鎳基合金625+X65復(fù)合管的焊接性和焊接工藝研究

周葉平，張凱峰

（1.云浮市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，廣東 云浮527300；2.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳518067）

鎳基合金625+X65復(fù)合管的焊接性和焊接工藝研究

周葉平1，張凱峰2

（1.云浮市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，廣東 云浮527300；2.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳518067）

針對(duì)鎳基合金625+X65復(fù)合管的鎳基合金625與X65低合金鋼的化學(xué)成分及物理性能差異較大，導(dǎo)致該復(fù)合管焊接時(shí)易產(chǎn)生熱裂紋的問(wèn)題，通過(guò)焊接試驗(yàn)和焊縫防腐蝕試驗(yàn)對(duì)鎳基合金625+X65復(fù)合管的焊接性及焊縫防腐蝕性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，采用適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)、選擇正確的焊接方法和焊材能夠獲得性能良好的復(fù)合管焊縫，且焊縫表面成形良好，力學(xué)性能和抗腐蝕性能均能滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

焊管；鎳基合金625+X65復(fù)合管；焊接性；焊接工藝

普通的輸油輸氣管線的材質(zhì)大多為API SPEC 5L X65或X70。一般從海底開(kāi)采的石油或天然氣大多含有腐蝕介質(zhì)。普通海洋管外部涂有防腐油漆，可以阻止海水對(duì)管線的腐蝕；管線內(nèi)部未涂覆防腐層，雖然可長(zhǎng)期在低腐蝕介質(zhì)環(huán)境下服役，但如果輸送介質(zhì)的腐蝕性較強(qiáng)，普通管線就容易被侵蝕，從而大大降低管線的服役壽命，而且后期更換和維護(hù)管線的成本較高。鎳基合金625+X65復(fù)合管由兩層管復(fù)合而成，X65外層與常規(guī)的海洋管相同，保證管線有足夠的力學(xué)性能，鎳基合金625內(nèi)層有較強(qiáng)的耐腐蝕性能。本研究通過(guò)對(duì)鎳基合金625+X65復(fù)合管的焊接性和焊縫耐腐蝕性進(jìn)行研究，為鎳基合金復(fù)合管的焊接提供理論基礎(chǔ)。

1 復(fù)合管焊接性分析

試驗(yàn)用管材是由Wellham堆焊生產(chǎn)的復(fù)合管，內(nèi)層（鎳基合金625）為鎳基耐蝕合金，在室溫下的微觀金相組織為單一奧氏體組織；外層（X65)為低合金鋼，在室溫下的微觀金相組織為針狀鐵素體+珠光體的混合物。試驗(yàn)用復(fù)合管規(guī)格為 φ219 mm×(11.1+3)mm。 鎳基合金 625與X65低合金鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1，其力學(xué)性能和物理性能見(jiàn)表2。

表1 鎳基合金625和X65低合金鋼的化學(xué)成分 %

表2 鎳基合金625和X65低合金鋼的力學(xué)性能和物理性能

從表1和表2可以看出，鎳基合金625與X65低合金鋼的化學(xué)成分差別很大。焊接時(shí)，合理選擇填充金屬是獲得良好焊接接頭的基本要求。由于兩者物理性能(線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù))差異較大，焊接熱量擴(kuò)散不均勻，導(dǎo)致焊縫組織晶粒粗大，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，增加熱裂紋傾向，降低了復(fù)合管內(nèi)層的耐腐蝕性能，故應(yīng)選擇較小線能量輸入的焊接方法。

鎳基合金625焊接時(shí)，由于S和Si等雜質(zhì)在焊縫金屬中偏析，形成低熔點(diǎn)共晶體；這種低熔點(diǎn)共晶體常常匯集在晶界處形成液態(tài)薄膜，焊縫金屬凝固時(shí)在應(yīng)力的作用下形成高溫低塑性裂紋。同時(shí)由于鎳基合金625的導(dǎo)熱性較差，容易造成晶粒粗大，晶間增厚，使得晶間結(jié)合力減弱，促進(jìn)了熱裂紋的產(chǎn)生。

鎳基合金625易于氧化，在焊接過(guò)程中需要做好隔離保護(hù)措施。若被氧化將降低焊接接頭的使用性能，同時(shí)形成難熔的CrOx，使得液態(tài)焊縫金屬的流動(dòng)性變差，嚴(yán)重影響焊縫的成形。

2 復(fù)合管焊接工藝

2.1 焊接方法與材料

采用鎢極氬弧焊(GTAW)，焊接電流極性為DCEN，保護(hù)氣體為氬氣，其純度為99.99%，選用的焊絲為ERNiCrMo-3，直徑為2.4 mm。

2.2 焊接接頭坡口設(shè)計(jì)及焊前處理

焊接接頭坡口設(shè)計(jì)如圖1所示，焊接順序按圖1中所示的1→2→…→進(jìn)行。

圖1 焊接坡口形式及焊接順序

鎳基合金625+X65復(fù)合管的焊接性較差，要想獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，鎳基合金625+X65復(fù)合管的下料及坡口的加工需要采用坡口機(jī)、氣動(dòng)鋸等冷加工機(jī)械進(jìn)行，嚴(yán)禁使用火焰或等離子等切割工藝。然后是對(duì)復(fù)合管的坡口進(jìn)行整形，以?xún)?nèi)徑尺寸為準(zhǔn)，采用內(nèi)芯整圓的方法，使焊接坡口處復(fù)層的橢圓度偏差符合要求。

2.3 焊接中需要注意的事項(xiàng)

由于復(fù)合管的基層和復(fù)合層實(shí)際上只是通過(guò)內(nèi)擠外壓達(dá)到精密接觸，接觸面存在空氣、水分和油污等雜質(zhì)焊接時(shí)，雜質(zhì)受熱會(huì)分解為水蒸氣和CO氣體，在熔池內(nèi)產(chǎn)生大量氣體，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生爆裂破壞熔池。使用鎢極惰性氣體保護(hù)進(jìn)行施焊，焊接時(shí)要用較小的電流且擺幅不宜過(guò)大，電流一般應(yīng)控制在110 A左右，以防止復(fù)合層被燒穿，焊接速度應(yīng)稍快點(diǎn)。為了保證底層焊接質(zhì)量，焊前必須對(duì)管子內(nèi)部、焊縫背面充99.99%的氬氣并保持5min。用氣體氧含量測(cè)試儀從坡口間隙處深入抽取氣體，測(cè)量管子內(nèi)部氧的體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)氧的體積分?jǐn)?shù)低于0.05%時(shí)開(kāi)始施焊，直至焊完第5焊道。

由于復(fù)合層和基層不易熔焊在一起，在組對(duì)前先進(jìn)行封焊。封焊選用熱輸入量小的手工鎢極氬弧焊。由于過(guò)渡層熔敷金屬成分復(fù)雜，為了避免因熱輸入量過(guò)大產(chǎn)生收弧裂紋，填充層和蓋面層均采用鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接。

2.4 焊接工藝參數(shù)

打底層采用單面焊雙面成形焊接工藝，焊接過(guò)程采用多層多道焊，按照?qǐng)D1所示進(jìn)行施焊，具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 焊接工藝參數(shù)

3 復(fù)合管焊接試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 力學(xué)性能

取寬度為20.2 mm，厚度為9.8 mm，面積197.96 mm2的試樣，按照DNV-OS-F101：2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊縫橫向拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，焊縫橫向拉伸試驗(yàn)的斷裂部位均位于母材部位。

表4 焊縫橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

考慮到鎳基合金625+X65復(fù)合管的服役環(huán)境，為檢驗(yàn)焊縫的低溫韌性，對(duì)焊縫和離熔合線不同距離的區(qū)域制作10 mm×10 mm×55 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣，在低溫(－16℃)環(huán)境下進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)。各區(qū)域夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 V形缺口夏比沖擊試驗(yàn)(－16℃)結(jié)果

3.2 抗腐蝕性試驗(yàn)

根據(jù)DNV-OS-F101：2010標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試樣的復(fù)合層進(jìn)行取樣，分別放在60℃的20%HNO3+5%HF混合溶液中5 min，干燥稱(chēng)重后，再置于90gFeCl3·6H2O+900 mL去離子水中，溶液溫度為50℃，浸泡1天，干燥稱(chēng)重后，結(jié)果要求失重率不大于4g/m2。點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，由表6可見(jiàn)，所有試樣的失重率均小于4g/m2，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

（1）由鎳基合金625+X65復(fù)合管的焊接性分析可知：鎳基合金625+X65復(fù)合管的焊接應(yīng)重點(diǎn)注意S和Si等雜質(zhì)對(duì)焊接性能的影響。

（2）焊接試驗(yàn)表明，采用適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)、選擇正確的焊接方法和焊材能夠獲得性能良好的復(fù)合管焊縫，并且表面成形良好，能夠滿(mǎn)足施工要求。

（3）力學(xué)性能試驗(yàn)表明：鎳基合金625+X65復(fù)合管焊縫的力學(xué)性能能夠保證復(fù)合管使用過(guò)程中的強(qiáng)度要求。

（4）鎳基合金625+X65復(fù)合管焊縫的點(diǎn)蝕試驗(yàn)表明：對(duì)復(fù)合管采用鎢極氬弧焊獲得的焊縫具有較好的抗腐蝕性能，滿(mǎn)足服役腐蝕環(huán)境的應(yīng)用需求。

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Research on Weldability and Welding Process of Nickel Base Alloy 625+X65 Clad Pipe

ZHOU Yeping1,ZHANG Kaifeng2
（1.Yunfu Special Equipment Inspection Institute,Yunfu 527300,Guangdong,China;2.CNOOC Engineering Underwater Technology(Shenzhen)Co.,Ltd.,Shenzhen 5180678,Guangdong,China）

The greater difference of chemical composition and physical properties existed in nickel base alloy 625+X65 clad pipe,between nickel base alloy 625 and X65 low alloy steel,it easily caused hot crack in welding.In this article,the weldability and weld corrosion resistance performance were researched through welding test and weld corrosion resistance test.The results indicated that the good weld of clad pipe can be obtained by adopting appropriate welding process parameters,the right welding method and welding materials,the weld surface formation is good,and the mechanical properties and corrosion resistance both can meet requirements of relevant standards.

welded pipe;nickel base alloy 625+X65 clad pipe;weldability;welding process

TG44

B

1001－3938（2015）09-0061-03

周葉平（1985—），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)楹附淤|(zhì)量控制。

2015-04-07

修改稿收稿日期：2015-06-01

羅 剛