蒙乃爾合金焊接技術(shù)在海上油田鋼構(gòu)件防腐中的應(yīng)用

楊尚玉，楊炳發(fā)，王培永，徐玉強，龐成禮，劉繼穎

海洋石油工程股份有限公司，天津 300462

根據(jù)海洋環(huán)境條件、腐蝕特點和平均腐蝕率的不同，鋼結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中可分為五大腐蝕區(qū)：海洋大氣區(qū)、海水飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)，其中海水飛濺區(qū)對鋼構(gòu)件的腐蝕最為嚴(yán)重[1-2].這是由于在飛濺區(qū)氧最充分，氧的去極化作用促進了鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕，同時，浪花對保護膜的沖擊破壞也使腐蝕加速.對位于該部位的構(gòu)件的防腐一般采用加重防腐涂層及有機覆蓋層等措施，在某海上油田開發(fā)項目中，由于對導(dǎo)管架在海水飛濺區(qū)的腐蝕控制要求較為嚴(yán)格，采用了蒙乃爾合金(Monel 400)包裹的方式進行防腐，為碳鋼構(gòu)件在海水飛濺區(qū)的防腐提供了一種新的解決途徑.

Monel 400合金是一種Ni-Cu合金.此合金在氫氟酸和氟氣介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐蝕性，對熱濃堿液也有優(yōu)良的耐蝕性.同時還耐中性溶液、水、海水、大氣、有機化合物等的腐蝕.該合金的一個重要特征是一般不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，切削性能良好.Monel 400合金在ASME Ⅸ《焊接和釬焊工藝，焊工、釬焊工、焊接和釬焊操作工評定標(biāo)準(zhǔn)》中的材料UNS編號為N04400，板材標(biāo)準(zhǔn)號為SB127，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1和表2.

表1 Monel 400板材的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition for Monel 400 plate

表2 Monel 400板材的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties for Monel 400 plate

1 Monel 400的焊接性

Monel 400合金對雜質(zhì)敏感性大，焊縫易出現(xiàn)針狀氣孔、裂紋、夾渣及脆性共晶體.由于Monel 400的合金化元素較多，在焊接熔池狀態(tài)下的液態(tài)金屬十分粘稠，流動性差，不恰當(dāng)?shù)牟僮鲿?dǎo)致咬邊和夾渣，焊接1.6～3.0 mm的薄板時，其焊縫易出現(xiàn)局部過熱，使焊縫呈藍色或深藍色.另外，與不銹鋼或碳鋼不同的是，Monel合金焊材只能形成淺熔深，這些熔融的鎳合金材料在熔池表面向四周輻射的特性稱為“馬拉貢尼效應(yīng)”.因此，在焊接Monel 400套筒的過程中，應(yīng)制定合理的焊工工藝，確保焊接接頭的牢固性和致密性，同時避免溫度過高對焊接接頭的影響，以提高整個套筒的耐蝕性能.

2 接頭設(shè)計及焊接工藝

該項目中的導(dǎo)管架需要在海水濺射區(qū)包裹Monel 400薄板的面積約為230 m2.在實際的施工過程中，不僅涉及到Monel 400合金套筒之間的焊接，還涉及到在套筒上下兩端的Monel 400合金板材與碳鋼的焊接，為了保證焊接質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)不同的構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計適宜的接頭形式及焊接工藝.

2.1 拉筋套筒的接頭形式

拉筋構(gòu)件的結(jié)構(gòu)簡單，為保證焊縫質(zhì)量，包裹的Monel合金套筒之間(包括環(huán)縫和縱縫)以及套筒與兩端碳鋼之間均采用搭接接頭，其中套筒之間的搭接量至少應(yīng)有25 mm，為密封角焊縫.

2.2 導(dǎo)管架套筒接頭形式

相對于拉筋，導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)略為復(fù)雜.由于過渡段以及與拉筋焊接節(jié)點的存在，給現(xiàn)場施工帶來了一定的困難.考慮到貼合強度和貼合緊密程度的要求，過渡段的環(huán)縫采用對接接頭，在專用車間內(nèi)預(yù)制完成，其余焊縫采用搭接接頭.

2.3 焊接工藝

在施工過程中，套筒在專用車間進行板材的下料、卷制和預(yù)制，然后運輸?shù)浆F(xiàn)場進行組對和焊接.由于采用的是厚度僅為3 mm的Monel 400合金薄板且包裹面積不大，并考慮到該焊接接頭宜在惰性氣體保護氣氛以及采用較小的焊接熱輸入進行焊接，最終確定采用手工鎢極氬弧焊(GTAW)進行焊接.

3 焊接設(shè)備及工藝評定

3.1 焊接設(shè)備

GTAW采用的焊機為唐山松下產(chǎn)業(yè)機器有限公司生產(chǎn)的YE-300WP5HGE/G焊機，鎢極直徑為2.0 mm，配備了自動鎢極打磨機，用于焊前對鎢極的打磨.

3.2 焊接材料

焊接Monel 400合金的焊絲為ERNiCu-7，焊接Monel 400合金與碳鋼的焊絲為ERNi-1，兩種焊絲的化學(xué)成分列于表3.保護氣體為氬氣，純度為99.99%.

表3 ERNiCu-7和ERNi-1焊絲的化學(xué)成分Table 3 Chemical composition for ERNiCu-7 and ERNi-1 wire

3.3 焊接工藝評定試驗

焊接工藝評定試驗的標(biāo)準(zhǔn)為ASME Ⅸ，共進行了兩組實驗.其中一組用于評定Monel 400板材的對接，試驗板材厚度為3 mm，焊接示意圖如圖1(a)所示；另一組用于評定Monel 400與碳鋼的搭接，試驗板材厚度分別為3 mm和16 mm，焊接示意圖如圖1(b)所示.

焊前應(yīng)對坡口及其兩側(cè)25 mm范圍內(nèi)進行打磨清除氧化物，隨后用丙酮清洗.同時用丙酮對每根焊絲的表面進行清洗，去除標(biāo)識墨跡等污物.

在對接接頭的背部貼附半圓形槽子，四周用錫紙密封，提前充氬氣(如無法保證背部有氬氣保護，應(yīng)背部打磨清根).

焊前不需預(yù)熱，層間溫度不宜高于100 ℃，電弧極性為直流正接，焊接參數(shù)列于表4.

單位：mm

接頭形式焊接層次焊絲牌號直徑/mm電壓/V電流/A氬氣流量/(L·min-1)正面保護背面保護熱輸入/(kJ·mm-1)對接打底ERNiCu-71.69～1265～8512～15150.5～1.2填充ERNiCu-71.69～1380～11012～15150.5～1.0搭接/ERNi-11.610～12130～17015～20/0.8～2.0

3.4 焊縫檢驗及結(jié)果

焊縫外觀檢驗合格后，先按照ASME Ⅴ規(guī)范進行滲透探傷(PT)，再按ASME Ⅸ規(guī)范中相關(guān)章節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)進行力學(xué)性能檢驗.

將搭接接頭五等分取樣后，分別進行機加工，對五個樣品的橫斷面進行宏觀和金相觀察的結(jié)果表明，接頭的根部焊透，焊縫中未見氣孔、未熔合及裂紋等缺陷，檢驗合格.對接接頭的抗拉強度為545 MPa和546 MPa,彎曲試驗件的測試面無任何缺陷.試驗結(jié)果表明，其力學(xué)性能符合ASME Ⅸ規(guī)范，檢驗結(jié)果合格.

4 結(jié) 論

(1)采用包裹蒙乃爾合金(Monel 400)套筒的防腐技術(shù)對海上油田導(dǎo)管架的海水濺射區(qū)域進行防腐，是一種有效可行的技術(shù)方案.

(2)從材料特性和現(xiàn)場施工條件確定了適宜的套筒焊接接頭形式，采用GTAW焊接Monel 400套筒，檢測結(jié)果表明，焊縫的質(zhì)量和力學(xué)性能均符合ASTM IX規(guī)范的要求.

參考文獻：

[1] 王鈺. 勝利海上油田鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護技術(shù)分析[J]. 腐蝕與防護, 2004, 25(7): 311-314.

[2] 趙琪慧. 海上平臺腐蝕與涂裝設(shè)計[J]. 中國涂料, 2005, 20(6): 40-42.