DNV450管內壁復合625合金對接焊工藝及控制要點

周 彬，張建歡

(珠海巨濤海洋石油服務有限公司，廣東 珠海 519050)

0 前言

在海底油氣生產系統中，基于流體操作溫度、腐蝕介質含量和工程成本等因素的考慮，在碳鋼管線、管件和閥門內壁廣泛采用復合625合金復合材料。通過在油氣輸送部件內壁堆焊3 mm的耐腐蝕性合金材料，可以有效防止腐蝕性介質如H2S等對管線等生產系統的破壞，延長生產系統設備的服役時間。同時，合金層厚僅3 mm，較之整個管線使用合金材料，材料成本也下降很多。但由于是在管內壁堆焊625合金，在管管對接接頭焊接時很難從管內部施焊，在坡口側焊接的時候，由于基材、復合層與焊縫材料的成分及性能差別較大，如何有效保證復合層的耐腐蝕性能和基材的力學性能是焊接過程中始終要考慮的問題。通過分析油氣輸送管線DNV 450內壁復合3 mm厚625合金對接接頭，按照《DNV－OS－F101:海底管線系統》附錄C要求的各項理化試驗進行焊接工藝評定，探討了DNV450內壁復合625合金對接接頭焊接過程中的注意事項和焊接工藝性能。

1 材料及焊接性分析［1］

母材使用DNV－OS－F101:DNV 450管線鋼內壁復合625合金，焊材選用AWS A5.14 ERNi-CrMo－3和 AWS A5.11 ENiCrMo－3。采用 GTAW進行封底和熱焊道的焊接，SMAW進行填充和蓋面焊。基材、焊材及復合層材料的化學成分如表1、表2所示。根據國際焊接學會推薦的冷裂紋敏感指數(Pcm)公式和碳當量(CE)公式:

Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

表1 管基體化學成分%

表2 復合層及焊材化學成分%

得出基材的碳當量和冷裂紋敏感指數分別為0.365和0.19，基材碳鋼的可焊性良好。基材和焊材的力學性能如表3所示。

表3 基材和焊材力學性能

在焊接接頭的根部，由于復層與基體金屬在成分和性能上差異明顯，所以在只能從外側施焊的情況下，為了保證接頭的力學性能、復層材料的耐腐蝕性能以及防止因化學成分與冶金模式差異導致的異種金屬連接處出現裂紋，全部使用625合金焊材來進行焊接。

2 焊接工藝

2.1 接頭設計

管線焊接使用60°單邊V型坡口，氬弧焊封底焊接三層后改用焊條電弧焊。氬弧焊實現單面焊雙面成形，不允許背部清根或在根部進行補焊和無絲熔焊。接頭要求如圖1所示。

圖1 焊接接頭準備要求

2.2 焊接順序

(1)焊前清理。用丙酮清洗內壁復合層和焊絲。使用砂輪片或鋼絲刷打磨外壁碳鋼，去除油污、銹跡等影響焊接質量的污物。

(2)組對焊接。使用定位塊進行組對點焊，嚴格禁止在根部焊道位置點焊。定位塊焊接示意如圖2所示。定位塊約長15～30 mm，可根據待焊管徑的大小布置不同的數量。隨著封底焊道的進行，不斷打磨去掉定位塊。

圖2 定位塊點焊示意

(3)管內進行封堵通入氬氣(純度99.99%)，同時用鋁箔膠帶封堵坡口外側，待氧氣含量下降到1 000×10－6以下開始封底焊接。

(4)背部凈化氣體要保持至完成6 mm焊縫金屬厚度才能停止通氣。

(5)停止通氣后開始用手工焊條焊接至蓋面完成。

(6)焊接過程中隨時監測層間溫度。層間溫度不得高于150℃。

2.3 焊接參數

試件焊接在6G位置進行，焊接過程中的各項參數如表4所示。

3 焊接工藝評定理化性能實驗結果

3.1 力學性能試驗結果

根據標準要求，力學性能試驗主要進行焊縫橫向拉伸、全焊縫拉伸，彎曲，夏比沖擊和硬度測試。測試結果如表5、表6所示。

3.2 化學元素分析

為了確保根部焊縫的耐蝕性能，對根部焊縫進行化學成分分析，如表7所示。C、Fe元素和 Ni元素與焊絲相比有一定程度的變化，主要是由于復合層、基材和焊材之間化學成分的差異導致焊接過程中的元素稀釋引起，合金元素實測成分符合設計規范要求。

中國城鎮化過程的迅速推進促進了能源消費的增長和模式的轉化，城鎮居民生活能源消費問題也成為中國城鎮化進程中面臨的重要問題。自2001年起，中國以用電為主導的生活能源消費結構正式替代了以煤炭為主導的生活能源消費結構。電力因其直接使用便捷、價格經濟和清潔衛生等特點，得到了國家政策的支持，成為城鎮居民生活能源首選。［1］據《2017—2018年度全國電力供需形勢分析預測報告》，隨著中國城鎮化率以及居民電氣化水平逐步提高，居民家庭用電量也在穩步增加，2017年，中國居民生活用電量較2016年增長了7.8%，城鎮居民人均生活用電量以5%左右的速度增長。［2-3］

表4 焊接參數

表5 焊縫力學性能試驗結果

表6 硬度、沖擊韌性及彎曲試驗結果

表7 根部焊道化學成分 %

3.3 腐蝕性能

根據ASTM G48方法A的要求，對以根部焊縫為中心從復合層表面下取厚度大于1.5 mm的試樣進行點腐蝕測試。試樣尺寸60.05 mm×20.04 mm×1.81 mm，在50℃溫度下用6%的FeCl3溶液浸泡24 h。腐蝕后試樣在20倍放大下觀察無任何可見點蝕坑，質量損失率 0.4g/m2·d－1，符合設計要求。

3.4 微觀組織

根部焊道微觀組織如圖3所示。根部焊道為分散的全枝狀奧氏體(奧氏體的定義在鎳基合金中不同于鐵基材料，在此是指具有面心立方結構的晶體結構)組織，沒有產生有害的金屬間化合物、邊界碳化物。

圖3 根部焊道中心微觀組織(500×)

4 焊接過程控制要點

4.1 焊條操作技巧

鎳基合金焊縫金屬無法像碳鋼一樣容易流動鋪展，所以手工焊條焊接過程中對焊工的操作要求相應提高。實際操作過程中，全位置焊接時不同廠家生產的焊條有很大區別。為了能夠達到良好的成型，在焊接時要特別注意幾點:(1)盡可能低壓低電弧，這樣才能更好地控制熔池;(2)嚴格控制擺動寬度，尤其是在立焊和仰焊位置，擺動寬度不要超過焊條直徑的三倍;(3)熄弧時首先壓縮電弧，然后提高行進速度減小熔池來避免熄弧造成的缺陷。

4.2 材料存儲與加工

由于不同基體金屬材料之間理化性能的巨大差異，鎳基材料復合層在使用過程中主要起耐腐蝕的作用，所以在加工和存儲過程中要始終注意保護內壁復合層材料。坡口制備采用機械加工方式制備，而由于625合金與碳鋼力學性能的差異，加工過程中的刀具使用也要慎重。主要的控制措施如下:

(1)管材存儲過程中，管兩端要始終用特制的管帽扣住，防止存儲過程中的污染物、基材碳鋼形成的銹跡進入管內壁污染復合層材料。

(2)移動管時，只允許從管外壁進行固定或接觸來進行，防止過程中碰傷內壁復合層和造成污染。

(4)坡口加工時選用切割鎳基合金的刀頭，防止在坡口加工至復合層與基材結合面時因材料性能的巨大變化對刀具造成破壞。

(5)機械加工坡口后對坡口面進行表面無損檢測，確保坡口面無缺陷。

(6)加工好的坡口若不能立即進行組對焊接工作，應采取必要的保護措施防止污染。

4.3 背部焊縫惰化氣體保護

對接焊縫焊接時，在管內部充入氬氣進行保護，防止焊接過程中根部焊道表面形成氧化層、污染物或氣孔。

(1)充氣前要在管內隔離出盡量小的惰化氣體空間。這個空間越小，惰化的時間越短。但如果使用易燃材料隔離惰化空間，要注意保持與坡口的距離，防止根部焊道焊接時的電弧將其引燃。

(2)充氣時可以在充氣管端使用防紊流的裝置來保證充入氣流均勻穩定流出。若直接用管端通入氣體，最好能夠通入氣體約10 min后開始焊接。

(3)在充氣過程中要使用氧含量分析儀實時監測氧含量。根據測試結果，在氧含量小于1 000×10－6時開始焊接，背部焊道成型和顏色較好，尤其是在小于500×10－6時，根部焊道表面可呈現出銀白色。若在氧含量大于1 000×10－6焊接時，焊道表面會呈現出明顯的黑色氧化物。不同氧含量時根部焊道的成型效果如圖4所示。

(4)在完成根部焊道后，仍要繼續通入惰化氣體，最好是在焊完三層或6 mm熔敷金屬后停止通入氣體，否則根部焊道仍會氧化變色。

4.4 內壁錯邊的處理

圖4 氧含量對根部焊道成型和外觀的影響

管組對過程中，由于管自身的橢圓度和厚度差異，組對時難免會產生內壁錯邊。若內壁錯邊量大于1 mm，一方面可能會在局部區域減小復合層的有效厚度，另一方面對根部焊道的焊接操作和成型也會造成嚴重影響。為了降低錯邊的影響，采取在錯邊處堆焊減少錯邊量的方法，同時在做根部點蝕測試時在堆焊處取試樣進行耐蝕評定，補焊如圖5所示。注意補焊后的坡口要打磨至適合焊接的形狀。

圖5 內壁錯邊過大的補焊處理示意

5 結論

(1)在625合金復合管對接焊時，選用625合金焊材來填充整個焊縫可以有效滿足接頭的各項力學性能和耐腐蝕性能要求。

(2)復合管根部焊道的成型和氧化程度與管內惰化氣體氧含量密切相關，以含氧量1 000×10－6為界，隨著氧含量升高了成型和氧化程度急劇惡化。

(3)對于復合管內壁錯邊嚴重的焊口，通過在錯邊處補焊不但可以改善錯邊量，還能保證補焊處的耐腐蝕性能。

［1］John N Dupont，John C Lippold，Samuel D Kiser.Welding Metallurgy and Weldability of Nickel－Base Alloys［M］.Hoboken，New Jersey:John Wiley ＆ Sons，Inc.，2009.