊比較合適。而對厚壁大直徑的雙金屬復合管道，焊縫宜采用過渡焊方法，焊接過程需采用多種焊材。

采用過渡焊焊接方式在國內應用較多。通常利用不銹鋼焊絲焊接不銹鋼層和過渡層，而采用碳鋼焊條焊接基層。這種工藝雖然節約了不銹鋼焊接材料，降低了成本，但焊接過程中卻面臨較多問題，且焊縫質量不易控制和保證［7］。某油田施工現場采用該類焊接工藝的焊接管段環焊縫無損檢測情況見表1。另外，從理論上講，這類焊接工藝也面臨一定的風險。焊接基層時，需采用碳鋼成分焊接材料在不銹鋼成分過渡層焊道上焊接，碳鋼金屬被不銹鋼母材稀釋后形成中合金鋼焊縫金屬。在焊接快速冷卻條件下容易形成高硬度馬氏體組織，進而影響焊接接頭的塑性和韌性，嚴重時還可能產生冷裂紋，這就給管道安全運行埋下了隱患。筆者曾對該類工藝焊接后的失效試樣進行了解剖，該失效試樣的照片如圖3所示。由圖3可見，失效試樣的焊接接頭中有微裂紋，而且填充及蓋面層發現馬氏體組織，硬度高達400HV10。

表1 雙金屬復合管環焊縫無損檢測結果統計

圖3 失效試樣焊接接頭裂紋缺陷及金相組織

針對上述情況，文獻［8］提出了一種純鐵過渡的過渡焊焊接工藝，通過在不銹鋼過渡層之后、基層焊接之前，增加一層微碳純鐵焊材焊接的焊縫金屬，將不銹鋼與碳鋼隔離開，隨后基層焊接采用與基層母材強度匹配的碳鋼焊接材料。這樣，在不銹鋼過渡層之后沒有過渡區，質量容易保證，但該工藝目前還缺乏應用案例，應用效果尚待進一步考證。

總之，對于薄壁小直徑雙金屬復合管，焊接工藝宜采用合金焊絲，焊接質量容易保證；對于厚壁大直徑雙金屬復合管，焊接工藝宜采用過渡焊方法，但該工藝還不夠成熟，有待進一步地開發與完善。

3 焊接工藝評定

關于雙金屬復合管產品質量控制，目前國際上已經形成了API 5LD［9］規范。該規范明確要求復合管進行管端封焊，并規定了檢測方法。另外，規范也指出可以使用堆焊方式進行管端處理，不過檢測要求規定不夠明確。

對于雙金屬復合管對接焊接工藝評定問題，API 5LD規范同樣缺乏明確指導方法。傳統管道焊接工藝評定標準SY/T 4103［10］，評價對象只是針對單一碳鋼管或不銹鋼管，而復合板焊接工藝評定標準GB/T 13148［11］也只能評價復合板產品，并不適用于雙金屬復合管焊接工藝評定，而且還缺少焊接接頭耐蝕性能評價要求。

綜合來看，相關標準還只是在雙金屬復合管封焊工藝上有明確評定方法，對于堆焊工藝及對接焊接工藝評定還缺乏針對性評定措施。因此，當前工作主要是結合雙金屬復合管特性，圍繞焊接接頭力學性能和耐蝕性能等要求，盡快形成有效評定方法，打破目前無標準可依的局面。

4 結 論

（1）端部封焊經濟，但不易焊接；而堆焊工藝相當容易焊接，但經濟性不足。

（2）對于薄壁小直徑雙金屬復合管的焊接，宜采用合金焊絲工藝，焊接質量容易保證；對于厚壁大直徑雙金屬復合管，對接焊接工藝宜采用過渡焊方法。

（3）現有標準只是對雙金屬復合管封焊工藝上有明確評定方法，對于堆焊工藝及對接焊接工藝評定還缺乏針對性評定措施。

［1］KANE R D，WILHELM SM.Analysis of Bimetallic Pipe forMobile Bay Service［C］//OTC’90，22nd AnnualOffshore Technology Conference.Houston，Texas，USA：［s.n.］：115-128.

［2］楊剛.X65/316L復合管的焊接工藝及焊接質量控制［J］.焊接技術，2012，41（12）：56-57.

［3］汪建明，王文龍，郭岳新，等.Inconel 625／X65復合管焊接工藝及接頭性能研究［J］.焊接，2012（08）：42-46.

［4］張殿杰，陳曉霞，房子輝，等.L485MB+316L大管徑復合管焊接工藝研究［J］.中小企業管理與科技，2012（05）：311-312.

［5］孫樹山，楊利娜，秦増偉，等.L245NB+316L小管徑復合鋼管焊接工藝研究［J］.金屬加工（熱加工），2009（14）：43-45.

［6］MIURAAR，SAKURABAM.Clad SteelPipe forCorrosive Gas Transportation［C］//OTC’95，Annual Offshore Technology Conference.Houston，Texas，USA：［s.n.］：845-851.

［7］許愛華，院振剛，楊光，等.雙金屬復合管的施工焊接技術［J］.天然氣與石油，2010，28（06）：22-28.

［8］李為衛，劉亞旭，許曉鋒，等.一種雙金屬復合管環焊縫焊接方法：中國，201310202717.X［P］.2013-10-02.

［9］API 5LD—2009，內覆或襯里耐腐蝕合金復合管道鋼規范［S］．

［10］SY/T 4103—2006，鋼質管道焊接及驗收［S］．

［11］GB/T 13148—2008，不銹鋼復合鋼板焊接技術要求［S］．