雙金屬?gòu)?fù)合海管環(huán)焊縫背部氧化的控制

盧衛(wèi)卓，劉海剛，郭龍創(chuàng)，張興濤

（1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101；2.寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞721014；3.西安向陽(yáng)復(fù)合管有限公司，西安 710025）

雙金屬?gòu)?fù)合海管環(huán)焊縫背部氧化的控制

盧衛(wèi)卓1，劉海剛1，郭龍創(chuàng)2，張興濤3

（1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101；2.寶鈦集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞721014；3.西安向陽(yáng)復(fù)合管有限公司，西安 710025）

為了使雙金屬?gòu)?fù)合海管鋪設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)焊縫背部氧化問(wèn)題得到有效控制，對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有雙金屬?gòu)?fù)合海管環(huán)焊縫背部氧化及其控制進(jìn)行了分析研究。分析結(jié)果表明：焊接控制是關(guān)鍵，通過(guò)焊接工藝控制、焊接設(shè)備控制、焊接材料控制、焊接人員控制、焊接環(huán)境控制完全可以防止環(huán)焊縫背部氧化，特別是焊接參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀與氧份實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的應(yīng)用，可確保管線(xiàn)焊接質(zhì)量；焊后內(nèi)焊縫內(nèi)窺鏡檢查的應(yīng)用，能夠直接客觀(guān)地對(duì)焊縫背部質(zhì)量做出評(píng)價(jià)，減少了切口檢查造成的浪費(fèi)。

雙金屬?gòu)?fù)合管；海洋管線(xiàn)；TIG焊；環(huán)焊縫背部氧化

雙金屬?gòu)?fù)合海管是以碳鋼管（X52和X65等管線(xiàn)鋼管）為基管，耐腐蝕合金鋼管 （316L和304L等不銹鋼管）做內(nèi)襯管，通過(guò)水壓、爆炸或旋壓等方式使內(nèi)襯管發(fā)生塑性變形與基管形成機(jī)械復(fù)合，復(fù)合后鋼管兩端車(chē)削掉120mm左右耐腐蝕合金內(nèi)襯管，在車(chē)削掉內(nèi)襯管處堆焊厚度5mm左右或大于襯管壁厚2 mm的耐腐蝕合金 （625/316），最終將堆焊處車(chē)削加工至設(shè)計(jì)要求的鋼管內(nèi)徑尺寸。從結(jié)構(gòu)分析，復(fù)合海管充分利用了碳鋼基管的優(yōu)良力學(xué)性能及廉價(jià)性，同時(shí)利用了耐腐蝕合金襯管的耐蝕性，從而具有了優(yōu)良的力學(xué)性能和優(yōu)異的抗腐蝕性能。因此近年來(lái)大量應(yīng)用于海底管線(xiàn)，例如崖城13-4氣田、番禺35-1和35-2油氣田、黃巖油氣田等。

1 鋪設(shè)焊接方法及應(yīng)用現(xiàn)狀

由于雙金屬?gòu)?fù)合海管管端堆焊了耐腐蝕合金層，縮小了焊接方法的可選范圍（耐腐蝕合金目前只能選擇氬弧焊或氦弧焊），同時(shí)環(huán)焊縫焊接過(guò)程中有異種金屬過(guò)渡段，使其焊接難度加大，目前成熟工藝大致可分為兩種：①氬弧焊打底加焊接耐腐蝕合金層+過(guò)渡焊條或焊絲電弧焊+與基管匹配焊條或焊絲電弧焊；②直接選用力學(xué)性能良好的耐腐蝕合金焊條或焊絲焊接整個(gè)環(huán)焊道。工藝①在焊接過(guò)程中需要更換焊接設(shè)備和焊材，所以焊接效率低，鋪設(shè)費(fèi)用高，實(shí)際鋪設(shè)中尚未應(yīng)用。目前應(yīng)用的是工藝②，鎢極氬弧焊（TIG）+625鎳基合金焊絲。

國(guó)內(nèi)已鋪設(shè)的雙金屬?gòu)?fù)合海管管線(xiàn)（崖城13-4氣田、番禺35-1和35-2油氣田、黃巖油氣田）全部采用TIP全自動(dòng)鎢極氬弧焊（TIG）+625鎳基合金焊絲工藝。從使用情況分析，這種焊接工藝的優(yōu)越性很明顯，焊縫外觀(guān)規(guī)則，力學(xué)性能穩(wěn)定優(yōu)異，唯一的瑕疵就是環(huán)焊縫的背部氧化，該問(wèn)題始終影響鋪設(shè)進(jìn)度。筆者就國(guó)內(nèi)雙金屬?gòu)?fù)合海管的制造、陸地預(yù)制及海上安裝鋪設(shè)質(zhì)量監(jiān)督等方面，對(duì)環(huán)焊縫背部氧化的控制進(jìn)行了研究。

2 環(huán)焊縫背部氧化的特點(diǎn)

2.1 環(huán)焊縫背部氧化隱蔽性

目前所生產(chǎn)的雙金屬海管鋪設(shè)的最大直徑為219 mm，在施焊過(guò)程中發(fā)生的背部氧化會(huì)很難直接觀(guān)察到。

2.2 環(huán)焊縫背部氧化的偶然性

目前海管鋪設(shè)鎢極氬弧焊（TIG）環(huán)焊縫焊接工藝已成熟，為了保證工藝的穩(wěn)定性，每個(gè)焊接工藝在項(xiàng)目上應(yīng)用均是在陸地上采用與鋪設(shè)管線(xiàn)相同規(guī)格的雙金屬?gòu)?fù)合管短節(jié)（350 mm左右）進(jìn)行大量試驗(yàn)，一般至少都在100個(gè)環(huán)焊縫以上，環(huán)焊縫背部100%目視可以很容易觀(guān)察到有無(wú)氧化，當(dāng)試焊的短節(jié)100%不發(fā)生氧化及按照DNV理化試驗(yàn)合格的情況下，此焊接工藝才能用于工程，因此正常鋪設(shè)不會(huì)出現(xiàn)大量環(huán)焊縫背部氧化，大多是設(shè)備不正?；蚝腹げ僮鞑划?dāng)導(dǎo)致的個(gè)別氧化。

2.3 環(huán)焊縫背部氧化程度的多樣性

從現(xiàn)場(chǎng)施工發(fā)現(xiàn)的氧化缺陷來(lái)看，其表現(xiàn)較為多樣，有單點(diǎn)氧化、多點(diǎn)氧化、連續(xù)弧長(zhǎng)氧化等，氧化后顏色從輕到重，依次為金黃—淺藍(lán)—深藍(lán)—深黑，如圖1所示。

圖1 環(huán)焊縫背部不同氧化程度實(shí)物照片

2.4 環(huán)焊縫背部氧化的危害性

環(huán)焊縫背部氧化不僅使焊縫中的有益合金元素被燒損，而且所形成的氧化物又夾雜在焊縫中，使焊縫金屬的力學(xué)性能?chē)?yán)重下降，特別是塑性和韌性急劇下降。圖2所示為高溫下各元素與氧元素的親和力大小排序，在625鎳基焊絲（ERNiCrMo-3）形成的焊縫中， Si、V、Mn、Cr有益元素先后被燒損，嚴(yán)重時(shí)Ni也會(huì)被大量燒損，特別是大量的Cr燒損使焊縫的抗腐蝕性能?chē)?yán)重下降。

圖2 高溫下各元素與氧元素親和力大小示意圖

2.5 環(huán)焊縫背部氧化常規(guī)無(wú)損不易檢出

從目前海管鋪設(shè)主要使用的檢測(cè)方法RT拍片、UT檢測(cè)（包括專(zhuān)為雙金屬?gòu)?fù)管開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用AUT、PAUT檢測(cè))來(lái)看，環(huán)焊縫背部氧化均不能被有效檢出。射線(xiàn)檢測(cè)及X線(xiàn)影像形成的基本原理是X線(xiàn)的特性和零件的致密度與厚度之差，因此除非氧化缺陷特別嚴(yán)重形成疏松孔才能被檢出；超聲檢測(cè)是根據(jù)超聲波在材料中傳播至界面時(shí)產(chǎn)生反射或使透過(guò)的能量下降等物理現(xiàn)象，利用測(cè)量反射或透過(guò)的超聲波強(qiáng)度來(lái)檢測(cè)材料內(nèi)、外部的缺陷，并能直接反映出缺陷的相對(duì)大小以及深度的定量檢測(cè)，因此氧化缺陷很難檢出，除非氧化缺陷很?chē)?yán)重形成疏松或氧化孔。

3 環(huán)焊縫背部氧化原因及控制

3.1 氧化原因

造成雙金屬?gòu)?fù)合海管環(huán)焊縫背部氧化原因很多，如設(shè)備故障、工藝參數(shù)不匹配、焊接人員操作失誤等，但最根本的原因是背部氬氣保護(hù)不良導(dǎo)致焊縫氧化，因此控制氧化問(wèn)題的關(guān)鍵是控制背部保護(hù)氬氣。

3.2 環(huán)焊縫背部氧化控制措施

3.2.1 焊接工藝控制

雙金屬?gòu)?fù)合海管鋪設(shè)時(shí)，焊接工藝均是經(jīng)過(guò)大量同規(guī)格雙金屬?gòu)?fù)合海管短節(jié)試焊過(guò)的，在保證100%合格后選定，因此焊接工藝的整體不會(huì)有問(wèn)題。然而焊接工況的變化，反應(yīng)到焊縫上就會(huì)出現(xiàn)不同的缺欠，甚至缺陷（包括氧化），因此焊接時(shí)微調(diào)工藝參數(shù)是很有必要的，調(diào)節(jié)應(yīng)由焊接工程師根據(jù)缺欠或缺陷類(lèi)型在評(píng)定合格的工藝范圍內(nèi)適時(shí)調(diào)整。

3.2.2 焊接設(shè)備控制

目前國(guó)內(nèi)雙金屬?gòu)?fù)合管環(huán)焊縫焊接設(shè)備均采用TIP全自動(dòng)TIG焊機(jī)加充氬氣壩內(nèi)對(duì)口器。從施工應(yīng)用情況來(lái)看，設(shè)備正常情況下能夠確保焊縫質(zhì)量，然而設(shè)備的失穩(wěn)很偶然并且持續(xù)時(shí)間不定，特別是第一道根焊時(shí)設(shè)備失穩(wěn)立刻就會(huì)產(chǎn)生缺欠或缺陷（包括氧化），因此現(xiàn)場(chǎng)采用焊接參數(shù)記錄儀及全過(guò)程信息監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，便于焊接工程師與QC人員進(jìn)行質(zhì)量控制。當(dāng)出現(xiàn)焊接缺陷時(shí)，也可用儀器導(dǎo)出焊接參數(shù)記錄，分析缺陷原因。除焊機(jī)系統(tǒng)控制外，充氬氣壩內(nèi)對(duì)口器的控制同樣也很重要，從試驗(yàn)測(cè)得當(dāng)焊接時(shí)背部氧氣體積分?jǐn)?shù)大于0.05%時(shí)極易發(fā)生背部氧化，因此對(duì)焊接時(shí)背部保護(hù)氬氣中含氧量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控是保證背部不被氧化的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)從第一條涯城海底雙金屬?gòu)?fù)合管線(xiàn)鋪設(shè)時(shí)就在內(nèi)對(duì)口器上增加了實(shí)時(shí)氧份監(jiān)測(cè)儀，如圖3所示。同時(shí)優(yōu)化了充氬氣壩內(nèi)對(duì)口器的氬氣出氣孔及空氣排氣孔，氬氣質(zhì)量較空氣重，將內(nèi)對(duì)口器均勻分布在圓周的氬氣出孔孔徑縮小，盡量分布在環(huán)焊縫整個(gè)寬度的正下方；空氣（氧氣）排氣孔開(kāi)在檔板的上半部分，便于空氣排出。

圖3 配備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氧份儀的氣壩內(nèi)對(duì)口器

3.2.3 焊接材料控制

TIG焊接雖無(wú)煙無(wú)塵，卻對(duì)污染物極其敏感，特別是油污水汽，因此除了采購(gòu)與工藝評(píng)定相同的焊材外，焊材的保存也非常重要，必須有專(zhuān)門(mén)倉(cāng)儲(chǔ)室，室內(nèi)保持干凈、干燥，且焊材擺放臺(tái)架距離地面至少200 mm，就625鎳基焊絲（ERNiCrMo-3）來(lái)說(shuō)，溫度控制在20～30℃，相對(duì)濕度控制在25%以下或者按照廠(chǎng)家要求倉(cāng)儲(chǔ)。

3.2.4 焊接人員控制

在施工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)大數(shù)缺陷（包括背部氧化）均是焊接人員操作不當(dāng)引起，因此焊接人員的管理很關(guān)鍵。項(xiàng)目的焊接人員肯定是有資質(zhì)的，并且在鋪設(shè)開(kāi)始前均進(jìn)過(guò)大量試焊，然而在實(shí)際海上施工過(guò)程中，缺陷往往會(huì)集中于某個(gè)位置或某個(gè)人，甚至出現(xiàn)某個(gè)人集中在一段時(shí)間焊的非常好，突然有一段時(shí)間焊的缺陷密集，甚至出現(xiàn)背部氧化。因此焊接人員的管控應(yīng)是動(dòng)態(tài)的、持續(xù)的，不是通過(guò)考核就一直可以施焊，項(xiàng)目中應(yīng)仔細(xì)記錄監(jiān)控每個(gè)焊接人員的焊接質(zhì)量情況和當(dāng)天精神狀態(tài)，及時(shí)分析總結(jié)，使每個(gè)焊接人員以最佳的狀態(tài)進(jìn)行焊接。

3.2.5 焊接環(huán)境控制

防止環(huán)焊縫背部氧化的環(huán)境是指施焊時(shí)組對(duì)質(zhì)量環(huán)境及管道內(nèi)氬氣環(huán)境。針對(duì)組對(duì)質(zhì)量環(huán)境，組對(duì)前坡口應(yīng)合格，并用丙酮清潔坡口面及預(yù)熱，組對(duì)后檢查組對(duì)質(zhì)量，預(yù)熱溫度均應(yīng)符合工藝要求。針對(duì)管道內(nèi)氬氣環(huán)境，開(kāi)焊前應(yīng)提前通氬氣使內(nèi)對(duì)口器焊接區(qū)空氣排盡，氧份儀測(cè)得氧氣體積質(zhì)量小于0.05%時(shí)開(kāi)焊；焊接過(guò)程中氬氣流量應(yīng)適當(dāng)平穩(wěn)，流量過(guò)小，焊縫背面容易氧化，流量過(guò)大，焊接時(shí)產(chǎn)生渦流帶入空氣，保護(hù)效果也會(huì)變壞，同時(shí)會(huì)引起焊縫根部?jī)?nèi)凹等缺陷；根焊道完成后應(yīng)滯后1 min停氣（鎳基合金抗高溫氧化性能差特別是在500℃左右，焊縫在高溫下極易氧化），使焊縫得到充分的保護(hù)。

3.2.6 焊后檢查措施

經(jīng)過(guò)焊接控制措施，特別是焊接參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀及氧份監(jiān)測(cè)儀的應(yīng)用，使環(huán)焊縫背部氧化基本可控，能夠保證管線(xiàn)質(zhì)量。然而施工進(jìn)度影響及成本上升是難以避免的，因?yàn)楫?dāng)焊接設(shè)備失穩(wěn)，特別是氧份監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)到焊接過(guò)程中含氧量不合格時(shí)， 射線(xiàn)檢測(cè)（RT）、超聲波檢測(cè)（UT、PAUT、AUT）又不易檢查出氧化缺陷，這時(shí)項(xiàng)目組從質(zhì)量角度考慮不得不切口，有時(shí)切口發(fā)現(xiàn)焊縫背部確實(shí)氧化嚴(yán)重，同時(shí)也有切下后發(fā)現(xiàn)氧化極其輕微甚至沒(méi)有氧化。因此，焊后應(yīng)用內(nèi)窺鏡檢驗(yàn)內(nèi)焊縫背部質(zhì)量是很有效的手段，不僅可以100%控制環(huán)焊縫背部氧化問(wèn)題，同時(shí)也避免了不必要的浪費(fèi)，保障了施工進(jìn)度。

4 結(jié) 論

（1）焊接控制措施和焊后檢查措施在雙金屬?gòu)?fù)合海管鋪設(shè)中的應(yīng)用表明，環(huán)焊縫背部氧化問(wèn)題是完全可控的。

（2）焊接控制措施是避免環(huán)焊縫背部氧化的關(guān)鍵，實(shí)踐證明：焊接工藝、焊接設(shè)備、焊接材料、焊接人員等的控制可以確保管線(xiàn)焊接質(zhì)量，特別是焊接參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀和焊縫背部實(shí)時(shí)氧份監(jiān)測(cè)儀的應(yīng)用，有效控制了環(huán)焊縫背部氧化問(wèn)題。

（3）焊后內(nèi)焊縫內(nèi)窺鏡檢查的應(yīng)用，不僅能夠100%的控制環(huán)焊縫背部氧化問(wèn)題，而且相對(duì)焊接控制措施，更能夠直接客觀(guān)地評(píng)價(jià)焊縫背部有無(wú)氧化，有效避免了不必要的浪費(fèi)。

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Circumferential Weld Backside Oxidation Control of Bimetal Composite Pipe Used in Submarine Pipeline

LU Weizhuo1,LIU Haigang1,GUO Longchuang2,ZHANG Xingtao3
（1.Beijing Longshine Oil Tubular Technology Co.,Ltd.,Beijing 100101,China;2.BAOTI Group Co.,Ltd.,Baoji 721014,Shaanxi,China;3.Xi’an Sunward Aeromat Co.,Ltd.,Xi’an 710025,China）

In order to effectively control the circumferential weld backside oxidation problem of bimetal composite pipe used in submarine pipeline,which occurs in laying process,it analyzed the current circumferential weld backside oxidation of bimetal composite pipe and its control in China domestic.The results indicated that the welding control is the key point,the circumferential weld backside oxidation can fully be controlled through controlling several aspects,such as welding process,welding equipment,welding materials,welding staff and welding environment,especially the application of welding parameters real-time monitor and oxygen real-time monitoring equipment,can ensure pipeline welding quality.The application of inside weld endoscopy postwelding can objectively evaluate weld backside quality,and reduce waste caused by incision checking.

bimetal composite pipe;submarine pipeline;TIG welding;circumferential weld backside oxidation

TE973.3

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.01.011

作者介紹：盧衛(wèi)卓（1984—），男，設(shè)備監(jiān)理師，國(guó)際焊接檢驗(yàn)師，主要從事油氣輸送管線(xiàn)用鋼管、彎管、三通、法蘭等設(shè)備生產(chǎn)檢驗(yàn)、檢測(cè)質(zhì)量監(jiān)督及海底管線(xiàn)安裝施工質(zhì)量監(jiān)督工作。

2015-10-08

黃蔚莉