鎳基雙金屬復(fù)合管主管與純鎳支管臺連接工藝

李勝利

華油慧博普科技股份有限公司，北京 100083

在石油化工及油氣田建設(shè)領(lǐng)域，隨著油氣中硫、濕硫化氫成分的增加，導(dǎo)致介質(zhì)腐蝕性大大增加，為了保證設(shè)施長周期安全運行，鎳基材料以其良好的耐腐蝕性越來越多地被應(yīng)用到工程實踐中。綜合考慮到材料的抗腐蝕性和經(jīng)濟性，近年來鎳基N08825雙金屬復(fù)合材料在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用到高含硫、濕硫化氫等酸性介質(zhì)高腐蝕性工況[1]。

某油氣田地面工藝管道輸送介質(zhì)中硫和濕硫化氫含量較高，因此業(yè)主要求：D6in（1in=25.4mm）及以上規(guī)格管道，采用A333Gr.6低溫鋼加N08825鎳基雙金屬復(fù)合管材料；D 6 in以下管道，全部采用N08825純鎳材質(zhì)。設(shè)計溫度-46～135℃，設(shè)計壓力4.83 MPa，介質(zhì)工況屬于極輕微泄漏便能引起劇毒危害（致死）及污染的M類（根據(jù)ASME B31.3《工藝管道》）。

1 鎳基復(fù)合管主管及鎳材支管臺

本工藝管道設(shè)計中，6 in及以上的主管是采用低溫鋼A333Gr.6作為基層、使用自動堆焊的方法堆焊鎳基復(fù)合層的雙金屬復(fù)合管結(jié)構(gòu)，基層低溫鋼壁厚10.97 mm，復(fù)合層堆焊厚度最小為3 mm。

部分工藝管道需要設(shè)置儀表口等管道分支，儀表口支管采用支管臺連接形式設(shè)計，支管臺規(guī)格為D 2 in，按照MSS-SP-97支管臺規(guī)范加工而成，支管臺材質(zhì)均采用N08825純鎳材料加工而成。

2 鎳基復(fù)合管和純鎳支管臺施工難點

根據(jù)管臺的連接形式，管臺屬于騎座式安裝到母管上。由于純鎳管臺和鎳基復(fù)合管基層低溫鋼金屬的材質(zhì)差異，如何保證純鎳支管臺和鎳基復(fù)合管異種材質(zhì)的施工質(zhì)量是本次施工的難點。支管臺和主管焊接模型如圖1所示，支管臺焊接時，需要在主管低溫鋼基層上按照支管臺尺寸開孔，然后將支管臺安放到主管低溫鋼基層上。為了保證支管臺焊接質(zhì)量，支管臺和主管之間設(shè)計為全焊透焊縫的連接結(jié)構(gòu)，如果直接將主管鉆孔和支管焊接，則焊接接頭便是低溫鋼A333Gr.6和鎳基N08825之間異種鋼焊接，但是主管低溫鋼A333Gr.6基層壁厚部分（圖1中紅色部分）則失去鎳基復(fù)層保護完全暴露在高腐蝕介質(zhì)中，不符合材料和工藝防腐蝕要求，如何解決主管與支管臺連接處主管壁厚位置腐蝕問題成為工程的難點。

圖1 鎳基復(fù)層管和純鎳材支管臺模型

3 工藝解決方案

本工藝方案包括對鎳基主管進行鉆孔加工，對主管鉆孔部位基層低溫鋼A333Gr.6部分進行鎳基堆焊，堆焊后對鎳基堆焊層進行二次鉆孔加工及無損檢測、尺寸檢測，然后組對焊接純鎳支管臺和加工過的復(fù)合管主管，相當于復(fù)合管和純鎳材料的組對焊接。

4 工藝方案實施

4.1 主管鉆孔加工及檢驗

（1）對主管需要焊接支管臺的基層部分進行劃線及鉆孔加工，孔徑尺寸宜比實際需求尺寸大至少10 mm，鉆孔過程中要及時觀察，孔加工至主管鎳基基層位置即可，本次加工保留主管鎳基基層。

（2）其次對主管的鎳基復(fù)合層鉆孔加工，復(fù)合層鉆孔直徑比基層碳鋼孔直徑小10 mm，主管鉆孔加工后如圖2所示。

圖2 鉆孔加工后的主管基層及鎳基復(fù)合層

（3）對鉆孔部位進行外觀尺寸檢查、無損檢測及復(fù)合層實際厚度檢查，確保鉆孔部位的基層低溫鋼全部去除，復(fù)合層暴露部位無低溫鋼殘留，同時對復(fù)合層進行滲透及厚度復(fù)查。

4.2 鉆孔處低溫鋼基層堆焊及檢驗

對鉆孔完畢的主管鉆孔部位以原有復(fù)合堆焊層為基礎(chǔ)進行再次堆焊，采用鎢極氬弧焊（GTAW）焊接方法，焊材采用和鎳基復(fù)合層焊接相配套的焊絲，堆焊厚度約為5 mm，堆焊層數(shù)至少為2層，堆焊層焊接工藝參數(shù)見表1，堆焊層焊道如圖3所示。

圖3 主管鉆孔部位進行鎳基金屬堆焊

表1 焊接工藝參數(shù)

堆焊完畢進行外觀檢查確保焊縫均勻，無表面氣孔、飛濺、焊瘤、夾雜等缺陷，堆焊厚度符合要求，對堆焊部位進行滲透檢測，無任何可見缺陷為合格。

4.3 二次鉆孔加工及檢驗

主管鉆孔處堆焊及檢驗合格后，根據(jù)實際管臺的尺寸對堆焊完畢的孔進行二次鉆孔加工，確保鉆孔尺寸和支管臺內(nèi)徑一致，符合支管臺組對尺寸要求，確保鉆孔后堆焊層厚度不小于3 mm。鉆孔后對堆焊層進行外觀及尺寸檢查，鉆孔加工后外觀應(yīng)熔合良好均勻，無氣孔、夾碴等缺陷，按照滲透檢測要求對加工后表面進行滲透檢測，且應(yīng)合格，檢查加工后的堆焊層厚度應(yīng)大于3 mm，所有檢測均要符合質(zhì)量要求。見圖4。

圖4 對堆焊完畢的孔進行二次鉆孔加工及檢驗

4.4 組對、焊接鎳基支管臺和復(fù)合管主管

主管鉆孔處堆焊、二次加工、檢測完畢合格后，進行支管臺和主管的組對焊接工作。經(jīng)過上述步驟加工完畢的主管和支管臺焊接屬于純鎳材料和鎳基復(fù)合管之間的焊接，如圖5所示。

圖5 鎳支管臺和主管結(jié)構(gòu)示意

（1）組對前對支管臺及主管待焊表面進行處理，徹底清除表面污物，對坡口及周邊的異物、基材銹蝕等進行徹底清理，并采用丙酮對鎳基坡口表面、焊絲等進行徹底清潔。

（2）支管臺和主管組對時，要預(yù)留根部3～4 mm的組對間隙，以保證焊接時根部能夠全熔透。

（3）焊接采用手工鎢極氬弧焊（GTAW）打底、焊條電弧焊（SMAW）填充蓋面的工藝方法。

（4） 焊材采用評定合格的ERNiCrMo-3焊絲及ENiCrMo-3焊條，焊接工藝參數(shù)見表1。

（5）根部打底焊屬于鎳基堆焊層（復(fù)層）和純鎳材之間焊接（鎳材料焊接），焊接時背部要采用99.99%以上純氬氣進行保護，以確保根部鎳基焊縫不被氧化，根部焊縫應(yīng)該確保全熔透。

（6）焊接低溫鋼母材部分和純鎳支管臺時，采用異種鋼焊接策略，應(yīng)先在低溫鋼母材上進行鎳基堆焊，然后再逐步過渡焊接到純鎳管臺母材，減少低溫鋼母材對焊縫的稀釋。

（7）焊接過程中應(yīng)該嚴格執(zhí)行多層多道焊，控制焊接層間溫度不大于250℃，焊條擺動幅度不大于焊條直徑的3倍。

（8）根部打底焊完畢及最終焊接完畢均應(yīng)進行外觀及滲透檢測，以保證焊縫質(zhì)量符合項目要求。

5 接頭性能評定

5.1 機械性能驗證

按照上述工藝方法制作主管與管臺焊接工藝評定試件，然后按照ISO 13847標準進行機械性能檢驗，包括斷裂試驗、硬度試驗、宏觀試驗。試驗結(jié)果見表2，焊縫宏觀試驗圖見圖6。

表2 接頭機械性能試驗

圖6 焊縫宏觀試驗圖

5.2 抗腐蝕性能檢測

對試件采用ASTMG28方法A進行晶間腐蝕敏感性分析，分析結(jié)果如表3所示。

表3 試件的抗腐蝕試驗

6 結(jié)論

鎳基復(fù)合管與純鎳支管臺焊接時，由于純鎳需要安放到復(fù)合管基層碳鋼或低溫鋼表面，為了保證焊接接頭鎳基層的一致性和完整性，采用上述工藝方法能完美解決復(fù)合管碳鋼或低溫鋼和純鎳管臺連接處厚度部位無法有效被鎳基復(fù)層覆蓋的問題，確保了支管臺和主管的焊接接頭質(zhì)量，達到了預(yù)期效果。工藝實施過程中要注意：

（1）對復(fù)合管主管鉆孔時，要確保復(fù)合層焊縫的孔徑比基層焊縫孔徑至少小10 mm左右，使復(fù)合層完全暴露出來作為基礎(chǔ)承托，以便在復(fù)合層上進行二次堆焊。

（2）對復(fù)合管主管堆焊時，采用手工鎢極氬弧焊堆焊或根據(jù)情況采用自動堆焊，堆焊前徹底清理復(fù)層表面的基層雜質(zhì)，堆焊厚度至少為5 mm，堆焊層數(shù)至少2層，堆焊層應(yīng)致密均勻，應(yīng)保證和主管原堆焊層及碳鋼或者異種鋼部位熔合良好。

（3）堆焊完畢二次鉆孔后，要保證二次孔徑尺寸復(fù)合要求，同時對堆焊層進行厚度檢查和表面無損檢測，確保堆焊層厚度大于3 mm，確保表面無任何缺陷。

（4）組焊支管臺和堆焊后的主管時，要確保根部預(yù)留間隙以保證全焊透，背部要采用氬氣保護措施，確保根部焊縫質(zhì)量，按照純鎳材料和鎳基復(fù)合管焊接要求，采用鎢極氬弧焊打底加焊條電弧焊填充蓋面的工藝方法，多層多道焊，確保最終鎳基焊縫質(zhì)量。