X70/316L不銹鋼復合鋼管焊接接頭性能研究

付現橋，徐 敬，卜明哲，劉志田，謝可凱，徐超文

(中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北 任丘 062522)

0 前言

在我國中東部地區，城市居民天然氣供應存在巨大峰谷差，需求高峰月日用氣量是低谷月日用氣的數十倍之多，為保證天然氣穩定供應，建造鹽穴地下儲氣庫調峰是有效的手段之一。但從鹽穴儲氣庫采出的天然氣溫度較高，且含有較高二氧化碳和二氧化硫、高含量的Cl－等，使采氣管線使用環境非常苛刻，采氣管道腐蝕較為嚴重，很容易在短時間內造成腐蝕失效，輕者造成停產，重者引起爆炸，威脅人身安全［1－2］。由于不銹鋼復合鋼管具有較好的力學性能和耐蝕性，在油氣田酸性環境介質下得到了廣泛運用［3］。

然而，復合鋼管的基體和內襯材料具有不同化學成分和力學性能，在焊接過程中，合金元素易擴散，影響焊接接頭性能［4－6］。為了避免不銹鋼層與基體界面處出現的合金元素稀釋、碳元素遷移等，過渡層的焊接是保證復合管焊接質量的關鍵［7－9］。在此介紹了規格 D219.1 ×(16+2.5)mm，材質為X70/316L的復合鋼管焊接工藝試驗，并對焊接接頭進行了力學性能及顯微硬度、耐蝕性研究。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用材料為X70/316L不銹鋼焊復合管，規格D219.1×16 mm，其化學成分如表1所示。基管X70屬于典型的針狀鐵素體管線鋼，其組織為沿軋制方向塊狀和無定形鐵素體帶，及一些細小的針狀鐵素體［10］，金相如圖1a所示。內襯管316L組織為典型奧氏體，金相如圖1b所示。

表1 管材化學成分Tab.1 Chemical composition analysis results %

圖1 金相組織Fig.1 Macrostructure and microstructure

1.2 焊接材料選擇及坡口形式

試驗采用水下爆炸復合成型的X70/316L復合鋼管。該鋼管是機械復合，基層與內襯的化學成分相差較大，且力學性能存在較大差異，焊縫金屬存在成分稀釋問題，易導致焊接接頭出現缺陷。為了解決焊縫硬度和裂紋問題，焊接工藝要求采用ER－309LMo封焊，ER－316L打底焊接、ER－309LMo過渡焊接、ER55－G進行填充蓋面焊接，并嚴格控制焊接參數。

圖2 坡口示意Fig.2 Schematic groove

由于管線壓力達到42 MPa，X70/316L不銹鋼復合管的基管壁厚較厚(16 mm)，為防止焊接熔合不良等問題，管線焊接對接接頭坡口形式如圖2所示。本試驗X70/316L不銹鋼復合管對焊坡口對口間隙2.0 ～3.0 mm，坡口角度45°±5°。

2 焊接工藝參數

X70/316L的復合鋼管對焊應根據被焊金屬的化學成分(基管、內襯管)選擇GTAW進行封焊，焊接材料為ER－309LMo(其成分見表2)，采用氬氣保護，見圖2中第1層焊接位置。打底焊、焊接材料為ER－316L(其成分見表2)，管內外焊縫雙層氣體保護，熱輸入量不能過大，采用小電流、短電弧的焊接工藝，見圖2中第2層焊接位置。填充焊接時，采用GTAW焊，焊材為ER55－G(其成分見表2)，其成分與X70相近，調整熱輸入量大小，并控制道間溫度，有效防止過渡層元素擴散及熱影響區組織惡化。蓋面焊接時，適當減小熱輸入量，保證最后焊縫成形。本試驗采用的焊接工藝參數如表3所示。

表2 焊接材料化學成分Tab.2 Chemical composition analysis results of welding stick %

表3 焊接工藝參數Tab.3 Welding parameters of clad pipe

3 試驗結果和分析

3.1 焊接接頭力學及耐蝕性能試驗分析

根據焊接接頭檢測標準，首先進行焊縫外觀形貌檢測，焊縫內外表面有規則的魚鱗狀波紋，沒有缺陷。由于焊縫延遲裂紋不會在焊完短時間內出現，本試驗在焊接完成48 h后根據標準JB/T4730.2－2005《承壓設備無損檢測》通過射線探傷檢測合格，再進行超聲波探傷復檢合格。

根據標準GB/T2651－2008《焊接接頭拉伸試驗方法》進行焊接接頭拉伸測試，斷口均在母材，其抗拉強度都介于X70鋼和316L奧氏體不銹鋼的強度值之間，說明采用本試驗焊縫接頭拉伸性能滿足設計要求。夏比沖擊試驗表明本試驗的整個焊接接頭具有良好的沖擊韌性，完全滿足試驗要求。

根據GB/T4334－2008《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》進行晶間腐蝕試驗，結果顯示由于進行不銹鋼層打底焊接所采用的ER－316L焊絲成分和316L相似，焊縫有很好耐晶間腐蝕性能。根據NACETM0177－2005《應力腐蝕測試》進行SCC試驗，結果顯示焊接接頭有很好的耐SCC性能。

3.2 焊縫硬度分析

對不銹鋼復合管的對焊縫進行了硬度分析，焊接接頭沿焊縫中心線的硬度分布如圖3所示。從圖3a中可看出，基體管道X70硬度的為HV10240，熱影響區(HAZ)硬度接近熔合線，硬度值變化不大，其中間值約HV10238，但是其沖擊吸收功要小于母材。主要是由于在焊接過程中，熱影響區(HAZ)很容達到AC3，現場冷卻速率小于60℃/s，組織主要為貝氏體、鐵素體和少量粒狀分布的M－A組元，在受到焊接高峰值溫度的熱循環作用，X70鋼中的V(C，N)、Nb(C，N)等粒子大部分固溶，削弱了對晶界遷移的有效釘扎，因而失去了對晶粒粗化的控制，使過熱區晶粒異常長大，并隨著冷卻速率的減小進一步粗化，韌性顯著降低［11－12］。

圖3 焊縫維氏硬度Fig.3 Vickers hardness of the welding

當到X70鋼焊縫中心時，硬度約為HV10210，此區域由于S、P等元素與Fe可以生成低熔點的共晶物，在熔池結晶過程中熔點高的金屬先結晶，低熔點的共晶物被排擠到焊縫中間位置，以薄膜形式存在，使焊接接頭的塑性和韌性下降［13－14］。

316L是奧氏體不銹鋼，其焊接接頭可殘留較大的焊接應力，且焊縫區晶界存在低熔點共晶物薄膜，在凝固結晶后期受到一定的拉應力(包括殘余焊接應力)很容易產生熱裂紋［13－14］。本試驗采用ER－316L焊絲進行不銹鋼層打底焊，可以有效減少焊接接頭的性能惡化。由圖3b可知，內襯層316L的硬度值約為HV10190，焊縫硬度值約為HV10210。內襯層316L和基層X70的焊縫硬度差異不大，均為HV10210，說明整個焊縫中元素擴散均勻，基層X70和內襯層316L對焊縫影響不大。也充分說明過渡層起到了保護作用，避免了在復合鋼管過渡層焊接時因熱膨脹和冷收縮速度的差異，導致過渡層出現熱裂紋或結晶裂紋，基層材質對焊縫金屬的成分稀釋導致的裂紋［5－6］。

4 結論

(1)本試驗獲得的焊接接頭性能評價結果表明:接頭外觀滿足無損檢測要求;拉伸性能及沖擊韌性滿足相關標準的力學性能要求，接頭處硬度與母材過渡平緩，其熔合區、HAZ區、焊縫硬度較小;焊接接頭具有較好的耐晶間腐蝕及抗SCC開裂性能。

(2)由于采用ER－309LMo焊絲進行過渡焊接，可以防止不銹鋼層金屬中合金元素被擴散層稀釋，對不銹鋼層起到了良好的隔離作用，可以有效保證焊接質量。通過焊接工藝評定試驗證實，不銹鋼復合鋼管的焊接材料選用合適，且焊接規范參數制定合理，其焊接技術方案可行，焊接質量良好，一次性合格率高，避免了焊縫返修。

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