復(fù)合管 X65/Inconel625與超級(jí)雙相不銹鋼S32760焊接工藝及接頭性能研究

關(guān)鍵詞：異材焊接，復(fù)合管，超級(jí)雙相不銹鋼，接頭性能

0前言

某項(xiàng)目位于瓊東南盆地北部，南海北部大陸架西部，水深1220～1560m。某項(xiàng)目水下中心管匯項(xiàng)目，Manifold模塊里復(fù)合管的長(zhǎng)度約10km，海底輸氣輸油管道內(nèi)部主要流體為液壓控制液與化學(xué)藥劑，具有一定的腐蝕性，外側(cè)為海水。管線模塊部分有復(fù)合管和超級(jí)雙相不銹鋼UNSS32760異材管道對(duì)接，主要為鍛件四通處與復(fù)合管的對(duì)接。因異種金屬在元素種類、物理性能、化學(xué)成分等方面有很大的差異，與相同材料的焊接相比，異種材料的焊接無(wú)論從焊接機(jī)理和操作技術(shù)上都比同種材料要復(fù)雜得多，且由于焊縫兩側(cè)材料承受的應(yīng)力狀態(tài)不同，容易導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，甚至導(dǎo)致焊縫金屬與母材的剝離[1-3]，所以異種材料的焊接對(duì)于焊材選擇、參數(shù)設(shè)置等都需要慎重考慮[4-5]。

對(duì)于復(fù)合管和超級(jí)雙相不銹鋼的異材焊接，在國(guó)內(nèi)海上氣田的項(xiàng)目中，少有應(yīng)用先例，且海洋工程的工期因?yàn)榇诘拇_定，完全不同于陸地，其單位時(shí)間作業(yè)成本遠(yuǎn)高于陸地施工。復(fù)合管的基材是碳鋼材料X65，與超級(jí)雙相不銹鋼的對(duì)接焊接容易對(duì)不銹鋼組織造成污染，對(duì)不銹鋼的抗腐蝕能力造成一定影響[6-8]。為保障項(xiàng)目工程的順利實(shí)施，在國(guó)內(nèi)缺乏相關(guān)參考資料的情況下，項(xiàng)目組通過(guò)前期的大量試驗(yàn)摸索和方案優(yōu)選，展開(kāi)對(duì)復(fù)合管與超雙材料高效焊接工藝開(kāi)發(fā)及焊接材料的篩選工作，對(duì)此類異材焊接進(jìn)行了力學(xué)性能和點(diǎn)蝕性能的實(shí)驗(yàn)研究。

1實(shí)驗(yàn)材料

1.1母材材料

復(fù)合管X65/Inconel625是由外側(cè)的碳鋼材料API5LX65內(nèi)部按照熔化極氣體保護(hù)電弧焊（GMAW）堆焊工藝堆焊鎳基材料AWSA5.14：ERNiCrMo-3堆焊3mm而成，使復(fù)合管的內(nèi)壁有良好的耐高溫、高壓性能，能夠傳送腐蝕介質(zhì)，復(fù)合管因其價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用[9]。

超級(jí)雙相不銹鋼S32760，與一般的雙相不銹鋼相比，有更多的合金元素和更低的碳含量，具有較強(qiáng)的機(jī)械性能和優(yōu)異的耐腐蝕能力。在有高強(qiáng)度和高耐蝕性能需求的海底管道鋪設(shè)、船舶制造和海洋氣田開(kāi)采的制造領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在那些含有氯離子、硫化氫截止的壓力容器和換熱器等設(shè)備中[10]。但是在焊接過(guò)程中，熱輸入的變化、冷卻速度等影響對(duì)于元素的燒損和雙相比例的影響很大，高含量的合金元素會(huì)使其焊接接頭處易析出金屬間化合物，進(jìn)而會(huì)影響材料的機(jī)械性能和耐腐蝕性能，從長(zhǎng)久的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，HAZ區(qū)域的性能是焊接接頭中最薄弱的區(qū)域。母材的力學(xué)性能和化學(xué)成分見(jiàn)表1和表2。

1.2焊接材料

焊接材料選用與堆焊層一樣的鎳基材料ESABOKTigrodNiCrMo-3，直徑2.4mm，符合SFA/AWSA5.14：ERNiCrMo-3和ENISO18274：SNi6625鎳基合金焊接標(biāo)準(zhǔn)，其力學(xué)性能和化學(xué)成分見(jiàn)表3和表4。焊接工藝為鎢極氬弧焊，焊接位置為6G方向，背部保護(hù)氣體和正面保護(hù)氣體均為氬氣保護(hù)，焊前除濕，層間溫度設(shè)定最高為100℃。

2焊接工藝及過(guò)程

合適的焊接參數(shù)和熱輸入是保證焊接接頭力學(xué)性能和耐蝕性能的關(guān)鍵，本次試驗(yàn)件的焊接按照標(biāo)準(zhǔn)ASMEBPVC-IX-2019制作[11]，采用的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表5。

試驗(yàn)件焊接結(jié)束后按照相關(guān)要求進(jìn)行外觀檢驗(yàn)（VT），滲透檢驗(yàn)（PT）和X射線探傷（RT）。各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，焊縫表面成型良好，無(wú)氣孔、未熔合、裂紋、咬邊等缺陷，焊接試樣滿足要求。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

對(duì)焊接試件開(kāi)展拉伸性能、抗彎性能、抗沖擊性能、抗腐蝕性能及硬度等力學(xué)性能測(cè)試。

（1）拉伸測(cè)試。對(duì)焊接試件開(kāi)展機(jī)加工處理，加工成ASTME-8標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件開(kāi)展單軸拉伸試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)試后，抗拉強(qiáng)度平均為554MPa，拉伸試驗(yàn)均斷于X65母材區(qū)域，證明焊縫金屬?gòu)?qiáng)度高于母材。

（2）抗彎測(cè)試。對(duì)焊接試件開(kāi)展機(jī)加工處理，加工成ASTMA370標(biāo)準(zhǔn)抗彎試件開(kāi)展抗彎試驗(yàn)。室溫下，利用直徑40mm的彎輥對(duì)焊接試件進(jìn)行側(cè)彎，彎曲角度達(dá)到180°，所有試件完好，均無(wú)任何缺陷產(chǎn)生，焊縫金屬塑性良好。

（3）抗沖擊測(cè)試。對(duì)焊接試件開(kāi)展機(jī)加工處理，加工成ASTME23-18標(biāo)準(zhǔn)抗沖擊試件開(kāi)展抗沖擊試驗(yàn)。焊接接頭縮減截面的沖擊性能見(jiàn)表6，均滿足相關(guān)要求，焊接接頭韌性良好。

（4）耐腐蝕測(cè)試。對(duì)焊接試件開(kāi)展機(jī)加工處理，加工成ASTMG31-2012a標(biāo)準(zhǔn)耐腐蝕試件開(kāi)展耐腐蝕試驗(yàn)。焊接接頭宏觀腐蝕結(jié)果合格，放大10倍的宏觀圖片如圖1所示，焊縫及熱影響區(qū)剖面完全熔合、無(wú)裂紋。

（5）硬度測(cè)試。對(duì)焊接試件進(jìn)行機(jī)加工處理，加工成符合ASTME92標(biāo)準(zhǔn)的硬度測(cè)試試件，并開(kāi)展維氏硬度試驗(yàn)（HV10）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，顯微硬度（HV10）在母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域的最大值均不超過(guò)305，最小值不低于190，滿足規(guī)格書和項(xiàng)目服役環(huán)境的要求。

3.2點(diǎn)蝕實(shí)驗(yàn)

對(duì)焊接接頭按照標(biāo)準(zhǔn)ASTMG48進(jìn)行氯化鐵點(diǎn)蝕試驗(yàn)，取樣位置為復(fù)合管復(fù)合層與超雙對(duì)接焊縫區(qū)域，如圖2所示。通過(guò)顯微鏡放大20倍觀察，試件焊縫表面無(wú)腐蝕坑，試驗(yàn)后試樣照片見(jiàn)圖3所示。

點(diǎn)蝕結(jié)果見(jiàn)表7，所有試件的腐蝕率均小于4g/m2。氯化鐵點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

3.3微觀金相檢測(cè)

焊接接頭的微觀組織圖如圖4所示。焊縫金相試驗(yàn)表面，API5LX65母材和熱影響區(qū)的組織主要為鐵素體、珠光體和貝氏體，其較亮的組織為鐵素體，較暗的組織為珠光體。焊縫和625復(fù)合層組織主要為柱狀?yuàn)W氏體，沒(méi)有連續(xù)的C、N化合物和金屬間化合物析出，C、N化合物和金屬間化合物析出的總量不超過(guò)0.5%。ASTMA790UNS32760母材和熱影響區(qū)的組織主要為奧氏體和鐵素體，沒(méi)有連續(xù)的C、N化合物和金屬間化合物析出，C、N化合物和金屬間化合物析出的總量不超過(guò)0.5%。兩側(cè)母材熱影響區(qū)位置，未發(fā)現(xiàn)未熔合夾渣，焊縫區(qū)無(wú)明顯的夾渣、氣孔和裂紋等缺陷。焊接接頭的微觀顯示，焊縫異材連接處融合良好，無(wú)缺陷。

4結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)海上氣田某項(xiàng)目復(fù)合管和超級(jí)雙相不銹鋼的異材焊縫接頭進(jìn)行GTAW對(duì)接焊實(shí)驗(yàn)，探索制定焊接工藝，并開(kāi)展試件的無(wú)損探傷和相關(guān)的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出如下結(jié)論：

（1）復(fù)合管X65/Inconel625與超級(jí)雙相不銹鋼S32760焊接接頭的焊縫表面成型良好，焊縫及熱影響區(qū)剖面完全熔合，無(wú)裂紋、無(wú)氣孔、未熔合、裂紋、咬邊等缺陷，采用試驗(yàn)中的焊接工藝，可以得到性能優(yōu)良的異材焊接接頭。

（2）異材焊縫接頭的抗拉強(qiáng)度為554MPa，拉伸試驗(yàn)均斷于X65母材區(qū)域，焊縫強(qiáng)度高于母材。經(jīng)過(guò)180°彎曲試驗(yàn)均無(wú)任何缺陷產(chǎn)生。焊接接頭HAZ的顯微硬度呈梯度分布，焊縫的維氏硬度分布均小于300HV10。復(fù)合層和超雙焊接后，焊縫金屬接頭強(qiáng)度、塑性、韌性、耐腐蝕性等良好，均滿足設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品滿足服役條件。

（3）API5LX65母材和熱影響區(qū)的組織主要為鐵素體、珠光體和貝氏體組成；焊縫和625復(fù)合層組織主要為柱狀?yuàn)W氏體組成；ASTMA790UNS32760母材和熱影響區(qū)的組織主要為奧氏體和鐵素體組成。所有焊接區(qū)域均無(wú)連續(xù)的C、N化合物和金屬間化合物析出，C、N化合物和金屬間化合物析出的總量不超過(guò)0.5%。焊接接頭的微觀顯示，焊縫異材連接處融合良好，無(wú)缺陷。