雙金屬?gòu)?fù)合管焊接工藝工程實(shí)踐

閆光寧，李頌宏，王 強(qiáng)，馬慶樂，于國(guó)富

1.中國(guó)石油天然氣管道局第二工程公司培訓(xùn)中心，江蘇徐州 221008

2.中國(guó)石油天然氣管道局第二工程公司二分公司，江蘇徐州 221008

雙金屬?gòu)?fù)合管焊接工藝工程實(shí)踐

閆光寧1，李頌宏1，王 強(qiáng)2，馬慶樂2，于國(guó)富2

1.中國(guó)石油天然氣管道局第二工程公司培訓(xùn)中心，江蘇徐州 221008

2.中國(guó)石油天然氣管道局第二工程公司二分公司，江蘇徐州 221008

各種酸性有害介質(zhì)的腐蝕是困擾許多油氣田開發(fā)的一項(xiàng)難題，近年來，國(guó)內(nèi)外逐漸采用雙金屬?gòu)?fù)合管替代傳統(tǒng)低碳鋼管、低合金鋼管和不銹鋼管。新疆克拉蘇氣田克深5區(qū)塊試采集氣干線管道工程，管道長(zhǎng)度33.08 km，施工中采用鎳基焊材較好地解決了各種酸性有害介質(zhì)造成的管道焊道的腐蝕穿孔問題。介紹了雙金屬?gòu)?fù)合管管道工程焊接工藝評(píng)定、工程焊接工藝參數(shù)、管內(nèi)充氬裝置、焊接操作要領(lǐng)、工程焊接注意事項(xiàng)、雙金屬?gòu)?fù)合管常見焊接缺陷及防止措施、工程實(shí)際焊接效果等內(nèi)容。工程實(shí)踐表明，自2015年6月開工至2016年3月，共完成焊口1 637道，焊接一次合格率為94.65%；全線施工焊接的15處金口，22處連頭，均一次焊接合格。

雙金屬?gòu)?fù)合管；鎳基焊材；焊接工藝；操作要領(lǐng)

在油氣田開發(fā)過程中，各種酸性有害介質(zhì)的腐蝕是困擾許多油氣田開發(fā)的一項(xiàng)難題。近年來，國(guó)內(nèi)外逐漸采用雙金屬?gòu)?fù)合管替代傳統(tǒng)低碳鋼管、低合金鋼管和不銹鋼管，其低廉的價(jià)格、較高的承壓能力和優(yōu)異的耐腐蝕性能，節(jié)省了投資并提高了油氣田運(yùn)營(yíng)的可靠性和安全性[1]。由于雙金屬?gòu)?fù)合管本身的特殊性，焊接時(shí)容易在復(fù)層和基層的界面處出現(xiàn)未熔合缺陷，同時(shí)基層碳鋼中的碳元素向不銹鋼中的擴(kuò)散會(huì)降低不銹鋼復(fù)層的抗腐蝕性能。針對(duì)復(fù)合管焊接的難點(diǎn)，提出新的焊接工藝[2]。中國(guó)石油天然氣管道局第二管道工程公司（簡(jiǎn)稱管道二公司）承建了新疆克拉蘇氣田克深5區(qū)塊試采集氣干線管道工程，管道長(zhǎng)度33.08 km。施工中采用鎳基焊材較好地解決了有害介質(zhì)造成的管道腐蝕穿孔問題。采用鎳基焊材焊接雙金屬?gòu)?fù)合管，焊縫成形良好，無損檢測(cè)合格率高，特別是力學(xué)性能和抗腐蝕性能有了顯著的提高，提高了一次焊接合格率和生產(chǎn)效率，降低了施工成本。

1 焊接工藝評(píng)定

管道二公司培訓(xùn)中心接到雙金屬?gòu)?fù)合管的焊接工藝評(píng)定任務(wù)后，按以往復(fù)合鋼管的焊接經(jīng)驗(yàn)采用不銹鋼焊絲和焊條進(jìn)行焊接，力學(xué)性能指標(biāo)不理想，特別是焊接接頭的抗腐蝕性能達(dá)不到工程的技術(shù)要求。焊接試驗(yàn)人員在查閱了大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，分析了造成焊接接頭抗腐蝕性能不合格的原因，決定采用鎳基焊接材料進(jìn)行復(fù)合鋼管的焊接。

1.1 焊接工藝評(píng)定用材料及焊接方法

試驗(yàn)采用的復(fù)合鋼管，管材基層為L(zhǎng)360N，復(fù)層為316L；管道規(guī)格D 323.9 mm×（10+2）mm。復(fù)層、過渡層焊接材料采用ERNiGrMo-3鎳基焊絲，保護(hù)氣體為氬氣；填充層、蓋面層焊接材料采用ENiGrMo-3鎳基焊條。復(fù)層、過渡層采用鎢極氬弧焊，填充層、蓋面層采用焊條電弧焊。

1.2 坡口型式及焊接順序

焊接的坡口型式見圖1，焊接順序見圖2。

圖1 坡口型式

圖2 焊接順序

1.3 焊縫的性能試驗(yàn)

（1）外觀檢查。焊縫的外觀應(yīng)符合如下要求：余高0～ 3 mm，寬度為每側(cè)比坡口增加0.5～2 mm，焊縫表面應(yīng)無氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。

（2）射線檢測(cè)。射線檢測(cè)應(yīng)達(dá)到SY/T 4109規(guī)定的Ⅱ級(jí)焊縫的要求。

（3）力學(xué)性能試驗(yàn)。按NB/T 47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

（4）晶間腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

（5）均勻腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

（6）抗腐蝕介質(zhì)應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4、表5。

表1 焊接接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表2 晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

表3 均勻腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

表4 抗氯化物應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)（模擬法）結(jié)果

表5 抗氯化物應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)（U型彎曲法）結(jié)果

2 焊接工藝參數(shù)

根據(jù)焊接工藝評(píng)定報(bào)告，結(jié)合工程實(shí)際及焊工培訓(xùn)狀況，確定的雙金屬?gòu)?fù)合管焊接工藝參數(shù)見表6。在實(shí)際焊接中，焊接工藝參數(shù)的選擇原則是在確保熔合良好的前提下，選用較小規(guī)格的焊材、較小的焊接電流、較薄的焊層、較快的焊接速度以及盡量低的層間溫度。特別是復(fù)層、過渡層應(yīng)嚴(yán)格控制熱輸入，也應(yīng)注意第一層填充焊道的熱輸入。

表6 雙金屬?gòu)?fù)合管焊接工藝參數(shù)

3 管內(nèi)充氬裝置

采用氬弧焊焊接不銹鋼時(shí)，背面需進(jìn)行充氬保護(hù)，以防焊縫背面和熱影響區(qū)被氧化。結(jié)合工程實(shí)際制作簡(jiǎn)易方便的內(nèi)部充氬裝置，見圖3。此充氬裝置制作簡(jiǎn)單，操作方便，保護(hù)效果好，并節(jié)省氬氣。

圖3 管內(nèi)充氬裝置示意

4 焊接操作要領(lǐng)

4.1 焊前準(zhǔn)備

（1）封焊檢查。認(rèn)真檢查坡口處的封焊（封焊由管廠完成）質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)有漏焊或熔合不良等應(yīng)進(jìn)行修復(fù)。當(dāng)缺陷較嚴(yán)重時(shí)應(yīng)當(dāng)作廢管處理，不得應(yīng)用于工程。

（2）坡口清理。采用不銹鋼專用鋼絲刷或不銹鋼拋光膜片對(duì)坡口及兩側(cè)進(jìn)行清理。坡口及兩側(cè)100 mm范圍內(nèi)應(yīng)無水分、油脂、氧化物等影響焊接質(zhì)量的污物，坡口及兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)應(yīng)見金屬光澤。

（3）焊前預(yù)熱。當(dāng)環(huán)境溫度在不低于5℃時(shí)，焊前不需預(yù)熱。當(dāng)環(huán)境溫度在5℃以下，并且環(huán)境濕度較大時(shí)，應(yīng)將管口預(yù)熱至30～50℃，此時(shí)預(yù)熱的主要目的是降低坡口及附近的水氣。在預(yù)熱過程中應(yīng)加熱管的外側(cè)，即加熱基層，并應(yīng)避免火焰直接加熱復(fù)層。

4.2 組裝及安裝充氬裝置

焊前準(zhǔn)備結(jié)束后應(yīng)盡快進(jìn)行組裝，組裝時(shí)采用外對(duì)口器。管口初步組裝合格后，即可安裝充氬裝置，并開始充氬。開始時(shí)充氬的流量應(yīng)大些，通常為20～25 L/min，充氬1～2 min后，在焊口的12點(diǎn)鐘處將封帶開一個(gè)口，以盡快排除管內(nèi)的空氣（約需5～10 min）。空氣排除后，充氬氣體流量調(diào)到10～12 L/min，即可開始定位焊接。

定位焊前應(yīng)再次調(diào)整組裝尺寸，使管口的間隙、錯(cuò)邊達(dá)到質(zhì)量要求。定位焊縫應(yīng)采用定位塊（定位塊的材質(zhì)應(yīng)與管的基層相同）。定位焊縫應(yīng)在基層上，不應(yīng)在復(fù)層和過渡層區(qū)進(jìn)行定位焊接。

4.3 復(fù)層焊接

焊前用測(cè)氧儀測(cè)量氧氣含量，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)降到2%以下時(shí)，方可開始復(fù)層的焊接。采用點(diǎn)狀快速送絲，焊接速度要快，輕微擺動(dòng)有利于降低熱輸入和焊接區(qū)的保護(hù)。要使焊絲端部始終在氬氣的保護(hù)區(qū)內(nèi)，以防焊絲被氧化而影響焊接質(zhì)量。

從6點(diǎn)鐘位置起焊，焊接到定位焊點(diǎn)時(shí)，將定位焊縫金屬去除后，繼續(xù)焊接（定位焊縫金屬不得熔入正式焊縫）。當(dāng)焊接到立焊位置時(shí)，容易造成焊接速度過慢，這時(shí)送絲必須跟上，快速將焊絲送至熔池前段1/2處，點(diǎn)入即快速移出，否則會(huì)出現(xiàn)焊絲末端的焊絲瘤，影響下一個(gè)點(diǎn)的焊接。應(yīng)做到送絲頻率均勻一致，點(diǎn)入焊絲量一致，才能形成外觀一致的焊道。關(guān)鍵是控制熔池溫度，溫度過高焊道會(huì)過熱氧化而變黑。被氧化后的焊道即使無損檢測(cè)合格，也不能保證使用時(shí)的抗蝕性要求。焊接復(fù)層焊道的另一個(gè)要點(diǎn)是焊層要薄，要盡量控制不讓基層金屬熔化到復(fù)層焊道中，基層金屬的熔入會(huì)降低復(fù)層的合金含量，也會(huì)增加復(fù)層的碳含量，這會(huì)降低復(fù)層的耐腐蝕性能。要獲得美觀的焊縫，很大程度上取決于正確控制熔池的溫度，焊縫的顏色以銀白色最佳，見圖4，金黃色和藍(lán)色為合格，灰色和黑色為不合格[3]。

圖4 焊道呈銀白色

4.4 過渡層的焊接

復(fù)層焊接完成，并經(jīng)外觀檢查合格后，采用不銹鋼專用砂輪片磨除復(fù)層焊道的高凸處。焊接過渡層焊道時(shí)，背部充氬不應(yīng)停止，但可適當(dāng)降低充氬的流量。測(cè)量復(fù)層焊道的溫度，待溫度降至60℃以下時(shí)，方可開始過渡層的焊接。在過6點(diǎn)鐘10～20 mm位置引燃電弧，焊槍與管道切線夾角為70°～85°，焊絲與焊槍夾角為100°～120°，焊層厚度應(yīng)控制在1.5～2 mm。在確保熔合良好的前提下，采用小電流、快焊速，以降低熔池的高溫停留時(shí)間，防止因過熱而降低復(fù)層的抗腐蝕性。同時(shí)要盡量控制基層金屬的熔入量。

4.5 填充層的焊接

過渡層焊接完成，并經(jīng)外觀檢查合格后，對(duì)焊道表面的不平處進(jìn)行適當(dāng)修磨，待過渡層溫度降至80℃以下時(shí)，即可開始第一層填充焊道的焊接。由于復(fù)層焊道和過渡層焊道太薄，第一層填充焊道對(duì)復(fù)層仍會(huì)產(chǎn)生較大的影響，所以焊接第一層填充焊道時(shí)，背面充氬應(yīng)繼續(xù)，但氬氣的流量可再降低些。

填充層采用焊條電弧焊，在6點(diǎn)鐘位置引燃電弧形成熔池后，采用月牙形的運(yùn)條方法快速薄層焊接。焊條與管道切線夾角為75°～90°，注意控制熔池溫度，減少高溫滯留時(shí)間，防止根焊背面氧化，兩側(cè)熔合好就快速運(yùn)條前行。平焊位置注意控制焊條角度和運(yùn)條方法，防止出現(xiàn)熔渣分離不清而產(chǎn)生夾渣。第一層填充焊道焊接完成后，即可停止內(nèi)部充氬，但充氬裝置仍不能撤除，應(yīng)一直保持到整個(gè)焊縫焊接完成后。

第一層填充焊道焊接完成后，經(jīng)外觀檢查合格，待層間溫度降到80℃以下時(shí)，即可開始第二層填充焊道的焊接。第二層填充焊道的焊接與第一填充焊道的要求基本一致。填充焊道應(yīng)焊接到距坡口表面1～2 mm為宜，見圖5，以利于蓋面焊道的焊接。

圖5 填充焊道厚度

4.6 蓋面焊道的焊接

填充焊道焊接完成，并經(jīng)外觀檢查合格后，進(jìn)行修磨，待填充焊道溫度降至100℃以下時(shí)，即可開始蓋面焊道的焊接。蓋面焊道采用焊條電弧焊，焊接時(shí)應(yīng)保持?jǐn)[幅一致、擺頻一致、擺速一致、擺寬一致和電弧長(zhǎng)度一致。焊條與管道切線夾角為80°～90°，左右應(yīng)垂直于管道軸線。更換焊條要快，在上一根焊條結(jié)束點(diǎn)前10 mm處引燃電弧并快速拉至接頭處，將接頭弧坑填滿后迅速進(jìn)入正常焊接。前半周焊接完成后，應(yīng)將前半周的6點(diǎn)鐘和12點(diǎn)鐘接頭處打磨成斜坡狀，以利于后半周的接頭焊接和防止接頭處產(chǎn)生缺陷。當(dāng)層間降溫至100℃以下，方可開始后半周的焊接。

蓋面焊道的余高應(yīng)為0～3 mm，焊縫寬度應(yīng)為坡口寬度兩側(cè)各增加0.5～2 mm。焊縫的余高、寬度應(yīng)均勻一致，并應(yīng)與母材圓滑過渡。焊縫表面應(yīng)無裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，咬邊深度應(yīng)＜0.5 mm。

5 工程焊接應(yīng)注意的其他事項(xiàng)

（1）磁偏吹。不銹鋼無磁性，碳鋼有磁性。在施工中發(fā)現(xiàn)，管口組對(duì)后剩磁數(shù)值增大，并超過了技術(shù)文件小于15×10-4T的允許范圍，焊接時(shí)產(chǎn)生電弧磁偏吹，造成焊接困難，甚至無法焊接。用焊接電纜纏繞管體的方法來消磁，既簡(jiǎn)單又方便。若纏繞后焊接時(shí)出現(xiàn)磁場(chǎng)增強(qiáng)的現(xiàn)象，則說明磁場(chǎng)方向錯(cuò)誤，將焊接電纜反向纏繞即可[4-5]。磁場(chǎng)的強(qiáng)弱可通過纏繞圈數(shù)來解決，圈數(shù)越多磁場(chǎng)越強(qiáng)，圈數(shù)越少則磁場(chǎng)越弱。

（2）防風(fēng)措施。由于新疆特殊的地理環(huán)境，風(fēng)沙天氣較多，因此在采用鎢極氬弧焊和焊條電弧焊進(jìn)行焊接時(shí)，特別是鎢極氬弧焊時(shí)，應(yīng)采取有效的防風(fēng)措施，方能保證焊接質(zhì)量。

（3）氬氣的純度。由于施工當(dāng)?shù)氐臍鍤赓|(zhì)量不夠穩(wěn)定，所以每一批氬氣在使用前都應(yīng)進(jìn)行氬氣的純度檢驗(yàn)，氬氣的體積分?jǐn)?shù)必須達(dá)到99.96%，方可用于工程焊接。

（4）焊工的操作水平。焊工的操作水平是決定焊接質(zhì)量最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，在工程開工前應(yīng)對(duì)焊工進(jìn)行嚴(yán)格的培訓(xùn)和考試，以提高焊工的操作水平，操作水平不達(dá)標(biāo)的焊工，不得從事工程的焊接。

（5）嚴(yán)格的過程控制。對(duì)于雙金屬?gòu)?fù)合管的焊接質(zhì)量，除要求外觀質(zhì)量和無損檢測(cè)質(zhì)量合格外，還要求力學(xué)性能和耐腐蝕性能合格。外觀質(zhì)量和無損檢測(cè)質(zhì)量是否合格可通過焊后檢測(cè)來驗(yàn)證，而力學(xué)性能和耐腐蝕性能是否合格是不可能通過焊后檢驗(yàn)所有焊接接頭來驗(yàn)證的，而只能取少量的焊接接頭來驗(yàn)證。所以必須用嚴(yán)格的焊接過程控制來保證焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。首先要教育焊工嚴(yán)格執(zhí)行焊接操作規(guī)程，并設(shè)專人監(jiān)督焊接過程。發(fā)現(xiàn)有違反焊接工藝規(guī)程的現(xiàn)象，即使外觀檢查合格、無損檢測(cè)也合格的焊口，也必須割除重新焊接。

6 常見缺陷的產(chǎn)生原因及防止措施

常見缺陷產(chǎn)生的原因及防止措施見表7。

表7 常見缺陷產(chǎn)生的原因及防止措施

7 結(jié)束語

中國(guó)石油天然氣管道第二工程公司承建的新疆克拉蘇氣田克深5區(qū)塊試采地面集輸管道工程，線路總長(zhǎng)度33.08 km。復(fù)合管基層材質(zhì)為L(zhǎng)245N、L415Q、 L360N，厚度分別為 8～ 10 mm；復(fù)層材質(zhì)為316L，厚度分別為2、2.5 mm；管直徑為114.3～355.6 mm。自2015年6月開工至2016年3月，共完成線路長(zhǎng)度19.15 km的焊接，焊口1 637道，焊接一次合格率為94.65%。全線施工焊接的15處金口、22處連頭，均一次焊接合格。焊接質(zhì)量和焊接效率達(dá)到了工程要求，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]許愛華，院振剛，楊光，等.雙金屬?gòu)?fù)合管的施工焊接技術(shù)[J].天然氣與石油，2010，28（6）：22-28.

[2]呂世雄，王廷，馮吉才.20G/316L雙金屬?gòu)?fù)合管弧焊接頭組織與性能[J].焊接學(xué)報(bào)，2009，30（4）：93-96.

[3]王永芳，袁江龍，張燕飛，等.雙金屬?gòu)?fù)合管的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].焊管，2013，36（2）：5-9.

[4]張立君，張燕飛，郭崇曉.雙金屬?gòu)?fù)合管焊接工藝研究[J].焊管，2009，32（4）：30-34.

[5]田彩鋼.L245/316L雙金屬?gòu)?fù)合管焊接技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2012，38（2）：48-50.

Engineering Practice ofWelding Double MetalComposite Pipe

YAN Guangning1，LISonghong1，WANG Qiang2，MAQingle2，YU Guofu2
1.Training CenterofChina Petroleum and NaturalGas Pipeline Second Engineering Company，Xuzhou 221008，China
2.Second Branch ofChina Petroleum and NaturalGas Pipeline Second Engineering Company，Xuzhou 221008，China

Corrosion caused by various acid mediums is a difficult problem bedeviling development of many oil and gas companies.In recent years，the double metal composite pipes substitute gradually the traditional pipes of low carbon steel，low-alloy steel and stainless steel.In the trial production pipeline project of Ke-Shen Fifth Block of Kelasu Gas Field，nickel based welding materialwas used for the 33.08 km long pipeline and solved the weld corrosion and perforation problems caused by various acid mediums.This paper introduces the welding process assessment，welding process parameters，argon filling device working inside pipeline，welding operation essentials，welding matters for attention，common welding defects and prevention measures，practicalwelding effectiveness.This welding technology was used for the project from June 2015 to March 2016，and finished 1 637 welds with the primary qualified rate of 94.65%；15 special joints and 22 joints in the whole pipeline were welded and qualified in primary welding operations.

double metalcomposite pipe；nickelbased welding material；welding technology；operation essential

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.012

閆光寧（1972-），男，江蘇南京人，技師，1991年畢業(yè)于中國(guó)石油天然氣管道第二工程公司技工學(xué)校，主要從事焊接教學(xué)工作。

2016-07-15

Email：yanguangning72@163.com