雙金屬復(fù)合管成型焊接方式探討及應(yīng)用——采用冶金復(fù)合板材焊接

何小東 ，李記科 ，梁明華 ，朱麗霞

（1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710077；2.國家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，陜西 西安 710077）

流體輸送管道中常因有腐蝕性介質(zhì)導(dǎo)致管道失效，尤其是一些高酸性氣田的地面管線和海底管道腐蝕問題更為嚴(yán)重［1］，需要采用具有耐腐蝕性能的合金管材。雙金屬復(fù)合管既具有合金管的耐腐蝕性能，又具有碳鋼/合金鋼的力學(xué)性能，管材成本卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于合金管，因而在含腐蝕介質(zhì)的流體輸送管道建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用［2-8］。常見的雙金屬復(fù)合管是不銹鋼與碳鋼或低合金鋼的雙金屬復(fù)合管。

通常采用機械復(fù)合和冶金復(fù)合生產(chǎn)雙金屬復(fù)合管［7］。機械復(fù)合主流工藝有：爆燃復(fù)合、液壓膨脹復(fù)合、旋壓或機械擴徑復(fù)合等3種。采用機械復(fù)合生產(chǎn)的雙金屬復(fù)合管，其基體與復(fù)合層之間的黏結(jié)強度和剪切強度較低，基管與襯管之間存在間隙，尤其在高溫下，碳鋼和不銹鋼間膨脹系數(shù)不同以及層間存在氣體，造成內(nèi)覆層失穩(wěn)、鼓泡，當(dāng)襯管出現(xiàn)局部腐蝕，腐蝕介質(zhì)會滲入基管與襯管之間的間隙，加速管道腐蝕，降低管道的安全性。因此，在一些特殊部位，如彎管處、安裝儀表的管段或承受應(yīng)力較大的部位，應(yīng)采用雙金屬冶金復(fù)合管［9］。冶金復(fù)合工藝主要有2種方式：①采用基體鋼管離心鑄造坯+擠壓或離心鑄造坯+擠壓+冷軋制造復(fù)合管；②采用冶金復(fù)合板成型焊接。隨著冶金雙金屬復(fù)合板的成功研制［10］，利用冶金雙金屬復(fù)合板成型焊接制造雙金屬復(fù)合管已得到應(yīng)用。試驗表明：成型焊接不僅可以生產(chǎn)大直徑雙金屬冶金復(fù)合管，而且較大地提高了生產(chǎn)效率，避免了機械復(fù)合管的缺點。以不銹鋼+碳鋼或低合金鋼冶金復(fù)合板為例，介紹幾種常見的雙金屬冶金復(fù)合管成型焊接方式。

1 成型工藝

采用成型焊接方式制造雙金屬冶金復(fù)合管，與其他焊接鋼管制造工藝流程類似，主要由成型和焊接兩個制造工藝過程構(gòu)成，輸送管道用焊接鋼管的成型設(shè)備均可用于雙金屬冶金復(fù)合管成型。

1.1 螺旋縫成型

雙金屬冶金復(fù)合管螺旋成型是采用現(xiàn)有的螺旋縫焊管成型技術(shù)和裝備。其工藝流程如下：①將“爆炸+熱軋”工藝制成的雙金屬復(fù)合板材耐蝕合金面朝上，碳鋼面朝下進行矯直，對板卷表面進行清潔處理；②對板材兩邊加工X型焊接坡口，一般基層面坡口角度為60°~70°，復(fù)層面坡口角度為80°~90°；③將加工有X型焊接坡口的雙金屬復(fù)合板材連續(xù)送入螺旋縫焊管成型機組，使其彎曲成管狀，形成螺旋縫。螺旋縫成型實現(xiàn)了用同一寬度的復(fù)合卷板制造出不同管徑的雙金屬冶金復(fù)合管。

雙金屬冶金復(fù)合管螺旋縫成型焊接推薦采用預(yù)精焊“兩步法”：在復(fù)合板螺旋縫成型時，先用氣體保護焊在基層進行預(yù)焊，之后再進行基層和復(fù)合層的內(nèi)外精焊。該方法可以防止基層碳鋼成分過渡到復(fù)合層，合理的焊接順序可以避免復(fù)合層由于焊接受熱而引起的耐腐蝕性能下降，保證雙金屬冶金復(fù)合管力學(xué)性能和復(fù)合層耐腐蝕性能符合要求。

1.2 UO或JCO成型

雙金屬冶金復(fù)合管的UO或JCO成型采用現(xiàn)有直縫埋弧焊管成型技術(shù)和裝備。其工藝流程如下：下料→刨邊/銑邊→預(yù)彎→UO或JCO成型→合縫預(yù)焊。刨邊或銑邊時，上下定位輥的系統(tǒng)壓力要調(diào)整合適，避免壓力過大造成耐腐蝕復(fù)合層產(chǎn)生壓痕。在預(yù)彎和成型過程中，也要通過調(diào)整壓力控制在變形過程中不傷及耐腐蝕復(fù)合層。

采用UO或JCO成型直縫雙金屬冶金復(fù)合焊管，其工藝簡單。合理的焊接工藝和焊接順序可以保證雙金屬冶金復(fù)合管的力學(xué)性能和復(fù)合層耐腐蝕性能符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，大大降低產(chǎn)品成本。

1.3 連續(xù)輥軋成型

雙金屬冶金復(fù)合管的連續(xù)輥軋成型方式采用普通圓形彎曲成型或借鑒直縫高頻電阻焊管的輥式成型（roll forming）、排輥成型（cage forming）和 FFX成型（flexible forming excellent）等成型方式，將復(fù)合鋼板連續(xù)卷制成圓筒形狀。在成型的同時通常利用高頻電阻焊或感應(yīng)焊完成碳鋼或低合金鋼基體金屬的焊接。其工藝步驟為：①將冶金復(fù)合板或板卷經(jīng)校平、銑邊、輥軋成型形成直縫圓形筒體，再通過高頻電阻焊（HFW）或高頻感應(yīng)焊將基體金屬熔合；②在焊接時，利用刮刀刮除基體毛刺，使HFW焊縫與鄰近母材平齊，并在內(nèi)部用內(nèi)刮刀刮除復(fù)合層毛刺至基管和復(fù)合層界面處，形成復(fù)合層處焊縫溝槽，為復(fù)合層金屬焊接提供條件；③刮除內(nèi)、外毛刺后的復(fù)合管經(jīng)中頻熱處理和飛鋸工序制成單根鋼管；④根據(jù)復(fù)合層材料和厚度，選擇合適的復(fù)合層焊接方法，如鎢極氬弧焊、等離子焊、埋弧焊、熔化極氣體保護焊、帶極電渣堆焊等。

2 焊接方式

雙金屬冶金復(fù)合管的成型需要選擇合適的焊接工藝進行焊接。除碳鋼或低合金鋼基體焊接外，不銹鋼復(fù)合層的焊接方式和工藝選擇是焊接雙金屬復(fù)合管的關(guān)鍵。

2.1 基體焊接

雙金屬冶金復(fù)合管的基體金屬一般為碳鋼或低合金鋼，如Q235B、Q345R、X52~X70等，其焊接方式主要有熔化極氣體保護焊、埋弧焊和高頻電阻焊。不同的焊接方式，其板邊坡口型式不同，一般熔化極氣體保護焊和埋弧焊采用Y型坡口；此外還要選擇合理的坡口角度和鈍邊高度，才能保證焊縫成型和焊接質(zhì)量。

2.2 復(fù)合層焊接

以不銹鋼雙金屬冶金復(fù)合管為例，其復(fù)合層與基體相比較薄，一般為0.5~3.0 mm。不銹鋼的電阻率、線膨脹系數(shù)大，在焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力大，容易出現(xiàn)燒穿和較大的焊接變形。同時，焊接通常會損害不銹鋼復(fù)合層焊縫金屬及熱影響區(qū)的耐腐蝕性，如何減少這種損害是選擇復(fù)合層焊接工藝的首要出發(fā)點。復(fù)合層的焊接要選擇合適的焊接方法，要根據(jù)所采用的焊接方法來選擇合適的坡口型式和焊接順序。復(fù)合層的常見焊接方法主要有：鎢極氬弧焊、等離子焊、埋弧焊、熔化極氣體保護焊、冷金屬過渡焊接（CMT）、帶極電渣堆焊。

（1）鎢極氬弧焊。采用氬氣或氬+氦氣保護的鎢極惰性氣體保護焊是目前焊接不銹鋼最常用的焊接方法。鎢極氬弧焊設(shè)備操作簡單、價格低廉、電弧過程穩(wěn)定，適合于厚度小于3 mm的復(fù)合層焊接。為了保證焊縫的耐蝕性，在復(fù)合層一側(cè)也需要加工Y型坡口，先用熔化極氣體保護焊或埋弧焊在坡口底部的基體金屬上焊接一層不銹鋼焊縫金屬過渡層，再用與復(fù)合層成分一致的填充焊絲進行鎢極氬弧焊自動蓋面焊接。這種不銹鋼復(fù)合層焊縫的化學(xué)成分與母材成分基本相同，焊縫的耐蝕性也接近復(fù)合層。鎢極氬弧焊的焊接效率較低，焊縫焊透深度也較小，可以選擇恰當(dāng)?shù)膰娮?、鎢棒伸長和電弧參數(shù)，利用小孔效應(yīng)實現(xiàn)等離子弧焊。

（2）等離子焊。焊接時，復(fù)合層一側(cè)可以不開坡口一次焊透成型。但是，若復(fù)合管成型合縫間隙或錯邊量過大，達不到等離子弧焊的工藝要求，會造成焊縫不均勻、未填滿、咬邊等缺陷，而且等離子焊接時的小孔效應(yīng)會導(dǎo)致復(fù)合層焊縫成分稀釋而降低耐蝕性能。因此，等離子焊適用于厚度較大的不銹鋼復(fù)合層焊接，并且在復(fù)合層一側(cè)加工V型坡口，先焊一層過渡層，再采用填充焊絲的等離子弧焊進行填充蓋面焊接，可以避免上述缺陷的產(chǎn)生。

（3）埋弧焊和熔化極氣體保護焊。復(fù)合層厚度較大時，可以選擇單絲或雙絲并列自動埋弧焊對不銹鋼復(fù)合層進行焊接，復(fù)合層一側(cè)的坡口角度為80°~90°，甚至更大。填充焊絲的化學(xué)成分應(yīng)與耐腐蝕復(fù)合層基本一致或耐腐蝕元素略高于復(fù)合層的成分，焊縫厚度比復(fù)合層的厚度略厚即可。由于不銹鋼的電阻率較大，為了提高埋弧焊接過程的穩(wěn)定性，焊絲直徑通常稍大一些，但電流不宜過大，以免熱輸入過大降低復(fù)合層的耐蝕性能。一般情況下取焊接電流400～500 A，焊接電壓32～35 V，焊接速度0.7 m/min。熔化極氣體保護焊與埋弧焊類似，焊接的熱輸入大，焊接變形嚴(yán)重，很難完成厚度較小復(fù)合層的焊接。

（4）CMT焊。CMT焊接為較薄的不銹鋼復(fù)合層焊接提供了一種高效可靠的焊接方法［11］。CMT焊接技術(shù)基于短路過渡原理，將焊絲的送絲和回抽運動與熔滴過渡過程進行數(shù)字化協(xié)調(diào)。CMT焊在熔滴過渡時電弧電壓和焊接電流幾乎為零，大大減少了焊接熱輸入，焊絲的機械回抽有利于熔滴向熔池過渡，避免了普通短路過渡時易出現(xiàn)的飛濺，實現(xiàn)無飛濺引弧和焊接，因此能完成厚度較小復(fù)合層的焊接，其焊接速度為0.1~0.2 m/min。直縫雙金屬冶金復(fù)合管內(nèi)復(fù)合層的CMT焊接如圖1所示。

（5）帶極電渣堆焊。不銹鋼帶極電渣堆焊工藝以其高效率、焊縫成分低稀釋率和焊縫成形好等優(yōu)點，已被逐步應(yīng)用在大型壓力容器的內(nèi)壁堆焊上，焊縫具有良好的耐腐蝕性能、抗脆化性能和綜合力學(xué)性能［12］。對于雙金屬復(fù)合管的復(fù)合層焊接也可以采用帶極電渣堆焊的方式進行焊接。這種焊接方式的焊接效率較高，復(fù)合層焊縫覆蓋寬度較大，對錯邊不敏感，但需要在復(fù)合層一側(cè)加工較大的焊接坡口（90°~150°）。直縫雙金屬冶金復(fù)合管內(nèi)復(fù)合層的帶極電渣堆焊如圖2所示，其焊接速度為0.20~0.25 m/min，焊接電流為400~600 A，焊接電壓為25~30 V。該焊接系統(tǒng)包括數(shù)字化逆變電源、控制器、送絲機，帶極內(nèi)焊機頭包括焊帶導(dǎo)電機構(gòu)、機頭壓力傳感器、激光指示器、攝像頭、橫向隨動跟蹤機構(gòu)、橫向電動調(diào)節(jié)機構(gòu)等，可保證焊接質(zhì)量。

不銹鋼的其他焊接方式，如激光焊、摩擦攪拌焊、組合焊接（高頻預(yù)熱+氬弧焊或等離子焊、高頻預(yù)熱+激光焊）也有相關(guān)報道［13］，但在雙金屬冶金復(fù)合管的生產(chǎn)中應(yīng)用較少。

總之，由冶金復(fù)合板成型焊接制造復(fù)合管的關(guān)鍵是復(fù)合層的焊接。無論選取何種焊接方式和焊接工藝參數(shù)，首要問題是解決復(fù)合層的焊縫成分稀釋，以免降低復(fù)合層的耐腐蝕性能。

圖1 直縫雙金屬冶金復(fù)合管內(nèi)復(fù)合層的CMT焊接

圖2 直縫雙金屬冶金復(fù)合管內(nèi)復(fù)合層的帶極電渣堆焊

3 應(yīng)用實例

采用螺旋縫和直縫埋弧焊接鋼管的成型設(shè)備或高頻焊接鋼管的連續(xù)軋輥成型設(shè)備，結(jié)合碳鋼或低合金鋼基體的埋弧焊接、高頻焊接或熔化極氣體保護焊接，選擇合適的復(fù)合層焊接工藝，可以批量生產(chǎn)雙金屬冶金復(fù)合焊接鋼管。目前，較為成熟的工藝是螺旋縫成型雙金屬冶金復(fù)合焊接鋼管和JCO或UO成型雙金屬冶金復(fù)合焊接鋼管。

3.1 螺旋縫雙金屬冶金復(fù)合焊接鋼管

采用Q235B+SUS304冶金復(fù)合板卷，利用現(xiàn)有的螺旋縫成型機組，Q235B基體用埋弧焊接，SUS304不銹鋼復(fù)合層用自動填絲氬弧焊接方式，試制出了Ф406 mm×（1.2+4.8）mm螺旋縫雙金屬冶金復(fù)合焊接鋼管，其管體抗拉強度為480 MPa、屈服強度為330 MPa，焊接接頭的抗拉強度為505 MPa，復(fù)合層與基體的結(jié)合度達96%，剪切強度達到280 MPa。Q235/SUS304螺旋縫冶金復(fù)合管復(fù)合層焊接接頭組織形貌如圖3所示，其復(fù)合層焊縫組織和熱影響區(qū)組織狀態(tài)良好。采用硫酸-硫酸銅溶液連續(xù)腐蝕16 h后，通過金相觀察，未發(fā)現(xiàn)管體復(fù)合層及焊接接頭復(fù)合層有晶間腐蝕裂紋。

3.2 直縫雙金屬冶金復(fù)合焊接鋼管

采用Q235+2205雙相不銹鋼冶金復(fù)合板材，利用直縫雙面埋弧焊（JCOE）成型技術(shù)和氬弧焊+CO2保護焊復(fù)合焊接技術(shù)，研制了Ф426 mm×（12.0+2.0）mm直縫雙金屬冶金復(fù)合焊接鋼管［13］。測試結(jié)果表明：2205雙相不銹鋼和Q235碳鋼冶金結(jié)合完全，剪切強度達到300 MPa以上，并具有較好的抗HIC和SSCC性能，在H2S、CO2、Cl-共存的氣相腐蝕介質(zhì)中，試樣腐蝕速率僅為0.045 mm/a。

圖3 Q235/SUS304螺旋縫冶金復(fù)合管復(fù)合層焊接接頭組織形貌

Ф610 mm×（14.0+2.0）mm X65/LC2205 直縫雙金屬冶金復(fù)合管焊接接頭宏觀形貌如圖4所示，其抗拉強度達到了700 MPa。X65/LC2205直縫雙金屬冶金復(fù)合管復(fù)合層界面微觀形貌如圖5所示。由于不銹鋼復(fù)合層和基體金屬采用冶金方式軋制復(fù)合，形成了如圖5中部黑線所示的鋸齒狀結(jié)合界面，所以通過剪切拉伸試驗測試，基體和復(fù)合層的剪切強度較高，可以達到370 MPa。X65/LC2205直縫雙金屬冶金復(fù)合管焊縫的顯微組織如圖6所示，其組織由珠光體+鐵素體過渡到奧氏體+鐵素體，最終形成γ+α雙相組織的復(fù)合層焊縫，保證了復(fù)合層焊縫的耐腐蝕性能。

圖4 X65/LC2205直縫雙金屬冶金復(fù)合管焊接接頭宏觀形貌

圖5 X65/LC2205直縫雙金屬冶金復(fù)合管復(fù)合層界面微觀形貌

圖6 X65/LC2205直縫雙金屬冶金復(fù)合管焊縫的顯微組織

4 結(jié) 論

（1）采用冶金復(fù)合鋼板或板卷，通過現(xiàn)有的焊接鋼管成型設(shè)備可以實現(xiàn)雙金屬冶金復(fù)合焊接鋼管的卷制成型。

（2）雙金屬冶金復(fù)合焊接鋼管的焊接關(guān)鍵是復(fù)合層的焊接，必須選擇合適的坡口型式和焊接工藝，減少復(fù)合層焊縫的成分稀釋，以免降低其耐腐蝕性能。

（3）采用冶金復(fù)合鋼板或板卷，通過成型焊接而成的雙金屬冶金復(fù)合鋼管，規(guī)格范圍較大，其力學(xué)性能和耐腐蝕性能均能達到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

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