鎳基合金復合厚壁管的FCAW焊接工藝研究

伍道亮，張輝，陳學雷，師金鳳

1.招商局重工（江蘇）有限公司 江蘇南通 226116

2.招商局郵輪制造有限公司 江蘇南通 226116

1 序言

近年來，國內的海洋油氣開發進入高速發展期，在油氣開發裝置建造過程中，高壓油氣輸送管道是關鍵部件之一，由于其涉及H2S、Cl-等各種酸性介質，管道耐蝕性要求高，因此與流體接觸的管內壁通常采用Inconel 625鎳基合金。而油氣輸送管道一般設計壓力較大，設計壁厚一般超過50mm，為了節省材料成本，同時保證管材強度，通常采用低合金鋼管內壁堆焊鎳基合金的復合管形式。

根據調研，目前行業內鎳基合金復合管通常采用氬弧焊進行焊接，有利于保證焊縫質量、焊接接頭力學性能及耐腐蝕性能[1-5]。但考慮到厚壁管的焊接，氬弧焊的焊接效率過低，難以滿足項目生產周期，因此為提高焊接效率，本文對鎳基合金復合厚壁管的FCAW焊接工藝進行研究，并完成了相關焊接工藝評定試驗。

2 試驗母材及焊接性分析

試驗用管材基層為ASTM A694 F65鍛鋼材質，管內壁堆焊3mm厚的鎳基合金Inconel 625，復合管規格為φ273mm×（54.15+3）mm。ASTM A694 F65鍛鋼和鎳基合金Inconel 625的化學成分見表1，力學性能見表2。

表1 試驗管材的化學成分（質量分數）（%）

從表2可看出，鎳基合金Inconel 625和F65鍛鋼材質成分及性能差別很大，而且兩者物理性能差異較大（常溫條件下，Inconel 625的導熱系數為80～90W/m·K，熱膨脹系數為8.1×10-6/℃；F65的導熱系數為40～50W/m·K，熱膨脹系數為12.3×10-6/℃），焊接過程中熱量擴散不均勻，導致焊縫組織不均勻，焊接接頭產生較大的內應力。同時，鎳基合金Inconel 625焊接時，S、Si元素容易在焊縫中偏析形成低熔點共晶體，這些低熔點共晶體匯集于晶界處形成液態薄膜，在應力的作用下容易產生焊接熱裂紋。而且，鎳基合金Inconel 625合金元素含量高，焊接熔池流動性差，焊縫成形不易控制，易產生夾渣、氣孔等焊接缺陷。

表2 試驗管材的力學性能

3 焊接工藝

3.1 焊接方法及焊接材料選擇

本項目鎳基合金復合管壁厚57.15mm，焊接量大，如采用行業內常規的氬弧焊方法，則焊接效率太低。經過多次試驗，最終選定氬弧焊（GTAW）打底，藥芯焊絲氣體保護焊（FCAW）填充、蓋面的焊接方法，可大幅提高焊接效率。

根據鎳基合金復合管的特點，G TAW 選用ERNiCrMo-3焊絲，FCAW選用ENiCrMo3T1-4藥芯焊絲，焊接材料熔敷金屬的化學成分見表3。

表3 焊接材料熔敷金屬的化學成分（質量分數）（%）

3.2 坡口設計

為減少厚壁管的焊接量，對焊接接頭進行坡口優化設計，如圖1所示。優化后的坡口形式，可節省30%的焊接工作量。復合管的下料及坡口采用冷加工完成，保證焊前坡口質量。

圖1 焊接坡口形式

3.3 焊接參數

打底焊道采用GTAW工藝，保證單面焊雙面成形，填充至8mm深度后，更換為FCAW工藝，焊接過程采用多層多道焊，具體焊接參數見表4。

表4 鎳基合金復合管焊接參數

3.4 焊接過程注意事項

由于鎳基合金復合厚壁管焊接時拘束應力大，因此為避免出現冷裂紋，焊前對接頭進行預熱，預熱溫度≥65℃，整個焊接接頭預熱均勻，焊接過程中的層間溫度不低于預熱溫度。同時在打底和熱填充焊道完成前，焊接過程應連續進行，不得中止焊接。

為保證根部焊接質量，防止管內壁的鎳基合金堆焊層氧化，影響耐腐蝕性能，焊接前對管內壁進行充氬保護，氧氣含量≤100ppm（1ppm＝10-6）時，方可開始焊接。焊接過程中需對背保護氣體的氧氣含量進行實時監測，在完成8mm深度后，才能停止充氬。

另外，因為鎳基合金的合金含量高，焊接熔池流動性差，所以FCAW焊接時容易出現未熔合、夾渣等缺陷。為保證焊接質量，應對焊工進行專項焊接培訓，確保熟練掌握焊接操作技能。蓋面焊道應采取小熱輸入、小擺幅焊接，蓋面的最后焊道應在焊縫中心位置完成[6-10]。

為了消除鎳基合金復合厚壁管的焊接應力，同時滿足NACE MR0175：2015《用于石油及天然氣工業含H2S腐蝕環境的材料規范》要求的接頭硬度值，焊后需進行焊后熱處理，熱處理溫度為580～600℃，保溫2～3h。

通過以上焊接工藝優化，焊接一個φ273mm×（54.15+3）mm的鎳基合金復合管的對接接頭，焊接時間由原42h縮短為24h，大幅度提高了焊接效率。

4 試驗結果及分析

4.1 宏觀分析

焊后48h對焊縫進行MT+PAUT檢測，結果合格，未發現未熔合、裂紋、氣孔及咬邊等缺陷。對焊接接頭進行宏觀腐蝕試驗，其宏觀照片如圖2所示。從圖2可看出，焊縫坡口兩側熔合良好，焊接接頭成形良好。

圖2 焊接接頭宏觀照片

4.2 力學性能分析

對焊接接頭進行力學性能試驗，拉伸試驗為室溫拉伸，取樣2組，試驗標準參照ISO 6892-1：2019《金屬材料拉伸試驗，第一部分：室溫拉伸試驗方法》；沖擊試驗采取-46℃低溫沖擊，取樣位置分別為焊縫表面及根部的焊縫（WM）、熔合線（FL）、熔合線+2mm（FL+2）、熔合線+5mm（FL+5），試驗標準參照ISO 148-1：2016《金屬材料缺口沖擊試驗方法》；硬度試驗參照NACE MR0175：2015《用于石油及天然氣工業含H2S腐蝕環境的材料規范》要求，進行各個區域的硬度試驗。焊接接頭各項力學性能的試驗結果見表5～表7。

表5 拉伸試驗結果

表6 沖擊試驗結果

表7 硬度試驗結果（HV10）

根據試驗結果可知，拉伸試驗時斷裂于母材，證明焊接接頭的抗拉強度大于母材強度；焊接接頭在-46℃的沖擊試驗結果均滿足驗收要求（≥45J）；接頭硬度試驗結果滿足NACE MR0175：2015《用于石油及天然氣工業含H2S腐蝕環境的材料規范》要求。

以上結果表明，此鎳基合金復合厚壁管焊接接頭具有良好的力學性能。

4.3 耐腐蝕性能分析

根據ASTM G48：2011《使用三氯化鐵溶液做不銹鋼及其合金的耐麻點腐蝕和抗裂口腐蝕性試驗的標準方法》中方法 A要求，對復合管堆焊層的焊接接頭進行取樣，先在60℃的20%HNO3+5%HF溶液中酸洗5min，干燥稱重，放置于90g FeCl3·6H2O +900mL去離子水中，保溫40℃，浸泡24h后，對失重率進行測量，試驗結果見表8。由表8可知，所有試樣的失重率均＜4g/m2，滿足標準要求。所有試樣在20倍放大鏡下觀察，表面無可見明顯腐蝕點。試驗結果表明，復合管堆焊層的焊接接頭具有良好的耐腐蝕性能。

表8 點蝕試驗結果

5 結束語

1）鎳基合金Inconel 625+ASTM A694 F65復合厚壁管，采用GTAW+FCAW焊接工藝，可以得到無缺陷、成形良好的焊接接頭。

2）復合管焊接接頭力學性能及耐腐蝕性能良好，能滿足高壓、耐腐蝕環境的應用需求。

3）采用FCAW焊接工藝焊接鎳基合金復合厚壁管，可顯著提高焊接效率，具有廣泛的應用前景。