S31603 鍛件與鋼管焊接接頭的腐蝕性能

張丹丹， 符利兵， 楊永良， 王晨華， 趙 祥， 徐二雷

（1. 西安泵閥總廠有限公司， 西安710025；2. 寶雞石油鋼管有限責任公司， 陜西 寶雞721008）

0 前 言

絕緣接頭是石油天然氣輸送管線陰極保護系統中不可缺少的重要部件， 其作用是將絕緣接頭兩端管線電絕緣分隔， 從而防止陰極保護電流的流失， 減緩管道電化學腐蝕， 延長管線的使用壽命[1-2]。 在設計和制造過程， 要保證絕緣接頭與輸送管線同壽命。

絕緣接頭兩端分布有與油氣輸送管線鋼同材質的短管， 方便戶外現場焊接施工， 但是法蘭鍛件與兩端預留短管需在供應商生產現場完成對接， 鍛件與管線鋼的焊接尤為重要。 我公司為某天然氣管道項目供應DN100 mm 的S31603 材質絕緣接頭產品， 法蘭組件由S31603 鍛件和S31603 短管焊接而成， 應用介質為天然氣， 設計壓力為16 MPa， 設計溫度為-20～+100 ℃。 法蘭鍛件與管線鋼焊接工藝采用手工氬弧焊+電弧焊 （GTAW+SMAW）[3-8]，為保障焊縫的性能安全可靠， 進行了焊接接頭的耐腐蝕性能試驗[9-13]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用GB/T 14976—2012 《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》 規定的S31603 無縫鋼管和NB/T 47010—2017 《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》 規定的S31603 鍛件。 為了節省試驗材料， 鍛件為鍛環坯料， 鍛環經粗加工后進行1 040 ℃×3.5 h 的固溶處理[14-15]。 試驗材料化學成分和力學性能分別見表1 和表2。

表1 S31603 鋼管與鍛件的化學成分

表2 S31603 鋼管與鍛件的主要力學性能

熱處理完成后對鍛件進行精車， 最終尺寸為Φ114.3 mm×11 mm 環狀， 鍛環長度為60 mm，其中一端用車床加工成30°對焊坡口。 鋼管規格為Φ114.3 mm×11 mm， 鋸床切割一段長度為60 mm的短管， 一端用車床加工成30°對焊坡口。 試驗件焊接接頭型式及尺寸如圖1 所示。

圖1 焊接接頭組對型式及尺寸

1.2 試驗方法

焊材選用大西洋ER316L 焊絲和A022 焊條，焊絲直徑為2.5 mm， 焊條直徑為3.2 mm， 其化學成分和力學性能分別見表3 和表4。

表3 焊材化學成分

表4 焊材熔敷金屬力學性能

焊前用酒精清洗待焊工件坡口及其周圍20 mm 內的油污， 打底時背面應有氬氣保護，試件焊接時先用手工氬弧焊（GTAW） 定位點焊，點固3 處， 每處焊縫長7～10 mm， 采用手工氬弧焊打底第1 層， 第2～6 層采用電弧焊 （SMAW）填充于蓋面焊接， 焊接位置為水平轉動， 焊接規范采用適中的工藝參數， 預熱溫度100 ℃， 控制層間溫度＜150 ℃。 主要焊接參數見表5。

表5 焊接試驗主要焊接參數

焊后依據NB/T 47013—2015 規定進行RT檢測， Ⅱ級合格。 為了改善焊縫金屬與近縫區的組織和力學性能， 降低焊接接頭的殘余應力， 焊接試件進行550 ℃×1 h 的焊后回火去應力處理。

2 焊縫腐蝕試驗

焊接完成后， 焊縫外觀檢查及射線檢測合格無缺陷， 縱向線切割獲得試樣坯料， 確保焊縫位于試樣長度方向的中心位置， 使用銑床和磨床精加工至各試樣尺寸并標記鍛件端， 電化學腐蝕試樣鍛件端鉆孔用于懸掛并刻字標號， 試驗前使用1200#砂紙拋光試樣表面。

2.1 電化學腐蝕

依據JB/T 7901—2001 《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》 對S31603 奧氏體不銹鋼焊縫進行均勻腐蝕試驗， 試驗條件為： 試驗溫度60 ℃， CO2含量2.510% （體積分數）， Cl-含量96 300 mg/L， 試驗總壓力16 MPa， 試驗周期168 h， 試驗結果見表6。

式中：

m——試驗前的試樣質量， g；

m1——試驗后的試樣質量， g；S——試樣的總面積， cm2；

T——試驗時間， h；

D——材料密度， 8 000 kg/m3。

對電化學腐蝕試驗后的試樣2 個寬面進行宏觀觀察， 觀察結果如圖2 所示。 由圖2 可以看出， 試樣表面中母材、 焊縫和熱影響區均未見點腐蝕痕跡。

表6 電化學腐蝕測試結果

圖2 電化學腐蝕試驗后試樣宏觀照片

2.2 應力腐蝕開裂

依據GB/T 4157—2017 《金屬在硫化氫環境中抗硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂的實驗室試驗方法》 對S31603 奧氏體不銹鋼焊縫進行抗氯化物應力腐蝕開裂試驗， 試驗條件為： 試驗溫度60 ℃，CO2含量2.51% （體積分數）， Cl-含量96 300 mg/L，試驗總壓力16 MPa， 試驗周期720 h。 試件四點彎曲加載應力為207 MPa， 試驗測試結果見表7。 試驗后試樣宏觀照片如圖3 所示， 試樣表面中母材、焊縫和熱影響區均未見點腐蝕痕跡。

表7 抗氯化物應力腐蝕開裂測試結果

圖3 抗應力腐蝕開裂試驗后試樣宏觀照片

2.3 晶間腐蝕

按照GB/T 433—2008 《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》 中的E 法對S31603奧氏體不銹鋼焊縫進行晶間腐蝕試驗， 試驗條件為： 配制700 mL 蒸餾水+100 mL H2SO4+100 g CuSO4·5H2O， 加蒸餾水稀釋到1 000 mL 并加熱至沸騰， 試驗周期16 h， 彎曲角度180°。 試驗結果見表8。

試驗后試樣宏觀照片如圖4 所示， C1、 C2與C3試樣彎曲后未斷裂， 但有裂口， 200 倍下金相照片如圖5 所示。

表8 晶間腐蝕試驗結果

圖4 晶間腐蝕宏觀照片

圖5 晶間腐蝕試驗后試樣金相照片 200×

3 結 論

（1） 高溫高壓均勻腐蝕速率≤0.025 mm/a，試件表面無點蝕跡象。

（2） 應力腐蝕開裂試驗720 h 后試件未斷裂、 無裂紋。

（3） 晶間腐蝕試驗后對試件進行面彎與背彎測試， 彎曲后均未斷裂， 經金相分析無晶間腐蝕裂紋。

（4） 采用Φ2.5 mm 規格ER316L 焊絲進行GTAW 打底， 然后使用Φ3.2 mm 規格A022 焊條進行SMAW 填充蓋面， 此工藝方法進行S31603鍛件與鋼管焊接是可行的。