鎳合金復合管彎頭的焊接

許江新，張付峰，張永輝，齊凱華，唐 荔

（1.鄭州萬達重工股份有限公司，鄭州450019；2.四川華油集團有限責任公司 物資分公司，成都610017）

鎳合金復合管彎頭的焊接

許江新1，張付峰1，張永輝1，齊凱華1，唐 荔2

（1.鄭州萬達重工股份有限公司，鄭州450019；2.四川華油集團有限責任公司 物資分公司，成都610017）

為了解決大直徑、厚壁鎳合金復合管焊接性差的問題，以Φ600 mm×（36+3）mm鎳合金復合管（Q245R+N08825）彎頭為研究對象，通過優選焊接方法、坡口形式和焊接順序，確定了合理的焊接工藝和參數。對該焊接工藝所焊接頭進行了化學成分和力學性能檢測。結果表明，該焊接接頭的力學性能符合標準規范要求，抗氫致開裂和應力腐蝕開裂性能良好，說明該焊接工藝技術所焊接頭能滿足高含硫氣田的使用條件。

焊接；鎳合金復合管；N08825

隨著國內外高硫含量（H2S）天然氣資源的大量開采，具有較高強度和優異耐腐蝕性能的大直徑、厚壁鎳合金復合管得到了廣泛應用。鎳合金復合管的焊接較為復雜，焊接要求較高，國內相關的焊接工藝還不夠成熟。針對該問題，本研究經過工藝評定試驗，確定了合理的工藝參數。采用該焊接工藝所焊接頭的力學性能符合相關標準規范的要求，抗氫致開裂和應力腐蝕開裂性能良好，可滿足高含硫氣田的使用要求。

1 雙金屬復合管的結構及性能特點

復合管由耐蝕合金層與基體管兩部分組成，管層之間通過各種變形和連接技術使兩種材料結合成一體。工程應用中，耐蝕合金層依據目標油氣田的介質環境、使用壽命等進行選擇，以滿足耐蝕性能的需求；基體管根據輸送介質的壓力確定，以保證復合后的管體能滿足油氣輸送壓力和強度的需要。

復合管集耐蝕合金層的耐蝕性能與基體管的力學性能于一體，兼具耐蝕層和基體層的優點，可充分發揮兩種材料的性能特點[1]。相對于純耐蝕合金管，不僅能有效降低成本，而且在酸性環境中具有更好的安全性和可靠性。

2 鎳合金復合管的焊接性分析

鎳合金復合管的基層材料為Q245R鋼，用于保證管道的強度，覆層材料為N08825鎳基合金，用于保證管道的耐蝕性能。為了確保Q245R+N08825雙金屬復合管的焊接質量，基層和覆層應分別焊接。基層Q245R鋼的焊接性良好，但覆層N08825鎳基合金屬于奧氏體不銹鋼，其焊接性較差。Q245R、N08825和擬選用焊絲ERNiCrMo－3的化學成分見表1。

焊接Q245R+N08825雙金屬復合管時，若選用的工藝措施不當，易產生過燒、熱裂紋、氣孔、晶間腐蝕等[2]。對于Q245R+N08825復合管，其Ni和Fe的二元共晶物中有較多低熔點的金屬共晶物和非金屬共晶物。由于非金屬共晶物（如S和P）熔點比金屬共晶物（Ni和Fe）低很多，在焊縫結晶時低熔點共晶物的液態膜殘留在晶界區，同時鎳及鎳合金與碳鋼相比，線脹系數較大，焊接時易產生較大的應力，焊縫結晶時低熔點共晶物的液態膜在收縮應力作用下易產生開裂。此外，Q245R+N08825雙金屬復合管中鎳基合金的固相與液相溫度間距較小，液態金屬流動性較低，在結晶過程中，熔池中的氣體來不及溢出，易留在焊縫中形成氣孔。有些鎳基合金具有兩個敏化溫度區間，在焊接過程中，處在敏化溫度區間的晶界發生Cr和Mo等碳化物的沉淀，引起晶界區的貧Cr和貧Mo現象。因此焊接Q245R+N08825雙金屬復合管時應采用小線能量，降低道間溫度，加快焊縫冷卻速度，焊前徹底清除焊絲、母材坡口處的油、污物，嚴格控制母材、焊材中的S、P含量，從而防止熱裂紋、氣孔等缺陷的產生[3]。

表1 Q245R、N08825和ERNiCrMo－3的化學成分

3 焊接工藝試驗

試驗所用Q245R+N08825雙金屬復合管的覆層N08825鎳基合金與基層Q245R鋼的化學成分差別較大，物理性能也差異較大。焊接此類管道時，易出現焊接成形不好、焊接接頭質量不合格等問題[4]。鑒于此，本研究針對該復合管性能特點進行了焊接工藝技術研究。

3.1 試驗材料及方法

試驗用材料取自于 Φ600 mm×（36+3）mm Q245R+N08825雙金屬復合管。基層為厚度36 mm的Q245R鋼，覆層選用厚度3 mm的N08825鎳基合金。

雙金屬復合管的焊接方法一般采用手工鎢極氬弧焊（GTAW）、焊條電弧焊（SMAW）和埋弧焊（SAW）等。采用GTAW焊接時，因氬氣可隔離空氣對熔化金屬的氧化，且電弧還能自動清除焊道表面的氧化膜，熱源和填充焊絲可分別控制，焊接熱輸入量易于控制。但GTAW焊接的缺點是熔深淺，熔敷率小，生產效率較低。SMAW焊接生產效率一般，靈活性較高，但對焊工技能要求較高[5]。SAW焊接具有速度較快、熔敷率高、質量穩定等優點，焊接厚壁基層更有優勢[6]。此外，Q245R+N08825雙金屬復合管縱縫過渡層焊道屬于異種鋼焊接，為了減少基層對覆層的稀釋，焊接過渡層時要采用小電流、快速焊等方法，以減少熔深，使基層和覆層的交界處有一定的鐵素體組織，提高焊接接頭的抗裂性能和耐腐蝕性能[7]。綜上，本焊接試驗選用GTAW+SMAW+SAW的焊接方法。

3.2 焊接材料

Q245R+N08825雙金屬復合管對接焊時，由于基層Q245R與覆層N08825的化學成分相差較大，焊縫中覆層的化學成分必然會因基層材料的熔入而產生較大的稀釋，如果僅選用N08825焊材進行過渡層的焊接，則必然會降低覆層焊縫的耐腐蝕性能。可見焊接雙金屬復合管對接焊縫時應選用焊材的化學成分、力學性能和耐腐蝕性較N08825應更高[8]。因此，本次試驗過渡層及覆層選用的焊接材料為ERNiCrMo－3，其化學成分見表1，力學性能見表2。

表2 ERNiCrMo－3的力學性能

3.3 坡口形式

Q245R+N08825雙金屬復合管對接焊時，坡口應選用大角度、小鈍邊。坡口采用等離子或機械加工，切口表面應平整，無裂紋、重皮、毛刺、凹凸、縮口、熔渣、氧化物及鐵屑等。加工坡口前，必須用磨光機磨去影響焊接質量的表面層，并打磨平整。焊前用不銹鋼絲刷、砂輪片將坡口內外壁50 mm范圍內清洗干凈，去除污物毛刺等，并用丙酮清洗坡口表面，層間徹底清理熔渣、粉塵。

3.4 焊道順序及焊接工藝參數

焊接Q245R+N08825雙金屬復合管的對接焊縫時，為保證良好的抗腐蝕性能、防止熱裂紋產生需要選用較小的焊接參數，而鎳基合金由于其熔點較高又需要保持一定的熱輸入，可見合理選擇焊接參數是保證焊接接頭性能的關鍵[9]。綜合考慮，選擇該雙金屬復合管的焊接順序如圖1所示，工藝參數見表3。

圖1 Q245R+N08825雙金屬復合管對接焊焊接順序示意圖

表3 Q245R+N08825雙金屬復合管對接焊焊接工藝參數

4 焊接接頭力學性能和腐蝕試驗

4.1 力學性能試驗

合格的焊接接頭必須保證接頭的力學性能滿足標準規定要求[10]。按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》，對焊縫進行無損檢測后，加工試樣，進行常規力學及其他性能測試，力學試驗結果見表4～表6，結果滿足標準要求。

表4 拉伸試驗結果

表5 彎曲試驗結果

表6 V形缺口夏比沖擊試驗結果

4.2 腐蝕試驗與化學成分分析

根據技術要求，通過晶間腐蝕（ASTM G28 A法和ASTM A262C法）、點蝕（ASTM G48 A法）、硬度HV10（API SPEC 5LD—2009）、化學成分分析（ASTMB424）、耐蝕合金層的 SCC（NACETM0177—2005）等試驗及檢驗，證明其焊縫表面的化學成分和焊縫的耐腐蝕性能均符合規范要求。

5 結 論

（1）焊接Q245R+N08825雙金屬復合管時，應采用小線能量、降低道間溫度、加快焊縫冷卻速度，嚴格控制母材、焊材中的S和P的含量等措施，可以有效預防焊接接頭熱裂紋、氣孔等缺陷。

（2）焊接Q245R+N08825雙金屬復合管時，由于兩種材料的化學成分和力學性能差異較大，為了保證焊接接頭的性能，應選用比原內襯鎳鉻含量高的鎳基焊材。

（3）采用GTAW+SMAW+SAW的焊接方法，保證了Q245R+N08825雙金屬復合管的焊接質量，提高了焊接效率，且焊接接頭能夠滿足高含硫氣田對輸送管道的耐蝕要求。

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Welding of Ni-alloy Composite Pipe Elbow

XU Jiangxin1，ZHANG Fufeng1，ZHANG Yonghui1，QI Kaihua1，TANG Li2
（1.Zhengzhou Wanda Heavy Industry Co.,Ltd.,Zhengzhou 450019,China;2.Sichuan Huayou Petroleum Group Co.,Ltd.,Material and Goods Branch,Chengdu 610017,China）

In order to solve the problem of poor weldability of the large diameter and thick wall Ni-alloy composite pipe,taking Φ 600 mm×（36+3）mm Ni-alloy composite pipe （Q245R+N08825）elbow as the research object,reasonable welding technology and parameter were confirmed by optimizing welding method,groove type and welding sequence.The results of mechnical performance testing and chemical composition analysis indicated that the mechanical property of welding joint met the standard requirement,which had the good performance of resistance to hydrogen-induced cracking and stress-corrosion cracking.This illustrated the welded joint of the welding technology could meet the service conditions of high sour gas field.

welding;Ni-alloy composite pipe;N08825

TG407

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.11.009

許江新（1969—），男，河南三門峽人，工程師，

主要研究方向為石油天然氣輸送用雙金屬耐蝕復合管及管件焊接，管道及管件耐蝕合金堆焊等。

2017-03-14

修改稿收稿日期：2017-08-04

編輯：謝淑霞