L360QS/316L不銹鋼復合鋼管焊接工藝和性能研究

付現橋，徐 敬，卜明哲，劉志田，項祖義，郭 旭

（中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北任丘062522）

0 前言

目前，隨著酸性氣田的開發(fā)，輸氣管線面臨著越來越苛刻的腐蝕環(huán)境。很多輸氣管道由于腐蝕嚴重而造成失效，甚至會引起爆炸，威脅人身安全，污染環(huán)境，后果非常嚴重[1-2]。隨著鋼管制造業(yè)的迅速發(fā)展，不銹鋼復合鋼管因其具有碳鋼或合金鋼的力學性能，又具有不銹鋼的耐蝕性等優(yōu)點，得到了廣泛運用[3]。

然而，由于不銹鋼復合鋼管的兩種材質具有不同化學成分和物理性能，在焊接過程中，很容易造成熔合區(qū)C的擴散和合金元素的稀釋，引起焊接接頭性能惡化，影響焊接質量。這使得不銹鋼復合鋼管焊接及焊后熱處理等變得復雜，給現場焊接施工增加了難度。

為了避免不銹鋼復合管焊接過程中覆層與基體界面處出現的合金元素的稀釋和碳元素的遷移等，常用方法是采取不同的焊接材料，但這種方法增加了焊接工作量，也增加了風險[4]。

本研究以規(guī)格為φ355.6 mm×(10+3）mm的L360QS+316L復合管的焊接為例，開發(fā)了一種新型的復合鋼管焊接工藝。首先在工廠對復合鋼管管端進行堆焊預處理，然后在施工現場采用與堆焊相同類型的焊材進行對焊操作。該焊接工藝既減小了焊接工程量，也降低了不銹鋼復合鋼管的焊接復雜性。

1 焊接試驗

1.1 試驗材料

試驗材料為對接焊復合管。復合管基管規(guī)格為φ355.6 mm×10 mm，材質為 L360QS無縫鋼管，其制管要求及性能應符合GB/T 9711-2001的相關規(guī)定；內襯為壁厚3 mm的316L奧氏體不銹鋼管，其制造及性能應符合GB/T 8163-2008的相關要求。復合管加工類型為機械復合，并滿足API SPEC 5LD-2009《內覆或襯里耐蝕合金復合鋼管規(guī)范》。外層及內襯不銹鋼管技術條件要求的拉伸性能見表1。

表1 復合管外層及內襯管體的抗拉強度要求

1.2 焊接材料的選擇

采用機械復合成型的L360QS+316L復合鋼管的基層鋼管與內襯鋼管的化學成分差異大，且熱膨脹及冷收縮速度存在一定差異，易導致過渡層出現熱裂紋或結晶裂紋，再加上焊接過程中基層材質對焊縫金屬的成分稀釋，非常容易導致裂紋的產生。為了解決焊縫的硬度和裂紋問題，一般的焊接工藝要求對不同材質選擇適合的打底焊、過渡焊及填充焊工藝，并嚴格控制焊接參數，增加了焊接工作量及難度。為了解決上述難題，本研究采用了一種基層及內襯層均適合的焊材ERNiCrMo-3，該焊材具有良好的塑性和韌性，也能保證過渡層的焊接質量，其化學成分見表2。同時，為保證復合鋼管焊縫的質量，本次試驗采用半自動TIG焊，具體的焊接流程為：首先采用TIG焊對管端進行堆焊預處理，把316L內襯層和L360QS基層焊接在一起，并保證一定的厚度，滿足坡口加工，然后再進行TIG焊對接焊操作。

表2 ERNiCrMo-3化學成分 %

1.3 坡口加工

因管線的壓力較高，L360QS/316L雙金屬復合管的基管壁厚較厚（10 mm），為防止焊接熔合不良以及焊接應力增大引起的裂紋和氣孔等缺陷，對接接頭采用V形坡口。

不銹鋼復合管坡口應采用機械方式切割。機械方法不適用時，可采用等離子切割，切割后應去除表面氧化皮、熔渣及影響焊接質量的表面層，且去掉的表面層厚度不小于5 mm。

本工藝在管端進行堆焊預處理，目的是保證內襯鋼管焊縫接頭的力學性能及耐蝕性能，管端堆焊形式如圖1（a）所示，堆焊的工藝參數分別為：半自動TIG焊接，焊絲ERNiCrMo-3，焊接電流90～100 A， 焊接電壓 20 V， 焊速 50～60 mm/min，保護氣99.99%Ar，堆焊最厚段約4～6 mm，長度約6～8 mm，截面成三角形。待堆焊完成后，對管端進行坡口加工處理，加工形式如圖1（b)所示，最終現場對焊如圖1（c)所示。采用管端堆焊預處理既可避免不銹鋼和碳鋼過渡層之間元素擴散，保證了焊接接頭的力學性能和耐蝕性能，還可減少現場焊接時間。

圖1 坡口示意圖

1.4 對接焊工藝參數

打底焊時，焊接熱輸入量不能過大，過大會影響焊接接頭的沖擊韌性。為了防止熱輸入過大，打底焊接時在保證焊透和熔合良好的條件下，采用內外氬氣保護、小電流和短電弧的焊接工藝，并控制層間溫度，焊層厚度宜為2～2.5 mm。

過渡層焊接時，為防止氧化，管內外必須繼續(xù)進行充氬保護，但要增大熱輸入量，有效地減少或杜絕弧坑裂紋的出現。焊層厚度宜為3 mm，必須在打底焊堆焊層上熔合0.5～1 mm，在基層堆焊層上熔合2～2.5 mm。

填充焊接時，管內繼續(xù)充氬氣保護，但氣量可以適當減少，管外的氣量可以不變，采用多層多道焊，熱輸入量可以加大。

蓋面焊接時，管內外仍需充氬氣保護，熱輸入量要適當減少，保證最終焊縫成形沒有缺陷。本焊接試驗采用的焊接工藝參數見表3。

表3 對接焊焊接工藝參數

2 試驗結果及分析

2.1 外觀檢測及力學性能

根據焊接接頭檢測標準，首先進行焊縫外觀檢測，焊縫外余高為3 mm，內部余高為2 mm，焊縫表面成規(guī)則的魚鱗狀波紋，沒有咬邊、裂紋和氣孔等。按JB/T 4730.2-2005《承壓設備無損檢測》進行射線探傷檢測，結果為I級合格。

拉伸試驗根據GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》進行測試，試驗結果見表4。可以看出，焊接接頭抗拉強度值均在535～550 MPa，強度值都介于L360QS鋼和316L奧氏體不銹鋼的強度值之間。拉伸試驗的斷口均遠離熔合區(qū)，這說明焊接接頭基本上屬于等強度匹配接頭，從強度角度講，熔合區(qū)的組織和性能還是合格的，并非薄弱環(huán)節(jié)，即采用本焊接工藝焊接的焊接接頭拉伸性能滿足設計要求。

表4 焊接接頭拉伸試驗結果

夏比沖擊試驗的試樣是縱向截取，試樣規(guī)格10 mm×5 mm×55 mm，試驗溫度20℃，缺口類型KV8，具體試驗結果見表5。通過表5可以看出，本試驗的沖擊功實測值均大于標準要求值，表現出整個焊接接頭良好的沖擊韌性。這是因為焊接熱輸入較小和冷卻速度較快可以控制焊縫晶粒的長大，焊縫中大量的Ni等合金元素也起到增加韌性的作用。

表5 夏比沖擊試驗結果

2.2 硬度

對不銹鋼復合管的環(huán)焊縫接頭進行了硬度分析，硬度測試位置如圖2所示，沿焊縫中心線的硬度分布如圖3所示。

圖2 焊縫硬度測試位置示意圖

從圖3（a）中可看出，基管L360QS硬度約為170HV10左右，熱影響區(qū)硬度值的趨勢是越接近熔合線硬度值越大，其中間值為185HV10，到熔合線時硬度達到230HV10左右，主要是由于C的擴散和合金元素的稀釋，造成硬度偏高。焊縫中心硬度在220HV10左右，此區(qū)域元素擴散減少，硬度值低于熔合線。

圖3 焊接接頭維氏硬度分布

從圖3（b）可以看出，內襯層316L的硬度值在195HV10左右，焊縫硬度值在240HV10左右。其熱影響區(qū)位置在預制堆焊層，硬度值基本未發(fā)生明顯變化，與焊縫區(qū)一致，說明焊縫區(qū)元素成分、組織等與堆焊層相似。堆焊層起到緩沖作用，防止了316L中元素的稀釋。

內襯層316L和基層L360QS的焊縫硬度差異不大，均在240HV10左右，說明整個焊縫中沒有淬硬組織，也充分說明了預制堆焊層起到了保護作用，避免了在復合鋼管過渡層焊接時由于熱膨脹和冷收縮速度的差異，導致過渡層出現熱裂紋或結晶裂紋以及基層材質對焊縫金屬成分的稀釋導致的裂紋[5-10]。

2.3 焊縫晶間腐蝕及SCC試驗

試驗按照GB/T 4334-2008《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》和ASTM A262-2010《奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感性的檢測規(guī)程》取3個接頭試樣進行24 h的晶間腐蝕試驗。

試樣從腐蝕溶液中取出后，將3個試樣分別進行彎曲試驗，彎曲后的試樣在10倍放大鏡下觀察，3個試樣外表面均無晶間腐蝕而產生的裂紋。這充分說明焊接接頭不會發(fā)生晶間腐蝕，主要是由于焊縫中含有大量的Ni和Cr等元素，有效地防止了晶間腐蝕的發(fā)生。

SCC試驗依據NACE TM0177-2005《應力腐蝕測試》和ISO 7539-2《金屬和合金的腐蝕-應力腐蝕試驗第2部分：彎曲梁試樣的制備和使用》，采用高溫高壓釜，具體腐蝕環(huán)境見表6和表7。經過720 h腐蝕試驗，清洗樣品后發(fā)現3個試樣均未斷裂，放大10倍觀察試樣受拉伸面未見裂紋。

表6 SCC試驗溶液組成

表7 SCC試驗環(huán)境組成

3 結論

（1）采用TIG堆焊預處理+氬氣保護TIG對焊工藝獲得的焊接接頭性能評價結果表明：接頭滿足外觀檢查和無損檢測要求；拉伸性能及沖擊韌性滿足相關標準的力學性能要求，接頭處硬度與母材過渡平緩，尤其是堆焊預處理后的內襯316L鋼管，其熔合區(qū)和HAZ區(qū)硬度較?。缓附咏宇^具有較好的耐晶間腐蝕及抗SCC開裂性能。

（2）在復合鋼管管端預制堆焊一層ERNiCr-Mo-3焊材，可以有效地防止在焊接不銹鋼復合鋼過渡層時，由于熱膨脹和冷收縮速度的差異等原因導致裂紋的產生；防止過渡層金屬中合金元素被碳鋼稀釋，對過渡層起到了良好的隔離作用。

[1]於方，秦建平.雙金屬管在管道輸送中的應用[J].鋼管,2000,29(01):34-36.

[2]梁根生，顏超，楊剛，等.雅克拉凝析氣田單井集輸管道抗腐蝕材質優(yōu)選[J].腐蝕與防護,2011,32(09)：73-75，78.

[3]許愛華,院振剛,楊光,等.雙金屬復合管的施工焊接技術[J].天然氣與石油,2010,28（06）：22-28.

[4]周松，曾為民，胡雯，等.16MnR+316L復合鋼板焊接工藝及性能研究[J].化工裝備技術,2009,30(06)：49-50.

[5]呂世雄，王廷，馮吉才.20G/316L雙金屬復合管弧焊接頭組織與性能[J].焊接學報,2009,30(04):93-98.

[6]朱麗霞，何小東，仝珂，等.L360QB/316L復合管電弧焊環(huán)焊縫接頭組織性能研究[J].熱加工工藝,2013,42(05):188-191.

[7]李玉春.海底雙層輸油管道泄漏擴散數值分析[J].科學技術與工程，2013(01)：172-175.

[8]范兆廷，張勝濤，殷林亮，等.316L-20G雙金屬復合管焊縫組織元素擴散分析[J].重慶大學學報，2012(11)：102-106.

[9]錢樂中.油氣輸送用耐腐蝕雙金屬復合管[J].特殊鋼，2007(04)：48-50.

[10]李春強.冶金復合雙金屬管界面力學性能研究[D].邯鄲：河北工程大學，2012.