鎳鐵合金復(fù)合管氣體保護(hù)焊工藝研究

胡 偉 高永杰

中國(guó)石油天然氣第七建設(shè)公司 山東膠州 266300

隨著全球能源開采領(lǐng)域向海洋深處或高含H2S CO2 CL-等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)油氣田延伸，應(yīng)用雙金屬?gòu)?fù)合管可有效解決單一金屬材料的工程腐蝕問題，發(fā)揮其在苛刻腐蝕介質(zhì)環(huán)境下的“安全、經(jīng)濟(jì)”優(yōu)勢(shì)，如我國(guó)海洋油氣工程、新疆牙哈氣田工程、迪那氣田工程及四川達(dá)州普光氣田工程近年均開始應(yīng)用鎳合金復(fù)合管。雙金屬?gòu)?fù)合管將在日益成熟的工程材料研發(fā)技術(shù)下廣泛推廣。研究鎳合金復(fù)合管氣體保護(hù)焊技術(shù)，對(duì)提高焊接自動(dòng)化水平和施工生產(chǎn)效率具有積極意義。

1 材料焊接性

試驗(yàn)用鎳鐵合金復(fù)合管（L360QS+ N08825）規(guī)格為273 mm×(7.1+3)mm，基層L360QS 鋼屬低微合金調(diào)質(zhì)抗酸鋼，具有高強(qiáng)度、高韌性、抗脆斷及抗低濃度H2S 腐蝕的能力；內(nèi)復(fù)3mm 厚N08825 合金層采用離心鑄造和擠壓工藝成型，具有優(yōu)于一般不銹鋼的高溫抗氧化性能和抗腐蝕性能，主要功能是隔離腐蝕介質(zhì)對(duì)管道的破壞，設(shè)計(jì)安全服役期內(nèi)保證管道功能的完好性。L360QS+ N08825 冶金復(fù)合管理論化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

基層L360QS 材料溫度敏感性強(qiáng)，焊接易產(chǎn)生延遲裂紋，焊前預(yù)熱、層間溫控、消氫熱處理和消應(yīng)力熱處理工藝要求嚴(yán)格。N08825 屬Ni- Fe- Cr 系耐蝕合金，室溫組織為奧氏體，材料20～100℃線脹系數(shù)接近于奧氏體不銹鋼，約是碳鋼的1.2 倍，導(dǎo)熱性較鋼材差（導(dǎo)熱率約為碳鋼的1/ 4、不銹鋼的1/ 2）。因?yàn)閺?fù)合管管徑及構(gòu)造特殊性的限制，普遍采用單面焊雙面成型的施焊工藝，依次完成耐蝕層、過渡層和基層的焊縫金屬填充。結(jié)晶裂紋、合金氧化、過熱區(qū)晶粒粗大、晶間腐蝕、點(diǎn)蝕是焊接主要問題，尤其是過渡層的鐵、碳及其他有害元素的擴(kuò)散，將提高根焊層晶間腐蝕和點(diǎn)蝕幾率，降低焊接接頭有效耐蝕厚度，縮短工程材料安全服役壽命。

2 焊接工藝設(shè)計(jì)

2.1 焊接方法

表1 L360QS+N08825冶金復(fù)合管理論化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

表2 L360QS+N08825冶金復(fù)合管力學(xué)性能

表3 焊接保護(hù)氣特性

利用氣體作為電弧介質(zhì)并保護(hù)焊接區(qū)域的氣體保護(hù)焊具有電弧和熔池可見性好、焊接效率高的優(yōu)點(diǎn)。雖然鎢極惰性氣體保護(hù)焊和熔化極氣體保護(hù)焊都能進(jìn)行薄壁構(gòu)件的焊接（焊接厚度1mm 材料），但根據(jù)復(fù)合管施焊次序及鎳合金材料焊接線能量輸入要求，焊接接頭根部及熱焊（過渡）層采用操控簡(jiǎn)單、熱輸入小，且高頻引弧及電流衰減收弧技術(shù)成熟的鎢極氬弧焊（TIG），以保證焊縫金屬的優(yōu)良質(zhì)量和性能；基層坡口的填充及蓋面采用生產(chǎn)效率高的熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）。

2.2 焊接保護(hù)氣

保護(hù)氣類型對(duì)焊接接頭質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。根據(jù)材料焊接特點(diǎn)、焊絲種類及焊接電源特性的不同，保護(hù)氣劃分為單一組分保護(hù)氣和混和保護(hù)氣兩類。單一組分保護(hù)氣主要包括氦氣、氬氣、二氧化碳，焊接過程發(fā)揮惰性或活性的保護(hù)作用；混和保護(hù)氣是對(duì)氬氣、氦氣、氧氣、氫氣、CO2等氣體進(jìn)行不同摩爾數(shù)的組合，焊接過程發(fā)揮從屬氣體的活性或還原性作用。各種焊接保護(hù)氣特性見表3。

鎳鐵合金材料與奧氏體不銹鋼具有相近的焊接特性，但適合奧氏體不銹鋼焊接用的活性氣體保護(hù)焊工藝不能用于鎳鐵合金材料，原因是：氧化性氣體燒損大量合金元素，降低焊接接頭性能；鎳合金熔池的氧化物降低液態(tài)金屬的流動(dòng)性和浸潤(rùn)性；二氧化碳?xì)怏w導(dǎo)致焊縫中碳原子含量增加，生成Cr23C6化合物；高熔點(diǎn)氧化物電位高，易導(dǎo)致原電池反應(yīng)的點(diǎn)蝕發(fā)生；鎳合金液態(tài)熔池金屬流動(dòng)性差，藥芯焊絲適用性差。因此，鎳鐵合金材料不宜采用氧化性氣體作為焊接保護(hù)氣。

2.2.1 氬氣

氬氣高溫不發(fā)生分解或吸熱物理反應(yīng)，焊接電弧穩(wěn)定，弧柱電位梯度低，利于鎳合金焊接采用脈沖弧焊電源。氬氣可有效隔離空氣，保護(hù)材料合金元素在焊接高溫下不被氧化或燒損，且促使熔化極氣保焊絲金屬呈穩(wěn)定的軸向射流方式過渡。氬氣難溶于液態(tài)金屬，不產(chǎn)生氣孔缺陷。

2.2.2 氦氣

相同電弧長(zhǎng)度下，氦氣的電弧電壓和電弧溫度均高于氬氣，據(jù)資料介紹，鎢極氦弧焊速度高于鎢極氬弧焊近兩倍。氦氣密度相對(duì)氬氣小，純氦保護(hù)氣下的焊接電弧不穩(wěn)定（不適于脈沖電源），并生成大量飛濺物。利用氦氣可具有提高電弧電壓及高溫收縮的特性，在氬氣中混合10～15%的氦氣制取具有優(yōu)點(diǎn)共存的惰性保護(hù)氣，較好改善液態(tài)金屬浸潤(rùn)性和邊緣熔合不良的狀況，通過降低焊絲直徑或采用脈沖電源，可進(jìn)一步提高鎳合金焊絲的操控性，但價(jià)格昂貴的混氦惰性氣體，需要綜合考慮施工成本及氣體來源的便捷性。

2.2.3 氮?dú)?/p>

來源廣泛且具有惰性氣體特質(zhì)的氮?dú)庀鄬?duì)氬氣成本更低，其可以作為奧氏體管材焊接背部保護(hù)氣。氮會(huì)降低Cr 在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)，阻礙碳化物形核及長(zhǎng)大，從而提高晶界的鉻濃度。采取氮?dú)獗巢勘Ｗo(hù)的鎳鐵合金焊接接頭的外觀檢查、RT 檢測(cè)、理化試驗(yàn)及腐蝕試驗(yàn)結(jié)論均能符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。氧氣密度大于氮?dú)猓焦艿篮缚陔p點(diǎn)（10 點(diǎn)和2 點(diǎn)）同步排氣法較高點(diǎn)（12點(diǎn)）排氣法更能利用氮?dú)獾奈锢硖匦詫⒀鯕庵脫Q干凈，垂直管道焊口的背部保護(hù)氣則應(yīng)選擇惰性氣體。

2.2.4 氫氣

氫氣能與熔池中的氧化鎳發(fā)生反應(yīng)：NIO+2H→NI+H2O↑，作為背部保護(hù)氣可使根焊道內(nèi)表面色澤明亮。氫氣具有提高電弧電壓、熱功率及高溫收縮的特性，氬氣中混和2～5%的氫氣可增加焊縫金屬熔深和熔寬尺寸，國(guó)內(nèi)核電工程的鎳合金材料焊接較多應(yīng)用。氫在面心立方晶格奧氏體鋼的溶解度大于體心立方晶格鐵素體+ 珠光體鋼的溶解度，所以，混氫保護(hù)氣僅適用奧氏體材料或鎳鐵合金根焊焊槍保護(hù)或根焊背部保護(hù)，基層材料焊接嚴(yán)禁采用混氫保護(hù)氣，避免鐵素體鋼出現(xiàn)氫脆危害。鎳合金由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變過程，H2溶解度大大降低，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，氫氣的存在可抑制CO 氣孔的生成，含量大于5%的混合保護(hù)氣容易引起焊縫氣孔。

2.3 焊接材料

根據(jù)異種鋼焊接工藝規(guī)程及設(shè)計(jì)文件要求，焊接接頭全部選用熔敷金屬具有優(yōu)良焊接工藝性和綜合機(jī)械性能的ERNi-CrMo- 3 焊絲（化學(xué)成分代號(hào)NiCr22Mo9Nb）。焊材理論化學(xué)成分及力學(xué)性能見表4。

表4 ERNiCrMo-3焊絲理論化學(xué)成分及力學(xué)性能

如果非海洋工程應(yīng)用，異種鋼焊接接頭的電位差點(diǎn)蝕問題不需考慮。所以氣田工程選擇ERNiCrMo- 3 實(shí)心焊絲具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 熔敷金屬塑性良好，可消減鎳鐵復(fù)合管基層和復(fù)層材料因線脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的焊接應(yīng)力；

(2) 鐵、碳元素含量低，可提高復(fù)層焊接接頭抗晶間腐蝕和點(diǎn)蝕能力；

(3) 有益合金元素高含量，較好解決基層MIG 焊高熱輸入的合金元素?zé)龘p和稀釋問題；

(4) 替代基層材料焊后熱處理方案，避免復(fù)層焊縫金屬在低敏化溫度區(qū)間晶界析出Cr23C6化合物；

(5) 無需考慮鎳合金高粘度熔池的脫渣問題。

2.4 焊接坡口

鎳合金材料焊接熔深一般只有低碳鋼的50%左右，奧氏體鋼的60%左右，純材管通常采用大角度V 型坡口保證焊縫金屬熔透，而鎳鐵合金復(fù)合管焊接關(guān)鍵是保證焊接接頭質(zhì)量，嚴(yán)格防止基層鐵碳元素向根焊層金屬擴(kuò)散，所以設(shè)計(jì)的J 型坡口根部為鴨舌狀，基層為20°窄V 型結(jié)構(gòu)，無間隙組對(duì)。J 型坡口結(jié)構(gòu)及焊接順序見圖1。

圖1 J型坡口結(jié)構(gòu)及焊接順序

精度要求高的復(fù)合管J 型坡口可一次機(jī)加工成型，通過驗(yàn)證具有以下優(yōu)點(diǎn)：底部鴨舌狀結(jié)構(gòu)保證根部焊透且耐蝕層厚度最大化；根焊加強(qiáng)高與鴨舌坡口形成的大夾角結(jié)構(gòu)保證熱焊熔透；過渡層圓弧結(jié)構(gòu)便于根焊操作及根焊縫質(zhì)量目視檢查；基坡口利于焊縫金屬側(cè)熔及減少熔敷金屬填充量；無間隙組對(duì)作業(yè)效率高，背部保護(hù)氣對(duì)液態(tài)熔池成型影響小。

2.5 焊接參數(shù)

鎳鐵合金與奧氏體不銹鋼焊接工藝要求相近，但鎳基合金熔池表現(xiàn)為更差的浸潤(rùn)性和流動(dòng)性，熔融金屬馬拉貢尼特性導(dǎo)致的淺熔深還不能通過提高焊接電流的方式改善，因?yàn)楦邿彷斎雽?dǎo)致過度偏析、碳化物沉淀或其他有害冶金現(xiàn)象發(fā)生，更容易引起熱裂紋或降低耐蝕性。嚴(yán)格控制焊接過程的雜質(zhì)來源，采用“小規(guī)范、單道快速焊”的技巧控制焊接層間溫度，防止基層鐵碳元素?cái)U(kuò)散及合金元素氧化的措施可有效提高焊接接頭質(zhì)量，杜絕內(nèi)復(fù)層焊接接頭晶間腐蝕和點(diǎn)蝕發(fā)生。

表5 焊評(píng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

3 焊評(píng)試驗(yàn)及缺陷控制

通過大量試件制取、試驗(yàn)及工藝改進(jìn)，有效解決鎳基復(fù)合管焊接過程中明顯的晶間腐蝕、點(diǎn)蝕、裂紋，氧化及氣孔等問題，按工藝制取的焊評(píng)試樣通過設(shè)計(jì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，焊評(píng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見表5。

3.1 氣孔

鎳合金在液態(tài)下大量溶解氧、氫、CO 等氣體，鎳合金由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的溶解度下降和熔池速凝是氣孔產(chǎn)生的主要原因。

應(yīng)對(duì)措施：焊前清凈坡口內(nèi)外兩側(cè)50mm 范圍內(nèi)的油垢、油漆、水分等；焊接環(huán)境風(fēng)速大于2m/ s 時(shí)加設(shè)防風(fēng)措施；禁止在濕度大于80%的環(huán)境下施焊；溫度低于0℃的母材坡口兩側(cè)100mm 區(qū)域加熱至15～20℃；氬氣體純度不低于99.99%，含水率小于0.005%；采用聚乙烯塑料管替代橡膠管輸送保護(hù)氣。

3.2 未熔合

鎳合金熔池具有“浸潤(rùn)性差、流動(dòng)性差、熔深淺”的特點(diǎn)，采用小焊接規(guī)范作業(yè)易形成熔合不良缺欠。

應(yīng)對(duì)措施：采用脈沖電源增加焊縫熔深及電弧挺度；延長(zhǎng)焊縫邊緣電弧停留時(shí)間；采用較細(xì)焊絲提高焊接操控性；適當(dāng)增加坡口角度；焊工崗前培訓(xùn)，提高技能水平。

3.3 結(jié)晶裂紋

鎳合金固態(tài)為單項(xiàng)奧氏體組織，有害雜質(zhì)鉛、硫、磷、鋅和某些低熔點(diǎn)元素生成低熔點(diǎn)共晶物，焊縫或熱影響區(qū)在焊接應(yīng)力和溫度作用下導(dǎo)致開裂。應(yīng)對(duì)措施：焊前清除坡口及其附近的油污、油漆等雜質(zhì)；嚴(yán)格控制焊材有害元素含量；嚴(yán)格控制焊接現(xiàn)能量及層間溫度；采用小電流快速焊方式減少焊接熱輸入；管道無應(yīng)力組對(duì)；清潔空氣中的金屬粉塵。

3.4 耐蝕失效

根焊縫高電位合金氧化物、沉淀碳化物及熱焊金屬稀釋等因素均導(dǎo)致根焊金屬抗點(diǎn)蝕、晶間腐蝕能力和時(shí)效下降。

應(yīng)對(duì)措施：嚴(yán)格焊接工藝紀(jì)律，杜絕基層鐵碳元素過渡到根焊金屬層；與焊縫接觸的作業(yè)工具為奧氏體不銹鋼材質(zhì)；焊接環(huán)境、倉儲(chǔ)環(huán)境做好防鐵碳污染措施；機(jī)械法清除焊縫層間氧化物及焊槍端部氧化焊絲；采用高純度焊接保護(hù)氣，背部保護(hù)氣在熱焊后方可停氣；熱焊采用小電流、淺熔深、快速單道焊方式完成；管道內(nèi)壁錯(cuò)變量控制在0.25mm 以內(nèi)；根焊及熱焊盡可能采用熱絲TIG 工藝；控制鎳合金材料及焊材的含碳量；超標(biāo)根焊縫缺陷采取割口方式返修。

3.5 焊縫氧化

試驗(yàn)證明，層間溫度大于110℃、保護(hù)氣體純度低于99.99%或背氣氧含量超過500ppm，焊縫表面氧化變色或渣化，同時(shí)力學(xué)性能可能變差。

應(yīng)對(duì)措施:采取提前送氣、滯時(shí)停氣的保護(hù)措施；焊槍噴嘴后側(cè)輔加保護(hù)氣體拖罩；采用經(jīng)驗(yàn)證的高純度保護(hù)氣；控制背部保護(hù)氣氧量不大于300ppm；做好施焊環(huán)境的防風(fēng)措施；根焊及熱焊層厚度合計(jì)大于6mm，方可撤除背氬保護(hù)。

4 結(jié)束語

復(fù)合管基層和復(fù)層材料屬于異種金屬，焊接接頭既要保證內(nèi)復(fù)層焊縫耐蝕性，又要保證基層焊縫力學(xué)性能，相比單一材質(zhì)管線焊接施工難度大的主要原因是我國(guó)雙金屬?gòu)?fù)合管產(chǎn)品應(yīng)用較晚，施工單位接觸復(fù)合管焊接時(shí)間短、數(shù)量少、經(jīng)驗(yàn)缺，導(dǎo)致施工速度慢、焊縫合格率低的問題突出。通過焊接實(shí)踐證明，鎳基復(fù)合管采用氣保焊工藝具有電弧在保護(hù)氣壓縮下熱量集中、影響區(qū)窄、焊接效率高、焊接材料節(jié)省且利于焊接自動(dòng)化技術(shù)推廣的優(yōu)點(diǎn)，隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，雙金屬?gòu)?fù)合管將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，氣保焊接技術(shù)將不是復(fù)合管施工技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

1 SH/ T3611- 2012 酸性環(huán)境可燃流體輸送管道焊接規(guī)程：8～11.

2 SH/ T3523- 2009 石油化工鉻鎳不銹鋼、鐵鎳合金和鎳合金焊接規(guī)程：6～8.

3 不銹鋼焊接冶金（德）埃里希。?？斯拢?5～30.

4 李超等，鎳及鎳合金耐腐蝕性分析及應(yīng)用.1003- 3467（2011）14/ 16- 0018- 04.

5 吳偉,陳佩寅,張銳.鎳基焊接材料高溫失塑裂紋的研究現(xiàn)狀及研究趨勢(shì)[J].焊接,2005(5):5～8.

6 鄭光明等，國(guó)外復(fù)合管的制造和施工技術(shù)（1）國(guó)外油田工程，2001（1）：24～25.