625 復(fù)合鋼管線焊接技術(shù)

陳不友，袁啟東，張凱峰

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518067）

0 引言

某海洋石油平臺(tái)海底管線安裝工程項(xiàng)目采用的API 5L X65＋I(xiàn)NCONEL 625復(fù)合鋼管線，規(guī)格為：(φ168.3×9.5＋3) mm，管內(nèi)鎳基合金堆焊厚度為3 mm。復(fù)合鋼管線焊接技術(shù)直接影響到項(xiàng)目工期進(jìn)度，為了能夠滿足項(xiàng)目焊接施工要求，在陸地預(yù)制前，對(duì)復(fù)合鋼管試件進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，按等強(qiáng)度（或強(qiáng)度偏高于母材）及鎳基合金成分相近或相同的原則選擇焊接材料。焊評(píng)試件焊縫執(zhí)行外觀檢查、NDT檢測(cè)、機(jī)械性能與腐蝕試驗(yàn)，檢測(cè)與試驗(yàn)結(jié)果都合格，證明了所選用的焊接工藝可用于復(fù)合鋼管線焊接。

1 API 5L X65＋I(xiàn)NCONEL 625 復(fù)合鋼管性能分析

1.1 化學(xué)成分

API 5L X65+INCONEL 625復(fù)合鋼管化學(xué)成分見(jiàn)表1和表2。表1為復(fù)合鋼管X65材質(zhì)的化學(xué)成分，表2為復(fù)合鋼管INCONEL 625材質(zhì)的化學(xué)成分。

表1 API 5L X65+INCONEL 625 復(fù)合鋼管X65 材質(zhì)化學(xué)成分（單位：%）

表2 API 5L X65+INCONEL 625 復(fù)合鋼管INCONEL 625 材質(zhì)化學(xué)成分（單位：%）

1.2 機(jī)械性能

API 5L X65+INCONEL 625復(fù)合鋼管機(jī)械性能見(jiàn)表3[1]。機(jī)械性能主要有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率及硬度值，都符合規(guī)范要求。

表3 API 5L X65+INCONEL 625 復(fù)合鋼管機(jī)械性能

1.3 焊接性能

API 5L X65+INCONEL 625復(fù)合鋼管線中Ni、Mo、Cr與Nb合金成分含量較高。復(fù)合材導(dǎo)熱率大，焊接時(shí)散熱快，焊接區(qū)域難于達(dá)到熔化溫度，并且在熔化溫度處的表面張力小，焊縫熔池流動(dòng)性大，表面成形能力差。焊接時(shí)母材難熔合，易產(chǎn)生未熔合缺陷，工藝焊接性能差。因此，應(yīng)采用大熱輸入、高能束的焊接方法，并采取焊前預(yù)熱工藝措施。

2 焊接材料的選用

根據(jù)API 5L X65+INCONEL 625復(fù)合鋼管材料的物理性能、力學(xué)性能、化學(xué)成分及焊接方法，按等強(qiáng)度（或強(qiáng)度偏高于母材）及成分相近或相同的原則選擇低氫焊接材料，低氫焊材產(chǎn)生的擴(kuò)散氫含量最高值為5 ml/100 g焊縫金屬。選擇焊絲類(lèi)別為ERNiCrMo-3，焊絲牌號(hào)為INCONEL 625，焊絲直徑規(guī)格為2.4 mm。鎢極類(lèi)型為T(mén)hO2，鎢極尺寸為2.4 mm。氬氣純度≥99.99%。INCONEL 625焊絲化學(xué)成分及機(jī)械性能見(jiàn)表4和表5。

表4 INCONEL 625 焊絲化學(xué)成分（單位：%）

表5 INCONEL 625 焊絲機(jī)械性能

3 焊接人員

參與現(xiàn)場(chǎng)施焊的作業(yè)人員都需具有相應(yīng)的、在有效期內(nèi)的資質(zhì)證書(shū)，根據(jù)ISO 9606-1:2017標(biāo)準(zhǔn)從實(shí)際焊接位置、材料等級(jí)和焊接方法等方面對(duì)焊接操作者進(jìn)行考核，焊工證書(shū)由船級(jí)社簽發(fā)。焊工在作業(yè)前需認(rèn)真了解焊接工藝規(guī)程要求。

4 焊接工藝評(píng)定

參照以往的成功焊接技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目對(duì)API 5L X65+INCONEL 625復(fù)合鋼管試件進(jìn)行了6G焊接位置的焊接工藝評(píng)定，試件焊縫做100%目視檢查、NDT無(wú)損檢測(cè)、機(jī)械性能與腐蝕試驗(yàn)，焊接工藝評(píng)定由第三方船級(jí)社見(jiàn)證及簽發(fā)。

4.1 施工條件

焊接場(chǎng)所應(yīng)做好防風(fēng)、防雨和防雪等施工條件措施，風(fēng)速不大于2 m/s。管內(nèi)不得有穿膛風(fēng)，管子兩端必須堵嚴(yán)實(shí)。所有焊接設(shè)備均應(yīng)保持良好狀態(tài)，以防對(duì)焊接或臨近母材造成損傷。

4.2 組對(duì)與打磨

試件坡口下料采用機(jī)械加工，不得使用熱切割。焊接坡口應(yīng)避免潮濕、油污、油脂、鐵銹和涂層等污染，坡口表面及距離附近母材內(nèi)、外壁每側(cè)25 mm范圍內(nèi)打磨干凈并露出金屬光澤，使用不銹鋼砂輪片打磨。試件對(duì)接時(shí)，一般應(yīng)做到內(nèi)壁齊平，如有錯(cuò)口，其錯(cuò)口值不大于1 mm。坡口型式V型，坡口角度為(60±5)°，坡口間隙為2 mm～4 mm，鈍邊為1 mm～2 mm。試件組對(duì)采用坡口內(nèi)橋搭接方式。

4.3 焊前預(yù)熱

焊前預(yù)熱溫度≥50 ℃，加熱方法采用燃?xì)饣蛘唠娮杓訜崞鳎瑧?yīng)在距離熱源對(duì)面坡口邊至少75 mm的地方測(cè)量預(yù)熱溫度。在開(kāi)始下一道工序之前，在緊挨著坡口邊緣處測(cè)量的層間溫度不得超過(guò)規(guī)定的最大值，層間溫度應(yīng)≤150 ℃。

該公司業(yè)務(wù)包括機(jī)械壓力機(jī)和液壓機(jī)以及落料線的設(shè)計(jì)、制造和銷(xiāo)售以及生產(chǎn)線的內(nèi)部和外部組裝。產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝執(zhí)行德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和舒勒安全法規(guī)。在金屬板材成形領(lǐng)域，上海舒勒在整個(gè)中國(guó)市場(chǎng)享有極好的聲譽(yù)，汽車(chē)行業(yè)知名的客戶包括華晨金杯、長(zhǎng)安福特、東風(fēng)標(biāo)致、廣州本田、一汽和上海大眾等。上海舒勒以其優(yōu)異的固體成形/鍛造產(chǎn)品在中國(guó)市場(chǎng)占有牢固的地位。

4.4 焊接工藝

4.4.1 焊接方法

焊接方法為：GTAW，焊接方向?yàn)橄蛏希瑲寤怏w保護(hù)焊焊接時(shí)散熱快，熔池金屬流動(dòng)性大，采用多層多道薄焊縫焊接工藝，可以有效避免產(chǎn)生未熔合、氣孔與表面咬邊等焊縫缺陷[2]。

4.4.2 氬氣保護(hù)

正面與背面都采用氬氣保護(hù)，正面氣體流速15 L/min～18 L/min，背面氣體流速20 L/min～25 L/min。為了避免焊縫根部被氧化，氬氣背面保護(hù)措施要做到位，不僅根部打底時(shí)需要充氬保護(hù)，第二層熱焊道仍需背面充氬保護(hù)。

4.4.3 焊接工藝參數(shù)

焊接的電流、電壓、速度與熱輸入等焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表6，現(xiàn)場(chǎng)要求焊工嚴(yán)格按照焊接工藝參數(shù)進(jìn)行施焊，熱輸入不得大于焊接工藝要求[3]。

表6 焊接工藝參數(shù)

4.5 氬弧焊封底

圖1 焊評(píng)試件焊接

1）氬弧焊的引弧和收弧應(yīng)在坡口內(nèi)進(jìn)行，嚴(yán)禁在被焊工件表面引弧、試驗(yàn)電流或隨意焊接臨時(shí)支撐物。

2）開(kāi)始焊接時(shí)，應(yīng)先引發(fā)電弧電熱母材，當(dāng)呈現(xiàn)熔池后即填絲，并使焊縫加厚；然而，焊接速度不宜過(guò)快。

3）收弧時(shí)，焊接速度應(yīng)適當(dāng)減緩，以增加焊絲的填充量，待熔池填滿后不再加絲，同時(shí)應(yīng)立即將電弧引至坡口邊緣快速滅弧；起焊與終焊點(diǎn)沿焊縫長(zhǎng)度分布，不應(yīng)重疊在同一部位。

4）施焊過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)裂紋和氣孔等缺陷應(yīng)徹底清除，不得采用熔化法清除缺陷；發(fā)現(xiàn)電弧不穩(wěn)應(yīng)立即檢查鎢極端頭形狀、氬氣流量、焊接電流是否符合要求；夾鎢時(shí)，應(yīng)立即停止焊接，將其清除并更換鎢極；打底工作應(yīng)一氣呵成，中途不應(yīng)停止；打底焊縫完成后應(yīng)進(jìn)行外觀檢查。

4.6 NDT 無(wú)損檢測(cè)

試件焊接完成后對(duì)焊縫進(jìn)行100%外觀檢查，無(wú)損檢測(cè)應(yīng)在焊接完成24 h后進(jìn)行，對(duì)焊縫分別做PT、UT與RT檢測(cè)，外觀檢查與無(wú)損檢測(cè)結(jié)果都合格，符合規(guī)范要求[4]。復(fù)合鋼管線現(xiàn)場(chǎng)焊接見(jiàn)圖2。

圖2 復(fù)合鋼管線現(xiàn)場(chǎng)焊接

4.7 機(jī)械性能與腐蝕試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范要求對(duì)焊評(píng)試件的焊縫進(jìn)行取樣試驗(yàn)，試件焊縫主要做化學(xué)成分分析、拉伸、彎曲、宏觀腐蝕、硬度、V型缺口沖擊韌性、微觀組織與點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)。其中，V型缺口沖擊韌性試驗(yàn)試樣缺口位置距焊縫中心、熔合線、熔合線+2 mm及熔合線+5 mm，單個(gè)沖擊值應(yīng)≥38 J，平均值≥45 J。點(diǎn)腐蝕試樣件表面應(yīng)打磨得較光滑，這樣可以減少表面受到腐蝕，點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)方法采用ASTM G48-11 Method A，點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)溫度為50 ℃，腐蝕時(shí)間24 h，腐蝕率應(yīng)≤4.0 g/m2。焊評(píng)試件的機(jī)械性能與腐蝕試驗(yàn)結(jié)果都合格，符合規(guī)范要求[5]。

最后，將合格的檢測(cè)與試驗(yàn)報(bào)告形成焊接工藝評(píng)定，根據(jù)焊接工藝評(píng)定編寫(xiě)焊接工藝規(guī)程，焊接工藝規(guī)程提供合理的焊接工藝參數(shù)用于復(fù)合鋼管線現(xiàn)場(chǎng)焊接。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)API 5L X65+INCONEL 625復(fù)合鋼管試件進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，焊接工藝評(píng)定提供了可行的焊接工藝參數(shù)支持，用以指導(dǎo)施工現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)合鋼管線焊接與焊工技能培訓(xùn)，滿足了海洋石油平臺(tái)海底管線安裝工程的焊接技術(shù)要求，為復(fù)合鋼管線提供成功的焊接技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。