鎳基合金復合管打底焊線形缺陷分析

曹遂軍，蔣國輝，劉新海，丁自力，裴先峰，聶敏，黃琨

中國石油天然氣第一建設有限公司 河南洛陽 471023

1 序言

對于具有強腐蝕性油氣田的開采，傳統單一的防腐技術及材料已難以滿足油氣田發展的需要。因此，各國油氣田對高鋼級、高抗腐蝕、耐低溫、高合金不銹鋼產品以及鎳基合金等材料的需求不斷加大，同時，若大量采用高耐蝕合金將會造成生產成本加大和耐蝕合金材料的浪費。在此背景下，復合管高性價比的優勢得到體現。以N08825＋L360QS雙金屬復合管為例，該材料以抗硫碳素鋼管為基材，N08825鎳基合金為內覆層，與單一材料相比，復合管性能與成本兼顧的優勢明顯，滿足使用性能的基礎上大幅降低了制造成本，在石油化工管道中得到越來越廣泛的應用[1-2]。

2 工程簡介

中國石油工程建設公司承擔的中亞管道天然氣井口鎳基合金復合管道焊接任務，材質為L360QS+N08825鎳基合金雙金屬復合管，復合管雖然性價比突出、使用性能優良，但在焊接過程中，存在坡口質量要求嚴格、復層合金元素含量高易氧化、焊接難度大及異種材料的互熔等難題。在施工初期，經常出現內部焊縫保護效果不達標，拍片時產生線形缺陷等施工難題。

2.1 材料焊接性分析

N08825鎳基合金鎳含量較高（見表1），易氧化，熔滴粘度大，對焊接區的清潔度和背面保護要求高；由表2可看出，鎳合金與碳素鋼熱導率和線膨脹系數差異大，焊接接頭存在較大應力，焊縫結晶時在收縮應力作用下易造成開裂。

為了保證根部焊縫耐腐蝕性能，采用了根部剝離的復合形式坡口（見圖1）。這種坡口優點是可以減少基層材料熔入復層焊縫，提高復層焊縫的耐腐蝕性能；基層坡口角度較小，可以提高焊接效率；缺點是加工困難，管道的圓度和較薄復層的制約，使坡口根部基層剝離后，剩余復層的厚度（舌頭部分）存在偏差，當舌頭厚度＜1.5mm時，容易造成燒穿，填充時熔化塌陷，增加焊接操作難度和產生缺陷的風險。

表1 N08825鎳基合金與L360QS鋼的化學成分（質量分數） （%）

表2 N08825鎳基合金與L360QS鋼的力學、物理性能

圖1 復合形式坡口

2.2 焊材選擇和焊接參數

根部復層和過渡層焊接采用鎢極氬弧焊，選用NiCrMo-3焊絲；填充和蓋面全部采用焊條電弧焊，NiCrMo-3焊條，焊材選擇和焊接參數見表3。

3 根部焊縫線形缺陷成因

3.1 錯邊及射線入射角度的影響

錯邊會在焊腳處形成咬邊和銳角過渡，內部焊縫穿透過高時（＞3mm），會在較低一側形成銳角過渡，易在底片上造成線形陰影顯示；內部較高的一側不易加入足夠焊絲造成內表面咬邊。

表3 焊材選擇和焊接參數

拍片檢測時，直徑較小的管道一般采用雙壁單影法，射線不能以垂直角度入射，偏離焊縫垂線時，會造成兩種情況，如圖2所示

圖2 不同射線偏轉方向

射線偏轉方向如圖2a所示時，焊腳處銳角均勻投射，不增加焊腳處陰影黑度，有利于減小銳角焊腳處的線形陰影顯示，不易造成返修底片；射線偏轉方向如圖2b所示時，焊腳與內部余高疊加（見圖2b中A點），加大焊腳陰影顯示的黑度，則容易在底片上造成線形缺陷顯示。由此得出，相同的焊縫會由于射線入射角度差異而造成不同的評價結果。

3.2 內部焊縫高度和寬度

內部焊縫的穿透較高時，特別是電流大、兩側夾絲不夠及鐵液下墜時，形成瘤狀成形，焊腳處應力集中嚴重。在后續填充焊接時受到拉應力作用，焊腳結合處形成微裂紋，拍片顯示為線形，特別是當焊縫寬度較窄，疊加有錯邊時，背部焊腳處很容易形成條狀缺陷顯示。

3.3 內部焊縫塌陷

打底焊結束后，舌頭部分需要進行氬弧焊填充，舌頭的正常厚度為1.5～2.0mm，但由于加工偏心等原因，局部會＜1.5mm。當焊接電流較大、焊接速度較慢、擺動較寬時，都會造成背面熔化塌陷，形成與打底焊縫疊加的情況，而在結合部位形成溝槽，造成缺陷顯示，如圖3所示。

圖3 缺陷顯示

3.4 咬邊

打底焊時，間隙過小導致穿透不充分，或熔孔打開時邊緣送絲不足，都會導致咬邊缺陷形成，如圖4所示。

圖4 穿透不足形成的咬邊

4 解決途徑

1）管道圓度要控制在規定范圍內，減少因母材原因造成的組對困難。

2）內口堆焊的鎳基合金厚度應考慮加工余量，提高坡口加工水平，剝離的舌頭部分厚度偏差控制在允許范圍內；避免填充時舌頭熔化塌陷形成溝槽。

3）管道錯邊在組對時，應留有足夠的間隙，一般為3.5～4mm，保證背部充分熔合，且可以在熔孔兩側加入足夠的焊絲，以減少咬邊缺陷。

4）電流不宜過大，嚴格控制穿透高度，避免焊縫瘤狀成形，焊腳處形成嚴重應力集中，在填充時因拉應力導致結合處輕微開裂而形成線形陰影。

5）返修不僅造成工期的延誤和人員的浪費，還會對母材的性能造成不利影響。對于深度不大的表面成形結合部分，不影響耐腐蝕性能和應力集中時，可適度減少返修，在使用中加強監測，通過與返修焊縫的對比，為后續施工積累更多的經驗，并增加對此類情況的判斷力。

5 結束語

鎳基合金復合管焊接，不僅要控制母材的熔合比、保證與腐蝕介質接觸的復層材料具備優良的耐腐蝕性能，還要從操作上避免各種焊接缺陷的產生。通過采用以上解決途徑，并進行大量焊接試驗和缺陷分析，對L360QS+N08825鎳基合金復合管焊接過程中產生的線形缺陷顯示有了更深入的理解。通過管道采購加工、組對質量控制、錯邊坡口的工藝和操作控制等進行改進，大幅降低了根部線形缺陷產生，降低了返修率，并積累了該類材料的焊接施工經驗。