Q245R+N08825鎳基合金復(fù)合鋼管焊接技術(shù)

張魯濱

（中原油田普光分公司工程管理部，四川達州 635000）

0 引言

N08825合金具有較好的耐H2S腐蝕性能和防止Cl-應(yīng)力腐蝕開裂，但因為成本昂貴限制了其應(yīng)用。Q245R+N08825復(fù)合管有效降低了使用成本，擴大了使用范圍。Q245R+N08825復(fù)合管是由兩種不同金屬（基層與復(fù)層）通過爆炸焊結(jié)合在一起，再卷制成復(fù)合鋼管，基層采用Q245R優(yōu)質(zhì)低碳鋼，具有較高的強度和良好的塑性、韌性，焊接性能良好，主要作用是承受介質(zhì)的壓力，復(fù)層N08825具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。

1 N08825鎳基合金耐蝕原理

N08825鎳基合金屬于Ni-Fe-Cr-Mo-Cu系列合金。N08825鎳基合金的優(yōu)良耐腐蝕性能主要在于其表面形成的致密的鈍化膜，減緩了基體與腐蝕介質(zhì)的接觸，從而起到保護基體的作用。Ni、Cr、Mo等合金元素作為鈍化膜的基本組成元素，對鎳基合金的耐腐蝕性能起重要作用。鎳基合金中鎳自身電極電位較高，鈍化能力強，而且對防止Cl-應(yīng)力腐蝕開裂有很好的效果；而鎳基合金中加入Cr、Mo、Cu等元素提高了材料耐不同介質(zhì)腐蝕的能力，如Cr使合金具有承受氧化介質(zhì)和硫化物腐蝕的能力，Mo具有限制點蝕的作用。鎳基合金高溫時，沿晶界形成Laves相和G相，造成貧Ni、Cr、Mo區(qū)是應(yīng)力腐蝕開裂和晶間腐蝕的主要因素。2.5%～3.5%鉬的加入，可以有效抑制Laves相和G相形成。

2 焊接工藝

鎳基復(fù)合鋼管的焊接比同種鋼管焊接困難和復(fù)雜，既有因不同母材之間和母材與填充金屬之間相互作用不同而帶來冶金上的困難，又有因物理性能上存在差異帶來焊接工藝上的困難，特別是基層與復(fù)層復(fù)合界面附近，易發(fā)生基層中合金元素向復(fù)層和復(fù)層中碳元素向基層擴散，從而降低基層焊縫中合金元素的含量，導(dǎo)致焊縫耐腐蝕性能降低。選擇焊接工藝時，應(yīng)充分考慮這兩種因素的影響。原則上，為保證復(fù)合鋼管原有優(yōu)良的綜合性能，通常是對基層和復(fù)層分別進行焊接，把復(fù)合鋼管接頭的焊接分為：基層的焊接、復(fù)層的焊接和基層與復(fù)層交界處過渡區(qū)的焊接。

2.1 焊接方法

Q245R+N08825鎳基合金復(fù)合鋼管焊接采用鎢極氬弧焊打底，脈沖半自動MIG（Melt Inert-Gas welding，熔化極惰性氣體保護焊）焊填充蓋面的組合焊接方法，該焊接方法焊接效率高、焊接熱輸入量小、焊縫成型好，且融合比小、稀釋率低，可得到綜合性能優(yōu)良的焊接接頭。

2.2 焊材選擇

復(fù)層焊接選用ERNiCrMo-3Φ2.4 mm焊絲，過渡區(qū)和基層焊接選用ERNiCrMo-3Φ1.14 mm焊絲。焊接選用超低碳高合金型焊材，64%Ni，22.6%Cr，8.9%Mo，有利于焊縫表面形成鈍化膜。64%Ni能提高防止抗Cl-應(yīng)力腐蝕開裂能力；22.6%Cr提高焊縫濕硫化氫環(huán)境下抗腐蝕能力；8.9%Mo還能提高焊縫區(qū)的抗點蝕能力，抑制Laves相和G相形成；同時焊材合金含量高于母材合金含量，可有效降低母材對合金元素的稀釋和補償焊接時合金元素的燒損。

2.3 焊接接頭設(shè)計及坡口加工

焊接接頭設(shè)計：設(shè)計鎳基合金復(fù)合鋼管焊接接頭時，應(yīng)充分考慮分別對基層、復(fù)層及過渡區(qū)的焊接施工和避免或減少復(fù)層根焊時被稀釋的問題。常用坡口型式有：X形坡口、V形坡口和帶臺階的V形坡口。采用X形坡口雙面焊時，先焊基層，再焊過渡區(qū)，最后焊復(fù)層，以保證復(fù)層焊縫具有較好的耐蝕性能。當(dāng)焊接位置受限，需單面焊時，可用單面V形坡口，先焊復(fù)層，再焊過渡區(qū)，最后焊基層，使復(fù)層中少融入基層成分。

本次焊接管道規(guī)格為Φ508×（24+3）、Φ610×（28+3）、Φ711×（32+3）。因直徑較小，無法進行雙面焊接，所以不選用X形坡口；帶臺階的V形坡口比傳統(tǒng)V形坡口加工困難，但可有效降低母材對復(fù)層及過渡區(qū)焊道的稀釋作用，綜合考慮管道介質(zhì)的特殊性和工程安全性，選擇帶臺階的V形坡口型式。

2.4 焊接工藝要點

（1）首先用99.999%的氬氣置換管道內(nèi)空氣，氣體流速10～25 L/min，氧含量低于4×10-4時方可進行焊接。應(yīng)先進行試焊，通過觀察焊道色澤來判斷充氬置換和氣體保護的質(zhì)量。如果焊縫區(qū)、熱影響區(qū)金屬呈銀白、金黃色，說明氣體保護效果好，為合格焊縫；如果焊縫區(qū)、熱影響區(qū)金屬呈紫、深藍色或灰色，說明氣體保護效果不好，為不合格焊縫。只有在確認(rèn)充氬置換和外部氣體保護質(zhì)量達到要求后方可進行正式焊接。在復(fù)合管線第三層焊縫金屬焊接完成之前不得去除氣體置換裝置。

（2）N08825鎳基合金復(fù)層焊接采用鎢極氬弧焊，選用Φ2.0～3.2 mm WCe，伸出長度3～5 mm，噴嘴孔徑6～12 mm，焊縫不預(yù)熱，控制層間溫度低于80℃。焊接保護氣體為99.999%氬氣，氣體流速10～15 L/min。采用較小的焊接工藝參數(shù)，復(fù)層焊接厚度不超過3 mm，嚴(yán)格控制焊接熱輸入，最大線能量不大于8.7 kJ/cm。

（3）過渡區(qū)焊接選用與復(fù)層焊接相同的焊接方法。采用較小的焊接工藝參數(shù)，采用多道焊縫進行焊接，嚴(yán)格控制焊接熱輸入，最大線能量不大于8.7 kJ/cm。焊接時管道內(nèi)應(yīng)充氬保護，以防根部焊道氧化。焊接過渡區(qū)時，應(yīng)盡量減小稀釋率，如用窄焊道，采用合金元素含量比復(fù)層更高的填充金屬，以備稀釋。焊完過渡區(qū)，應(yīng)進行滲透檢測，合格后方可進行下步工序。

（4）基層焊接，采用脈沖半自動MIG焊，選用噴嘴孔徑10～20 mm，焊絲伸長15～25 mm，焊縫不預(yù)熱，控制層間道間溫度低于80℃。焊接保護氣體為Ar+20%He，氣體流速15～25 L/min。采用小電流、多層多道、短弧焊、擺動4～10 mm、快速焊工藝，使焊接熔池受熱盡可能小，最大線能量不大于20.9 kJ/cm，然后進行下道焊縫焊接，每層焊縫接頭相互錯開。不在非焊部位起弧，收弧要填滿弧坑，有條件的盡量使用引弧板和收弧板。

3 焊接缺陷分析

3.1 未融合

未融合分為根部未熔合、層間未融合和坡口未融合。造成未融合的原因主要有：

（1）組對錯邊是鎳基合金復(fù)合管根部未熔的重要原因。焊接前，應(yīng)對其尺寸公差、橢圓度進行檢查，優(yōu)選公差較小的兩管口進行組對，確保管道內(nèi)部錯邊量符合施工規(guī)范。橢圓度較大的鋼管，應(yīng)對管內(nèi)N08825鎳基合金復(fù)層進行堆焊、打磨修補，經(jīng)超聲波檢測合格后方可使用。當(dāng)對焊根部焊道進行修補時，應(yīng)經(jīng)射線檢測合格后使用。

（2）過渡區(qū)和基層焊接時，采用多層多道、短弧焊、不擺動或小擺動、快速焊工藝時，容易片面追求減小熱輸入，造成層間未熔和坡口未熔，應(yīng)在保證焊道熔透的前提下盡量減少熱輸入。

3.2 氣孔

對焊縫中氣孔的生成起主要作用的是氫和氮。氫主要來自是焊絲和工件表面的鐵銹、油漆、油脂、水分，氬氣中含有的水分及空氣中的水分；氮主要來自空氣。為防止氣孔的產(chǎn)生，焊前應(yīng)將坡口附近的鐵銹、油污和水分清理干凈；檢查氬氣中的含水量，含水量超標(biāo)禁止使用；加強氬氣保護和焊接環(huán)境風(fēng)速、濕度的監(jiān)控，當(dāng)不滿足焊接條件時，采用有效防護措施后再進行施焊；焊接時采用短弧焊。

3.3 裂紋

由于鎳基合金復(fù)合管結(jié)構(gòu)的特殊性，比普通鋼管更易出現(xiàn)裂紋，且裂紋多出現(xiàn)在過渡區(qū)。由于鎳基合金熱膨脹系數(shù)與碳鋼相差較大，而熱導(dǎo)率只有碳鋼的1/4，焊道在冷卻過程中將產(chǎn)生應(yīng)力，嚴(yán)重時將引發(fā)裂紋。為減少應(yīng)力產(chǎn)生，特別是在寒冷天氣（氣溫低于0℃），應(yīng)對焊口進行預(yù)熱和保溫，溫度80℃，從而減小焊口周圍溫度梯度，抑制裂紋生成；同時，為減小熔合比，坡口角度宜大些，采用小電流快速焊，收弧時要填滿弧坑，以防裂紋產(chǎn)生。

4 結(jié)語

通過對Q245R+N08825鎳基合金復(fù)合鋼管焊接工藝研究，使工程焊接一次合格率達到99.17%，提高了施工效率，保證了施工質(zhì)量。

（1）分析了N08825鎳基合金耐蝕性原理，控制晶界Laves相和G相形成，可有效提高其耐蝕性。

（2）針對復(fù)合鋼的特點設(shè)計焊接工藝，采用GTAW+GMAW的復(fù)合焊接方法，坡口采用帶臺階的V形坡口，確定了復(fù)層、過渡區(qū)、基層的焊接順序，并闡述了不同區(qū)域的焊接要點。

（3）分析焊接過程中易產(chǎn)生焊接缺陷的原因，并提出解決方法。