雙金屬復(fù)合管自動(dòng)焊技術(shù)現(xiàn)狀及展望

姚學(xué)全，閆 臣，郭靜薇，楊 疊

（中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，河北廊坊065000）

0 前言

隨著對(duì)能源需求的增加，油氣田開發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向深層、高溫、高壓、高腐蝕性等惡劣環(huán)境。傳統(tǒng)碳鋼材料腐蝕嚴(yán)重，給油氣田安全生產(chǎn)運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅。使用耐蝕合金與碳鋼復(fù)合而成的雙金屬復(fù)合管是解決油氣開采及運(yùn)輸過程中腐蝕問題一個(gè)安全又經(jīng)濟(jì)的選擇。雙金屬復(fù)合管是管壁由兩層具有各自特性的金屬材料通過特定的工藝手段結(jié)合成一體的具有綜合特性的新型鋼管，覆層金屬一般根據(jù)腐蝕環(huán)境選擇，基層金屬選擇能保證力學(xué)性能的碳鋼或合金鋼材料。

1 雙金屬復(fù)合管的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

國外對(duì)雙金屬復(fù)合管的研究開展較早，大部分已有先進(jìn)成熟的制造工藝。美國石油協(xié)會(huì)（API）已經(jīng)制定了抗腐蝕合金復(fù)合鋼管或襯管規(guī)范（API 5LD）。世界上最早進(jìn)行雙金屬復(fù)合管開發(fā)制造的公司是德國Butting公司，也是目前最知名的雙金屬復(fù)合管制造企業(yè)，其產(chǎn)品成熟，技術(shù)完善，尤其是機(jī)械復(fù)合管制造處于世界領(lǐng)先地步，并且在液壓脹接法及復(fù)合板焊接中也占有主導(dǎo)地位，目前該公司生產(chǎn)的復(fù)合管已有上千km應(yīng)用于世界各國的海底和陸上油氣管道。日本長野工業(yè)公司采用UOE工藝制造的Cu-Ni合金復(fù)合管具有優(yōu)良的耐海水腐蝕性和可焊性，廣泛用于海水淡化系統(tǒng)的海水引入管等。日本山陽特殊鋼公司和日本新日鐵公司的復(fù)合管則主要通過粉末冶金法制備。英國的PROCLAD公司生產(chǎn)的雙金屬復(fù)合管也在全球許多國家得到應(yīng)用。維爾漢姆公司在江蘇蘇州的工廠有堆焊復(fù)合管試驗(yàn)產(chǎn)品，由于技術(shù)壟斷，價(jià)格極其昂貴[1-2]。

1.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)過20年的發(fā)展，國內(nèi)的雙金屬復(fù)合管憑借其競技性和優(yōu)良的耐蝕性能在油氣田用管材領(lǐng)域迅速成長。目前主要的雙金屬復(fù)合管制造企業(yè)有西安向陽航天材料股份有限公司、河北新興鑄管、四川驚雷科技、浙江久力等。國內(nèi)累計(jì)應(yīng)用雙金屬復(fù)合管為2 000 km。近年來四川油建在牙哈成功焊接雙金屬復(fù)合管、大慶油建在迪那成功焊接氣田雙金屬復(fù)合管以及中石化十建在普光成功焊接雙金屬復(fù)合管的實(shí)例，都說明我國在雙金屬復(fù)合管焊接領(lǐng)域已取得重大技術(shù)突破[3]。

1.3 雙金屬復(fù)合管的焊接

復(fù)合管的焊接屬于異種鋼焊接，由于兩種材質(zhì)物理化學(xué)性能不同，焊接接頭中容易產(chǎn)生應(yīng)力、氣孔、夾渣等焊接缺陷。另外熔敷金屬的合金成分濃度梯度變化較大，后一道焊接稀釋了前一道熔敷金屬，導(dǎo)致焊接接頭淬透性增大，易產(chǎn)生裂紋等缺陷。在焊接時(shí)需防止耐蝕層的合金元素和碳鋼層的Fe、C等元素發(fā)生擴(kuò)散，造成合金元素的稀釋，降低焊接接頭的耐蝕性。焊接時(shí)不僅要考慮焊接熱輸入量，還要保證不同材料之間的冶金關(guān)系，通過合金元素的控制來獲取理想的微觀組織。

目前，國內(nèi)多以小管徑的內(nèi)襯不銹鋼機(jī)械復(fù)合管為主，焊接方法主要采用鎢極氬弧焊和焊條電弧焊。焊接時(shí)，重點(diǎn)考慮覆層的根焊以及覆層與基層相鄰部分的過渡層的焊接。覆層選用與其成分相同的焊接材料作為填充材料，過渡層通常采用合金成分高一級(jí)別匹配的模式，基層焊材與基層管強(qiáng)度匹配。對(duì)于鎳基復(fù)合管，中原油建曾在四川普光氣田工程中采用了直徑小于等于219mm的小管徑鎳基機(jī)械復(fù)合管，焊接方法為手工鎢極氬弧焊。國外已有大口徑金屬復(fù)合管施工業(yè)績，且已開發(fā)出相應(yīng)的自動(dòng)焊焊接設(shè)備和工藝，選用與覆層成分相同或者高一個(gè)級(jí)別的焊接材料填充整個(gè)對(duì)接焊縫[4-7]。

2 雙金屬復(fù)合管自動(dòng)焊技術(shù)的發(fā)展

雙金屬復(fù)合管的自動(dòng)焊焊接技術(shù)主要有鎢極氬弧焊自動(dòng)焊焊接工藝，可用于根焊、填充、蓋面的焊接。例如MAGNATEC公司研制的熱絲TIG自動(dòng)焊焊接設(shè)備、AIR-LIQUIDE WELDING公司推出的TIP TIG焊接工藝以及鎢極氬弧自動(dòng)焊等。國外最近開始采用CMT焊、等離子焊重熔等進(jìn)行根焊。為提高焊接效率，國外已經(jīng)開發(fā)出MIG焊用于填充和蓋面，例如法國SERIMAX已經(jīng)將此類方法成功應(yīng)用在鎳基復(fù)合管的管道施工中。

2.1 熱絲TIG自動(dòng)焊焊接技術(shù)

熱絲TIG焊是在焊絲進(jìn)入熔池前，將焊絲通電加熱到一定溫度后進(jìn)入熔池，熔化焊絲只需消耗很少的電弧能量，電弧能量主要用于熔化母材，這樣可以達(dá)到焊縫熔深好、焊絲熔化速度快的效果。既保留了氬弧焊本身熱輸入小、焊接質(zhì)量高、降低母材稀釋率等特點(diǎn)，又提高效率，降低焊工操作難度，解決了管道焊接中焊接速度和焊接質(zhì)量之間的矛盾。目前，熱絲TIG焊已經(jīng)應(yīng)用于碳鋼、低合金鋼、不銹鋼和鎳基合金等材料的焊接[8-9]。李東[10]采用熱絲TIG焊焊接L360QS/N08825雙金屬復(fù)合管，分析研究焊接接頭的顯微組織和性能。焊接接頭的力學(xué)性能能夠滿足使用要求。

2.2 TIP TIG自動(dòng)焊

TIP TIG在常規(guī)TIG焊基礎(chǔ)上增加了高頻振動(dòng)的自動(dòng)送絲機(jī)構(gòu)，使向前送給的焊絲同時(shí)具備高頻線性振動(dòng)功能，通過高頻振動(dòng)的焊絲攪拌熔池，有效破壞金屬熔池及熔滴表面張力，大幅度提高熔敷速率，使熔池中產(chǎn)生的氣體、雜質(zhì)容易逃逸。并使焊絲在被送入熔池前加熱至臨近熔化狀態(tài)，減少焊絲對(duì)電弧能量的吸收。由于同時(shí)獨(dú)立控制焊絲預(yù)熱的能量和焊接電弧的能量，調(diào)整了焊接熔池的熱輸入[11]。楊帆[12]針對(duì)中海油某油田鋪設(shè)的X70/316L雙金屬復(fù)合海管進(jìn)行了全自動(dòng)TIP TIG焊接工藝開發(fā)。結(jié)果表明，工藝效率較高，焊接接頭的力學(xué)性能和耐晶間腐蝕性能良好，達(dá)到使用要求。目前，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到崖城13-4項(xiàng)目、南海番禺35項(xiàng)目、東海平北黃巖項(xiàng)目等海底天然氣開發(fā)工程所用雙金屬復(fù)合管焊接中，焊接一次合格率最高可達(dá)90%以上[13]。

2.3 脈沖鎢極氬弧自動(dòng)焊

脈沖鎢極氬弧焊是利用可控的脈沖電流加熱熔化工件，每一個(gè)脈沖會(huì)形成一個(gè)點(diǎn)狀熔池。它可以精確控制對(duì)工件的熱輸入和熔池尺寸，提高焊縫抗燒穿和熔池的保護(hù)能力，易獲得均勻的熔池，特別適用于薄板、全位置焊和單面焊雙面成形，減小焊接熱影響區(qū)和焊接變形。焊接過程中熔池金屬冷凝快，高溫停留時(shí)間短，可減小對(duì)熱量特別敏感材料焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的傾向。劉立永[14]采用直流脈沖鎢極氬弧焊根焊及熱焊焊接工藝，減小了焊接過程中的熱輸入，減小晶粒組織變大幾率，提高焊縫金屬的組織穩(wěn)定性、塑性和韌性。王富鐸[15]采用加拿大TIP公司生產(chǎn)的全位置脈沖鎢極氬弧焊機(jī)對(duì)L360QS/316L復(fù)合管進(jìn)行堆焊焊接工藝評(píng)定，結(jié)果表明，該堆焊工藝在雙金屬復(fù)合管管端堆焊中可獲得優(yōu)質(zhì)堆焊層，該工藝可應(yīng)用于雙金屬復(fù)合管管端堆焊領(lǐng)域。在雙金屬復(fù)合管的管端處理方面具有一定的指導(dǎo)意義。

2.4 冷金屬過渡焊接技術(shù)

冷金屬過渡焊接技術(shù)（Cold metal transfer）是指將熔滴過渡過程與送絲運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)字化協(xié)調(diào)，當(dāng)熔池與熔滴發(fā)生短路時(shí)，短路信號(hào)會(huì)反饋給CMT焊機(jī)的處理器，焊機(jī)根據(jù)短路信號(hào)自動(dòng)切斷電流，同時(shí)將信號(hào)反饋給送絲機(jī)，送絲機(jī)根據(jù)反饋信號(hào)自動(dòng)抽回焊絲，迫使熔滴與焊絲分離。由于熔滴是在切斷電流的狀態(tài)下“冷”過渡，因此最大程度上消除了飛濺現(xiàn)象。電弧在這種過渡方式下焊接熱輸入量非常少，可以大大減小焊接變形量，另一方面也減小了合金元素的稀釋。堆焊層在2.5mm厚度處，鐵含量可控制在2%～5%[16]。因此CMT工藝可以用于雙金屬復(fù)合管的根焊中。在哈薩克斯坦卡沙干“里海”鎳基復(fù)合管焊接施工中，法國SERIMAX公司使用STX09焊機(jī)，采用CMT進(jìn)行根焊，保護(hù)氣體為φ（CO2）2%+φ（He）30%+φ（Ar）68%，根焊質(zhì)量良好。

2.5 無絲自熔

新興鑄管股份有限公司研究院葉丙義院長針對(duì)16MnV/Alloy825采用無絲自熔方法進(jìn)行根焊，即在焊接時(shí)不填充焊絲，僅靠鎢極的電弧熱量將覆層（Alloy825）熔透，保證內(nèi)層焊縫金屬的純凈度，避免焊縫金屬與母材的化學(xué)成分差異引起的電化學(xué)腐蝕，使焊縫的防腐蝕性能與母材一致。缺點(diǎn)是焊接工藝參數(shù)范圍較窄，對(duì)焊接坡口的要求比較苛刻。

2.6 熔化極氣體保護(hù)焊

氣保焊工藝具有電弧在保護(hù)氣壓縮下熱量集中、影響區(qū)窄、焊接效率高、焊接材料節(jié)省且利于焊接自動(dòng)化技術(shù)推廣的優(yōu)點(diǎn)。胡偉[17]以L360QS+N08825鎳鐵合金復(fù)合管為例，采用氣體保護(hù)焊工藝設(shè)計(jì)，J型坡口，依次采用TIG焊接工藝完成耐蝕層和過渡層，MAG焊接工藝完成基層的焊縫金屬填充。探討了復(fù)合管焊接氣孔、氧化、熱裂紋、層晶間腐蝕、點(diǎn)蝕等施工問題的影響因素及解決方案，為氣保焊工藝的生產(chǎn)應(yīng)用及施工管理提供參考。張志萬[18]介紹普光氣田Q245R/N08825鎳合金復(fù)合管施焊過程中，通過改善坡口形式、控制碳含量熔入覆層，保證了覆層耐腐蝕能力，制定合理的復(fù)合層焊接工藝，采用TIG焊根焊、熱焊，MIG焊填充蓋面的焊接工藝，獲得了滿足使用性能的焊接接頭。

2.7 等離子焊重熔

若采用熔化極脈沖MIG焊根焊，由于MIG焊本身焊接熱輸入大，熔敷系數(shù)高，熔深較淺，覆層熔池不易攤開，并且熔池溫度過高，焊縫顏色容易變?yōu)酰瑫?huì)降低抗腐蝕性能，不能保證單面焊雙面成形。為解決這一問題，在哈薩克斯坦卡沙干“里海”鎳基復(fù)合管焊接施工中，意大利塞班公司采用脈沖MIG根焊、熱焊，然后在內(nèi)部采用無絲等離子焊重熔，改善MIG焊根焊成形差的問題，然后采用MIG焊進(jìn)行填充、蓋面，提高了焊接效率，焊縫質(zhì)量良好。

3 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，雙金屬復(fù)合管將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。由于自動(dòng)焊性能優(yōu)良、高效率、高質(zhì)量、自動(dòng)化、智能化的焊接設(shè)備及焊接技術(shù)將是未來的雙金屬復(fù)合焊接的發(fā)展方向。

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