鎳基合金625+X65復合管的焊接性和焊接工藝研究

周葉平，張凱峰

（1.云浮市特種設備檢驗所，廣東 云浮527300；2.深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳518067）

鎳基合金625+X65復合管的焊接性和焊接工藝研究

周葉平1，張凱峰2

（1.云浮市特種設備檢驗所，廣東 云浮527300；2.深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳518067）

針對鎳基合金625+X65復合管的鎳基合金625與X65低合金鋼的化學成分及物理性能差異較大，導致該復合管焊接時易產生熱裂紋的問題，通過焊接試驗和焊縫防腐蝕試驗對鎳基合金625+X65復合管的焊接性及焊縫防腐蝕性能進行了試驗研究。結果表明，采用適當的焊接工藝參數、選擇正確的焊接方法和焊材能夠獲得性能良好的復合管焊縫，且焊縫表面成形良好，力學性能和抗腐蝕性能均能滿足相關標準的要求。

焊管；鎳基合金625+X65復合管；焊接性；焊接工藝

普通的輸油輸氣管線的材質大多為API SPEC 5L X65或X70。一般從海底開采的石油或天然氣大多含有腐蝕介質。普通海洋管外部涂有防腐油漆，可以阻止海水對管線的腐蝕；管線內部未涂覆防腐層，雖然可長期在低腐蝕介質環境下服役，但如果輸送介質的腐蝕性較強，普通管線就容易被侵蝕，從而大大降低管線的服役壽命，而且后期更換和維護管線的成本較高。鎳基合金625+X65復合管由兩層管復合而成，X65外層與常規的海洋管相同，保證管線有足夠的力學性能，鎳基合金625內層有較強的耐腐蝕性能。本研究通過對鎳基合金625+X65復合管的焊接性和焊縫耐腐蝕性進行研究，為鎳基合金復合管的焊接提供理論基礎。

1 復合管焊接性分析

試驗用管材是由Wellham堆焊生產的復合管，內層（鎳基合金625）為鎳基耐蝕合金，在室溫下的微觀金相組織為單一奧氏體組織；外層（X65)為低合金鋼，在室溫下的微觀金相組織為針狀鐵素體+珠光體的混合物。試驗用復合管規格為 φ219 mm×(11.1+3)mm。 鎳基合金 625與X65低合金鋼的化學成分見表1，其力學性能和物理性能見表2。

表1 鎳基合金625和X65低合金鋼的化學成分 %

表2 鎳基合金625和X65低合金鋼的力學性能和物理性能

從表1和表2可以看出，鎳基合金625與X65低合金鋼的化學成分差別很大。焊接時，合理選擇填充金屬是獲得良好焊接接頭的基本要求。由于兩者物理性能(線膨脹系數和導熱系數)差異較大，焊接熱量擴散不均勻，導致焊縫組織晶粒粗大，產生較大的內應力，增加熱裂紋傾向，降低了復合管內層的耐腐蝕性能，故應選擇較小線能量輸入的焊接方法。

鎳基合金625焊接時，由于S和Si等雜質在焊縫金屬中偏析，形成低熔點共晶體；這種低熔點共晶體常常匯集在晶界處形成液態薄膜，焊縫金屬凝固時在應力的作用下形成高溫低塑性裂紋。同時由于鎳基合金625的導熱性較差，容易造成晶粒粗大，晶間增厚，使得晶間結合力減弱，促進了熱裂紋的產生。

鎳基合金625易于氧化，在焊接過程中需要做好隔離保護措施。若被氧化將降低焊接接頭的使用性能，同時形成難熔的CrOx，使得液態焊縫金屬的流動性變差，嚴重影響焊縫的成形。

2 復合管焊接工藝

2.1 焊接方法與材料

采用鎢極氬弧焊(GTAW)，焊接電流極性為DCEN，保護氣體為氬氣，其純度為99.99%，選用的焊絲為ERNiCrMo-3，直徑為2.4 mm。

2.2 焊接接頭坡口設計及焊前處理

焊接接頭坡口設計如圖1所示，焊接順序按圖1中所示的1→2→…→進行。

圖1 焊接坡口形式及焊接順序

鎳基合金625+X65復合管的焊接性較差，要想獲得優質的焊接接頭，鎳基合金625+X65復合管的下料及坡口的加工需要采用坡口機、氣動鋸等冷加工機械進行，嚴禁使用火焰或等離子等切割工藝。然后是對復合管的坡口進行整形，以內徑尺寸為準，采用內芯整圓的方法，使焊接坡口處復層的橢圓度偏差符合要求。

2.3 焊接中需要注意的事項

由于復合管的基層和復合層實際上只是通過內擠外壓達到精密接觸，接觸面存在空氣、水分和油污等雜質焊接時，雜質受熱會分解為水蒸氣和CO氣體，在熔池內產生大量氣體，嚴重時發生爆裂破壞熔池。使用鎢極惰性氣體保護進行施焊，焊接時要用較小的電流且擺幅不宜過大，電流一般應控制在110 A左右，以防止復合層被燒穿，焊接速度應稍快點。為了保證底層焊接質量，焊前必須對管子內部、焊縫背面充99.99%的氬氣并保持5min。用氣體氧含量測試儀從坡口間隙處深入抽取氣體，測量管子內部氧的體積分數，當氧的體積分數低于0.05%時開始施焊，直至焊完第5焊道。

由于復合層和基層不易熔焊在一起，在組對前先進行封焊。封焊選用熱輸入量小的手工鎢極氬弧焊。由于過渡層熔敷金屬成分復雜，為了避免因熱輸入量過大產生收弧裂紋，填充層和蓋面層均采用鎢極氬弧焊進行焊接。

2.4 焊接工藝參數

打底層采用單面焊雙面成形焊接工藝，焊接過程采用多層多道焊，按照圖1所示進行施焊，具體焊接工藝參數見表3。

表3 焊接工藝參數

3 復合管焊接試驗結果分析

3.1 力學性能

取寬度為20.2 mm，厚度為9.8 mm，面積197.96 mm2的試樣，按照DNV-OS-F101：2010標準進行焊縫橫向拉伸試驗，結果見表4。由表4可見，焊縫橫向拉伸試驗的斷裂部位均位于母材部位。

表4 焊縫橫向拉伸試驗結果

考慮到鎳基合金625+X65復合管的服役環境，為檢驗焊縫的低溫韌性，對焊縫和離熔合線不同距離的區域制作10 mm×10 mm×55 mm標準試樣，在低溫(－16℃)環境下進行夏比沖擊試驗。各區域夏比沖擊試驗結果見表5。

表5 V形缺口夏比沖擊試驗(－16℃)結果

3.2 抗腐蝕性試驗

根據DNV-OS-F101：2010標準，對試樣的復合層進行取樣，分別放在60℃的20%HNO3+5%HF混合溶液中5 min，干燥稱重后，再置于90gFeCl3·6H2O+900 mL去離子水中，溶液溫度為50℃，浸泡1天，干燥稱重后，結果要求失重率不大于4g/m2。點蝕試驗結果見表6，由表6可見，所有試樣的失重率均小于4g/m2，滿足標準要求。

表6 點蝕試驗結果

4 結論

（1）由鎳基合金625+X65復合管的焊接性分析可知：鎳基合金625+X65復合管的焊接應重點注意S和Si等雜質對焊接性能的影響。

（2）焊接試驗表明，采用適當的焊接工藝參數、選擇正確的焊接方法和焊材能夠獲得性能良好的復合管焊縫，并且表面成形良好，能夠滿足施工要求。

（3）力學性能試驗表明：鎳基合金625+X65復合管焊縫的力學性能能夠保證復合管使用過程中的強度要求。

（4）鎳基合金625+X65復合管焊縫的點蝕試驗表明：對復合管采用鎢極氬弧焊獲得的焊縫具有較好的抗腐蝕性能，滿足服役腐蝕環境的應用需求。

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Research on Weldability and Welding Process of Nickel Base Alloy 625+X65 Clad Pipe

ZHOU Yeping1,ZHANG Kaifeng2
（1.Yunfu Special Equipment Inspection Institute,Yunfu 527300,Guangdong,China;2.CNOOC Engineering Underwater Technology(Shenzhen)Co.,Ltd.,Shenzhen 5180678,Guangdong,China）

The greater difference of chemical composition and physical properties existed in nickel base alloy 625+X65 clad pipe,between nickel base alloy 625 and X65 low alloy steel,it easily caused hot crack in welding.In this article,the weldability and weld corrosion resistance performance were researched through welding test and weld corrosion resistance test.The results indicated that the good weld of clad pipe can be obtained by adopting appropriate welding process parameters,the right welding method and welding materials,the weld surface formation is good,and the mechanical properties and corrosion resistance both can meet requirements of relevant standards.

welded pipe;nickel base alloy 625+X65 clad pipe;weldability;welding process

TG44

B

1001－3938（2015）09-0061-03

周葉平（1985—），男，助理工程師，主要研究方向為焊接質量控制。

2015-04-07

修改稿收稿日期：2015-06-01

羅 剛