N08825復合材料焊接工藝要點和腐蝕試驗研究

摘 要 對N08825復合材料的焊接性進行了初步分析，從焊接方法、焊接材料、坡口型式、加工及組對、背部保護以及焊縫冷卻等幾個方面，提出N08825復合材料的焊接工藝要點。根據總結和分析的焊接要點，制備了L360QS/Incoloy825復合管焊接試件，并對試樣進行了點蝕、晶間腐蝕、抗氫致開裂、SCC應力腐蝕開裂、SSC硫化物應力開裂等方面的試驗，結果表明試件滿足要求。

關鍵詞 N08825復合材料 鎳基合金 焊接工藝 腐蝕試驗

中圖分類號 TQ050.4+3" "文獻標識碼 B" "文章編號 0254?6094（2023）01?0113?06

復合材料（包括復合板和復合管）具有雙金屬材料特點：基層能滿足設備強度和剛度的需求，復層有色金屬能滿足耐蝕、耐磨及耐高溫等需求。既可節約大量的有色金屬，降低生產成本，又不影響其綜合使用性能，因而在采油、石化、化工及醫藥等行業廣泛應用。UNS N08825奧氏體Ni?Fe?Cr?Mo?Cu系列鎳基合金，在中等氧化性環境、中等還原性環境中都具有良好的抗腐蝕能力，在室溫和高達550 ℃時也具有很好的力學性能。

近些年在開采天然氣田，尤其是“六高”油氣田（高產量、高溫、高壓、高含H2S、高含CO2、高含氯離子），比如四川省普光氣田、元壩氣田等時，由于分離集輸等設備面臨不同溫度的H2S氣體或H2S+CO2混合氣體的腐蝕，為提高天然氣和原油開采及輸送安全性，以N08825合金為代表的耐蝕合金廣泛應用于上述介質中的設備。研究N08825復合材料的焊接工藝、開發焊接相關配套工裝設備，對于保證設備制造質量、提高生產效率，以及設備的安全運行，都具有重要意義。

1 N08825復合材料焊接性分析

1.1 材料性能

工程上采用的N08825復合材料，基層是抗酸性腐蝕的碳鋼，同時可滿足強度、鋼度及韌性等力學性能的要求;覆層N08825（Incoloy825）屬奧氏體不銹鋼，在氧化和還原環境下都具有抗酸的腐蝕性能，其高鎳成分使合金具有有效的抗應力腐蝕開裂性。在各種介質中的耐腐蝕性都很好，如硫酸、磷酸、硝酸和有機酸，堿金屬如氫氧化鈉、氫氧化鉀和鹽酸溶液，在油氣田開采等工業中得到了越來越多的應用[1～3]。

1.2 焊材的選擇

以L360QS/Incoloy825復合管為例，覆層鎳基合金（Incoloy825）和基層碳鋼（L360QS）的化學成分見表1，力學性能和物理性能見表2。

由表1、2可以看出Incoloy825合金與碳鋼的化學成分差別很大，在焊接時合理選擇兩種合金過渡層的焊接材料尤為重要?？紤]到合金成分的稀釋問題，應盡量使用Ni合金成分含量高的焊接材料。Incoloy825合金與碳鋼的磁性、電阻率、線膨脹系數及導熱率等也有明顯差異，這將會給復合管的焊接帶來一些困難。

1.3 不同因素對焊縫金屬的影響

雜質元素。S、Si等雜質在Incoloy825合金的焊縫金屬中容易偏析。S和Ni形成Ni?NiS低熔點共晶，在焊縫金屬凝固過程中，這種低熔點共晶在晶間形成一層液態薄膜，在焊接應力的作用下可能形成晶間裂紋。焊接過程中Si、O等形成復雜的硅酸鹽，在晶界形成一層脆的硅酸鹽薄膜，在焊縫金屬凝固過程中或凝固后的高溫區，形成高溫低塑性裂紋。

不同導熱率。覆層和基層兩種金屬的導熱率不同，會改變焊接時的溫度場分布，從而改變焊縫的結晶條件。導熱率大的金屬首先冷卻、結晶，造成焊縫成分和組織的不均勻。導熱性差的金屬，焊接熱量不易通過傳導散出，焊接熔池容易過熱，造成室溫顯微組織晶粒粗大，便在晶間夾層增厚，減弱晶間結合力，延長了焊縫金屬的凝固時間，助長了熱裂紋的形成。

不同線膨脹系數。Incoloy825合金與碳鋼的線膨脹系數不同，焊接時由于焊接熱循環的作用，在這兩種合金內部產生交變的加熱和冷卻，容易在接頭處產生較大的焊接殘余應力，從而形成裂紋等缺陷。

電弧磁偏吹。Incoloy825合金與碳鋼的磁性不同，前者基本無磁性，而后者有磁性。在焊接時，由于兩種材料的磁性不同，容易造成焊接電弧磁偏吹，從而使焊縫成型變差，甚至會造成焊縫夾渣、未熔合等焊接缺陷，影響焊接質量。因而在焊接時，宜采用直流反接的方法。

微觀組織。對于Incoloy825合金及其他奧氏體不銹鋼來說，在450～850 ℃高溫下持續服役的過程中有發生晶間腐蝕的可能性，層間溫度應控制合理范圍以內，減少從800 ℃冷卻到 500 ℃的時間，改變熔池的冷卻速度，從而達到防止冷裂紋、控制組織以達到滿意的性能的目的。而碳鋼組織以鐵素體為主，過快的冷卻速度易產生淬硬組織，故焊接時應注意保持一定的層間溫度。

2 焊接工藝要點

2.1 焊接方法選擇

筆者開展了焊條電弧焊（SMAW）、手工TIG焊、半自動TIG焊、全自動TIG焊、半自動MIG焊、埋弧焊（SAW）在N08825復合材料焊接施工中焊接試驗和相關理化（包括腐蝕）試驗。并獲得了大量的試驗數據，初步掌握了常見焊接方法。通過總結不同焊接方法的試驗情況，歸納出以下經驗：

a. 手工TIG焊、SMAW、半自動TIG焊和全自動TIG焊熱輸入較為相對較小，能夠滿足825復合材料焊接施工要求;半自動MIG焊、SAW由于熱輸入較大，不宜在825復合管現場焊接中使用;

b. 825復合管打底宜采用手工TIG焊或半自動TIG焊焊接;

c. 全自動TIG焊在大管徑的直管段預制和長輸管道施工中具有較大的效率和成本優勢;

d. 半自動TIG焊在小管徑的管道、管件預制中具有較大的效率和成本優勢;

e. 手工TIG焊和SMAW較靈活，不受施工位置和管徑限制。

2.2 焊接材料選擇

為確保耐蝕堆焊金屬的質量，在使用ERNiCrMo?3進行堆焊之前，使用不同保護氣體進行了多組試驗，其中包括99.99%的氬氣（堆焊焊縫如圖1中1所示）、氧氣與氬氣的混合氣體（堆焊焊縫如圖1中2所示）、二氧化碳氣體與氬氣的混合氣體（堆焊焊縫如圖1中3所示）以及氦氣與氬氣的混合氣體（堆焊焊縫如圖2所示）。

在N08825復合材料焊接材料選用上，通過多次焊接試驗，并結合無損檢測和耐腐蝕性試驗結果，焊材選用如下：

SMC焊絲 AWS A5.14 ERNiCrMo?3

SMC焊條 A5.11 ENiCrMo?3

保護氣體 純度不小于99.99%的氬氣和氦

氣與氬氣的混合氣體

2.3 坡口型式設計

從工藝可焊性、焊接質量、焊材消耗等方面對V型、U型、J型坡口等進行多次試驗，通過調整坡口角度、R角、鈍邊厚度等尺寸，并結合手工焊和半/全自動焊接方法時進行適當調整，最終確定如圖3所示的坡口型式、尺寸和組對間隙。

2.4 坡口加工及組對

N08825復合材料坡口加工宜采用機械方法，嚴禁火焰切割。因N08825復合材料使用環境對焊縫耐腐蝕性要求較高，因此對焊縫根部的焊接質量和抗腐蝕能力要求較高，組對時一定要嚴控內口錯邊量，并根據不同的焊接方法，嚴控鈍邊厚度和組對間隙，保證根部焊接質量;有條件時宜使用內對口器等輔助工具進行組對。

2.5 背部保護裝置

因N08825復合材料使用環境對焊縫耐腐蝕性要求較高，為防止因焊接氧化問題造成復合管內覆層耐蝕能力下降，對焊縫背部提出了較高的檢測要求。針對焊縫背部保護，對國內外常用的管道焊接充氣背保方式（裝置）進行了多次試驗，如水溶紙、氣囊、輪式橡膠板、帶背保功能的內對口器等。通過大量試驗可知，上述背保方式（裝置）中，保護效果最好是帶背保裝置的內對口器，特別適合直管段預制和長輸管道的焊接。在現場施工時，條件允許的情況下應優先選用帶背保裝置的內對口器。但該裝置也存在體積大、拆裝麻煩的情況，在廠站內的U型彎、固定口焊接時存在不易取出的缺點。

2.6 焊縫冷卻裝置

N08825復合管焊接時熱輸入過大，容易造成晶粒粗大，覆層抗腐蝕性能下降，因此，對層間溫度的要求較嚴格，規范要求不大于150 ℃，實際焊接時往往要求控制在100 ℃以下，這種情況嚴重制約了施工效率。為了克服上述問題，進行了大量的試驗和技術創新，研制出了專門的焊縫冷卻裝置。

2.7 焊接要點

根據以上分析將焊接要點總結如下：

a. 根據施工環境和現場位置選用適當的焊接方法，打底焊宜選用手工或半自動TIG焊;

b. 根據不同的焊接方法選用適當的坡口型式和尺寸，并嚴控內錯邊量和組對間隙;

c. 在保證焊縫金屬熔合良好的情況下，盡量采用小電流直流焊接;

d. 焊接時應進行必要的層間清理，以保證每層焊縫熔合良好;

e. 鎳合金熔池的流動性差，自動焊或半自動焊時應保證電弧在坡口兩側的停頓時間，避免產生側壁未熔缺陷;

f. 因N08825復合材料焊縫對氧化較敏感，對選用的保護氣體應進行純度復驗或試焊。

3 腐蝕試驗研究

3.1 試驗方法和標準

根據上述分析總結的焊接要點，選用L360QS/Incoloy825復合管，采用手工TIG焊，選擇適宜的焊接參數，制備了焊接試件，對焊接試樣進行性能評價。在試驗過程中，為了驗證焊縫的力學性能和耐腐蝕性能，除了拉伸、彎曲、沖擊、金相及化學成分分析等常規理化試驗外，同時委托專業實驗室做了大量的腐蝕試驗，以驗證焊接接頭的抗腐蝕能力。試驗項目和標準見表3。

3.2 點蝕試驗

點蝕試樣取自復合管鎳基825合金覆層，試樣尺寸為50 mm×25 mm×1.5 mm，試驗溶液：900 mL蒸餾水+100 g FeCl3·6H2O，試驗溫度22 ℃和50 ℃，試驗周期72 h，每組3個平行試樣，試驗后計算失重速率并觀察表面是否出現點蝕。點蝕試驗共進行了83組，其中21組出現點腐蝕現象。

為了研究點蝕發生的原因，對點蝕試樣進行SEM和EDS分析，結果如圖4所示。

SEM和EDS分析結果發現：焊接接頭的元素過渡區域Fe元素含量急劇升高，導致Cr、Mo、Ni的相對含量降低，從而使得耐蝕性能下降，熔合線成為整個焊接接頭耐蝕性最薄弱的部位。

3.3 晶間腐蝕試驗

做了ASTM G28 A法、A262 C法和A262 E法3種晶間腐蝕試驗，試樣均取自825復合材料，試樣尺寸為30 mm×20 mm×1.5 mm。ASTM G28 A法試驗溶液：400 mL蒸餾水+236 mL H2SO4+25 g

Fe2（SO4）3，試驗溫度為沸點，試驗周期120 h，共進行試驗45組，驗收標準速率不大于1 mm/a。ASTM A262 C法試驗溶液：65%硝酸溶液，試驗溫度為沸點，試驗時間為5個周期，每個周期48 h，共進行試驗33組，驗收標準為平均腐蝕率小于0.72 mm/a。ASTM A262 E法試驗溶液：700 mL H2O+100 g CuSO4·5H2O+100 mL H2SO4，定容至1 000 mL，加銅粉，試驗溫度為沸點，試驗周期24 h。試驗結束后利用彎曲模具進行彎曲試驗，觀察試樣彎曲面裂紋情況。共進行試驗49組，均未發現開裂現象。3.4 氫致開裂試驗

氫致開裂（Hydrogen Induced Cracking，HIC）試驗又叫抗氫誘導裂紋試驗、抗氫脆試驗。HIC試樣取自825復合材料基層，試樣尺寸為100 mm×20 mm×5 mm，焊縫居中，試驗溶液：5%NaCl+0.5%CH3COOH，試驗溫度25 ℃，試驗周期96 h。共進行試驗20組，試驗結果表明焊接接頭試樣表面均未出現HIC裂紋。氫原子在金屬材料內部的擴散主要是依附于材料各種缺陷，故提高焊接接頭的抗氫致開裂性能，主要從焊接工藝方面著手解決。

3.5 應力腐蝕開裂試驗

應力腐蝕開裂（Stress Corrosion Cracking，SCC）試驗是在有水和H2S存在的情況下，與局部腐蝕的陽極過程和拉應力相關的一種金屬開裂。SCC試樣取自復合825覆層，試樣尺寸為67.3 mm×4.57 mm×1.52 mm，焊縫居中，按100% SMYS加載，試驗溶液為模擬氣田水溶液，H2S和CO2壓力均為0.95 MPa，試驗溫度120 ℃，試驗時間720 h。共進行試驗20組，試驗結果表明：試樣表面均未出現裂紋，且表面幾乎沒有腐蝕產物，由此說明采用前述焊接方法得到的焊接接頭具有良好的耐蝕性能，滿足抗SCC開裂性能要求。

3.6 硫化物應力開裂試驗

硫化物應力開裂試驗（Sulfide Stress Cracking，SSC）也叫硫化氫應力腐蝕開裂試驗，是在有水和H2S存在的情況下，與腐蝕和拉應力有關的一種金屬開裂。SSC試樣取自825復合材料基層，試樣尺寸為115 mm×15 mm×5 mm，焊縫居中，按90% AYS加載，試驗溶液：5%NaCl+0.5%CH3COOH，試驗溫度24 ℃，試驗周期720 h。共進行試驗41組，試驗結果表明：試樣表面均未出現裂紋，且表面幾乎沒有腐蝕產物，由此說明采用前述焊接方法得到的焊接接頭具有良好的耐蝕性能，滿足抗SCC開裂性能要求。

3.7 腐蝕試驗小結

綜合上述試驗結果可知，復合管焊接接頭覆層鎳基合金點蝕和晶間腐蝕發生的主要原因是碳鋼層對焊縫元素的稀釋，非金屬夾雜物的存在也會增加點蝕和晶間腐蝕傾向。焊接接頭的覆層抗氫致開裂、抗SCC應力腐蝕開裂、抗SSC硫化物應力腐蝕開裂性能良好。

4 結束語

N08825鎳基復合材料具有優良的耐蝕性能，但是在焊接中存在著很多難點。應根據具體施工條件選用適當的焊接方法，嚴控錯邊量和組對間隙，進行必要的層間清理，在焊接時盡量采用小電流直流焊。由于N08825復合材料焊縫對氧化較敏感，尤其應注意對保護氣體質量的控制。

焊接試樣腐蝕試驗表明，通過選擇適宜的焊接參數、焊接過程中注意碳鋼層的影響、控制非金屬夾雜物的形成等措施，得到的焊接試樣點蝕、晶間腐蝕可以通過焊接工藝評定，焊接接頭的抗氫致開裂、抗SCC應力腐蝕開裂、抗SSC硫化物應力開裂性能良好，結果表明試件滿足要求。N08825鎳基復合材料焊接性能試驗的結果，在某原油處理項目一批換熱器的制造中得到了應用，應用效果良好。

參 考 文 獻

[1] DUPONT J N，LIPPOLD J C，KISER S D.鎳基合金焊接冶金和焊接性[M].吳祖乾，張晨，虞茂林，等，譯.上海：上?？茖W技術文獻出版社，2014：142-147.

[2] 張菽浪，張紅斌.Incoloy825耐蝕合金[J].特鋼技術，2005，10（3）：64-66.

[3] 李杰，楊俊峰，孫兵兵.825合金在高溫高壓H2S/CO2環境中的應力腐蝕研究[J].熱加工工藝，2014，43（22）：90-93.

（收稿日期：2022-01-24，修回日期：2023-01-09）

基金項目：河南省基本科研業務費支持項目（2020ky07）。

作者簡介：劉振剛（1965-），高級工程師，從事特種設備檢驗工作，liuzg1095@126.com。

引用本文：劉振剛，耿亞鴿，于成科.N08825復合材料焊接工藝要點和腐蝕試驗研究[J].化工機械，2023，50（1）：113-118.