內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管環(huán)焊焊縫失效原因分析

梁國(guó)萍，王 斌，王敏瑞，蘭雪誠(chéng)，吳 澤，杜衛(wèi)峰，王小艷，文書(shū)林

（1.西安向陽(yáng)航天材料股份有限公司，西安710065；2.中石油塔里木油田分公司，新疆 庫(kù)爾勒841000；3.中石化西南分公司油氣田銷(xiāo)售中心，成都610056）

內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管環(huán)焊焊縫失效原因分析

梁國(guó)萍1，王 斌1，王敏瑞2，蘭雪誠(chéng)3，吳 澤1，杜衛(wèi)峰1，王小艷1，文書(shū)林1

（1.西安向陽(yáng)航天材料股份有限公司，西安710065；2.中石油塔里木油田分公司，新疆 庫(kù)爾勒841000；3.中石化西南分公司油氣田銷(xiāo)售中心，成都610056）

針對(duì)雙金屬機(jī)械復(fù)合管對(duì)接環(huán)焊縫的刺漏問(wèn)題，對(duì)某油田現(xiàn)場(chǎng)服役的內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管問(wèn)題管段進(jìn)行取樣，并從焊縫橫截面各區(qū)域微觀(guān)組織、化學(xué)成分、抗晶間腐蝕性能等方面進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，對(duì)接環(huán)焊縫打底焊道的熱影響區(qū)晶粒粗大，對(duì)接環(huán)焊縫打底焊道熔合線(xiàn)附近區(qū)域主要耐腐蝕合金元素被稀釋是雙金屬機(jī)械復(fù)合管對(duì)接環(huán)焊縫發(fā)生刺漏的主要原因。最后給出了預(yù)防刺漏發(fā)生的措施，即通過(guò)降低打底焊熱輸入量，提高管端尺寸精度，增加過(guò)渡層厚度且減小第一層填充焊熱輸入量的方法可有效預(yù)防刺漏問(wèn)題的發(fā)生。

焊管；復(fù)合管；對(duì)接焊；腐蝕；刺漏

1 概 述

雙金屬?gòu)?fù)合管是一種以碳鋼管為基管，以耐腐蝕鋼管為襯管的新型鋼管。主要運(yùn)用于具有一定壓力的腐蝕環(huán)境，特別是高壓強(qiáng)腐蝕環(huán)境中，以其高性?xún)r(jià)比被眾多設(shè)計(jì)單位所接受。目前雙金屬?gòu)?fù)合管已經(jīng)普遍應(yīng)用于中石油、中石化和中海油等各大油氣公司，主要材質(zhì)以?xún)?nèi)襯316L不銹鋼為主。

盡管內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管產(chǎn)品在石油天然氣領(lǐng)域應(yīng)用了很多年，也得到了很多客戶(hù)的好評(píng)，但在某油田應(yīng)用中，卻多次出現(xiàn)對(duì)接環(huán)焊縫的刺漏問(wèn)題。該油田出現(xiàn)問(wèn)題的管線(xiàn)于2013年投入運(yùn)行，截至2017年，共發(fā)生刺漏19次，且刺漏均發(fā)生在焊縫區(qū)域。經(jīng)過(guò)對(duì)該管線(xiàn)進(jìn)行的X光復(fù)檢發(fā)現(xiàn)，復(fù)合管對(duì)接環(huán)焊縫共有252處發(fā)生了點(diǎn)蝕。

存在問(wèn)題的復(fù)合管為Φ323.9 mm×（8.8+2）mm規(guī)格，材質(zhì)為L(zhǎng)415N+316L，為內(nèi)襯316L機(jī)械式雙金屬?gòu)?fù)合管，管端采用封焊處理，如圖1所示。施工現(xiàn)場(chǎng)管管對(duì)接焊實(shí)施方案為ATS－F316L藥芯焊絲打底+ATS－309MoL過(guò)渡+CHE507填蓋。

圖1 內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管管管對(duì)接封焊示意圖

內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管的基管執(zhí)行API SPEC 5LPSL2標(biāo)準(zhǔn)，襯管執(zhí)行APISPEC5LC標(biāo)準(zhǔn)，打底過(guò)渡焊材執(zhí)行AWS A5.9標(biāo)準(zhǔn)要求。出現(xiàn)問(wèn)題的內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管母材及焊材標(biāo)準(zhǔn)要求的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 出現(xiàn)問(wèn)題的內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管母材及焊材標(biāo)準(zhǔn)要求的化學(xué)成分

為了找到刺漏發(fā)生的原因，更好地解決機(jī)械式復(fù)合管對(duì)接環(huán)焊縫的抗腐蝕問(wèn)題，本研究對(duì)刺漏復(fù)合管的對(duì)接環(huán)焊縫金相、焊縫區(qū)化學(xué)成分的變化進(jìn)行了試驗(yàn)，旨在探究焊縫出現(xiàn)點(diǎn)蝕和刺漏失效的原因。

2 復(fù)合管對(duì)接環(huán)焊縫組織分析

2.1 宏觀(guān)組織

對(duì)發(fā)生刺漏的內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管對(duì)接環(huán)焊縫取樣，并進(jìn)行宏觀(guān)組織分析，結(jié)果如圖2所示。 由圖2可見(jiàn)，圖2（a）和圖2（b）中對(duì)接環(huán)焊縫熔合線(xiàn)及熱影響區(qū)有明顯的腐蝕孔，且腐蝕孔已穿透整個(gè)襯層到達(dá)碳鋼管一定的深度。從腐蝕孔的形狀可以看出，腐蝕最開(kāi)始發(fā)生在對(duì)接環(huán)焊縫打底焊縫的熔合線(xiàn)和熱影響區(qū)。圖2（c）中對(duì)接環(huán)焊縫橫截面內(nèi)雖沒(méi)有明顯的腐蝕坑存在，但熔合線(xiàn)及熱影響區(qū)有少量的銹跡存在。

2.2 微觀(guān)組織

機(jī)械式雙金屬?gòu)?fù)合管管端采用封焊處理。管端封焊時(shí)會(huì)對(duì)焊縫背面的襯管產(chǎn)生一次熱影響，此區(qū)域在對(duì)接環(huán)焊時(shí)將受到二次熱影響，如果焊接工藝控制不當(dāng)，兩次熱作用的交互影響會(huì)使得該區(qū)域的耐腐蝕合金層微觀(guān)組織發(fā)生不同程度的晶粒長(zhǎng)大。

內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管管端封焊及對(duì)焊時(shí)，內(nèi)襯層受兩次熱影響的微觀(guān)組織照片如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，受封焊一次熱影響時(shí)內(nèi)襯層熱影響區(qū)的組織主要為粗大奧氏體+少量δ鐵素體（見(jiàn)圖3（a）），晶粒度為7.0級(jí)，基本與母材相當(dāng)；內(nèi)襯層受對(duì)接環(huán)焊二次熱影響時(shí)內(nèi)襯層熱影響區(qū)的組織亦為粗大奧氏體+少量的δ鐵素體（見(jiàn)圖3（b）），晶粒度為4.5級(jí)，晶粒粗大嚴(yán)重?？梢?jiàn)，對(duì)接環(huán)焊二次熱影響后，內(nèi)襯層熱影響區(qū)的晶粒明顯比一次熱影響后的晶粒大，而材料的晶粒越粗大，其力學(xué)性能和耐腐蝕性能越差。

圖2 內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管對(duì)接環(huán)焊縫宏觀(guān)照片

圖3 內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管管端內(nèi)襯層受兩次熱影響后的微觀(guān)組織照片 500×

3 復(fù)合管對(duì)接環(huán)焊縫化學(xué)成分分析

3.1 化學(xué)成分變化趨勢(shì)

利用掃描電鏡－能譜線(xiàn)掃描分析（SEM－EDS）對(duì)內(nèi)襯層的焊縫、熱影響區(qū)及母材進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4（b）可見(jiàn)根焊熔合線(xiàn)處的Cr、Ni、Mo含量下降較多。

圖4 由316L襯層到根焊焊縫電鏡掃描及成分分析結(jié)果

3.2 化學(xué)成分含量對(duì)比

選取兩個(gè)試樣，利用掃描電鏡—能譜點(diǎn)掃描（SEM－EDS）分別對(duì)襯層焊縫、熱影響區(qū)及母材進(jìn)行化學(xué)成分分析。試樣1的電鏡掃描及能譜打點(diǎn)成分含量分析結(jié)果如圖5所示，各元素含量分析結(jié)果見(jiàn)表2。

利用掃描電鏡—能譜點(diǎn)掃描對(duì)試樣2的環(huán)焊縫內(nèi)壁的打底焊縫、熔合線(xiàn)、襯層母材進(jìn)行成分含量分析，結(jié)果如圖6所示，各元素含量分析結(jié)果見(jiàn)表3。試樣2掃描電鏡數(shù)據(jù)中各元素含量對(duì)比如圖7所示。

圖5 試樣1電鏡掃描結(jié)果及能譜分析圖

表2 試樣1電鏡掃描各元素含量分析結(jié)果

表3 試樣2電鏡掃描各元素含量分析結(jié)果

圖6 試樣2焊縫橫截面電鏡掃描結(jié)果

從以上分析結(jié)果可看出：①對(duì)接焊縫附近襯層焊縫熔合線(xiàn)與母材的化學(xué)成分差異較大，從襯層母材到焊縫熔合線(xiàn)主要抗腐蝕合金元素Cr、Ni、Mo含量迅速降低，而Fe含量迅速升高，這些元素的變化會(huì)大幅降低襯層的耐腐蝕性能；②靠近襯管內(nèi)表面從襯層母材到襯層對(duì)接環(huán)焊縫主要元素Cr、Ni、Mo含量在熔合線(xiàn)附近迅速下降，F(xiàn)e含量迅速增加，這些元素的變化會(huì)大幅降低環(huán)焊縫熔合線(xiàn)附近耐蝕層的耐腐蝕性能。

分析結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊縫對(duì)接焊后，復(fù)合管襯層根焊熔合線(xiàn)附近區(qū)域主要耐蝕元素稀釋顯著，降低了襯層區(qū)域的抗腐蝕性能，直接導(dǎo)致了復(fù)合管焊縫熔合線(xiàn)處點(diǎn)蝕甚至腐蝕穿孔刺漏的發(fā)生。

圖7 試樣2不同區(qū)域合金元素含量的對(duì)比分析柱狀圖

4 復(fù)合管對(duì)接環(huán)焊縫晶間腐蝕

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試樣襯層焊縫處進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，晶間腐蝕試驗(yàn)后試樣照片如圖8所示。從圖8可以看出，在對(duì)接焊熔合線(xiàn)及熱影響區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)腐蝕孔和彎曲裂紋。晶間腐蝕結(jié)果說(shuō)明，內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管管端經(jīng)過(guò)對(duì)接環(huán)焊后，內(nèi)襯奧氏體不銹鋼的耐腐蝕能力顯著下降。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)試樣晶間腐蝕試驗(yàn)后試樣照片

5 復(fù)合管對(duì)接環(huán)焊縫刺漏原因分析

由分析可知，內(nèi)襯316L雙金屬?gòu)?fù)合管對(duì)接焊后，焊縫熔合線(xiàn)及熱影響區(qū)存在腐蝕穿孔現(xiàn)象，多數(shù)腐蝕已造成內(nèi)襯熱影響區(qū)完全穿孔，部分造成穿孔刺漏。對(duì)穿孔刺漏復(fù)合管的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合管穿孔位置存在化學(xué)成分不符合標(biāo)準(zhǔn)要求、晶間腐蝕開(kāi)裂、腐蝕坑等現(xiàn)象。經(jīng)理化分析主要有兩方面原因。

（1）對(duì)接環(huán)焊縫打底焊道的熱影響區(qū)晶粒粗大。打底焊道的熱影響區(qū)為二次熱影響區(qū)，此區(qū)域出現(xiàn)晶粒粗大可能原因有兩方面：①雙金屬?gòu)?fù)合管管端封焊控制不當(dāng)導(dǎo)致熱影響區(qū)過(guò)大；②環(huán)焊縫打底焊接時(shí)工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致的熱影響過(guò)大。從微觀(guān)組織可看出，封焊后一次熱影響區(qū)的晶粒度為7級(jí)，接近母材晶粒度，可排除封焊控制不當(dāng)?shù)囊蛩?。因此可推斷二次熱影響區(qū)晶粒粗大是由環(huán)焊縫打底焊接時(shí)工藝控制不當(dāng)引起。

（2）對(duì)接環(huán)焊縫打底焊道的熔合線(xiàn)附近區(qū)域主要耐腐蝕合金元素被稀釋。從化學(xué)成分分析結(jié)果可看出，襯管內(nèi)表面從襯層母材到襯層對(duì)接環(huán)焊縫主要元素Cr、Ni、Mo含量在熔合線(xiàn)附近出現(xiàn)迅速下降，F(xiàn)e含量迅速增加，主要耐腐蝕元素含量的降低會(huì)顯著影響環(huán)焊縫熔合線(xiàn)附近區(qū)域的耐腐蝕性能。從焊接材料和母材化學(xué)成分可推斷稀釋不是來(lái)源于焊材和316L母材的影響，從復(fù)合管特點(diǎn)及對(duì)接焊過(guò)程可推斷稀釋來(lái)源于復(fù)合管的外層碳鋼管，碳鋼中C含量遠(yuǎn)高于內(nèi)襯層奧氏體不銹鋼，焊接過(guò)程在高溫復(fù)雜冶金作用下會(huì)擴(kuò)散遷移至不銹鋼側(cè)，造成主要耐腐蝕元素的稀釋。打底焊道受碳鋼稀釋的原因有三方面：①對(duì)接焊時(shí)錯(cuò)邊量過(guò)大，導(dǎo)致打底焊接并不是在不銹鋼中進(jìn)行，而是焊道中熔入了碳鋼；②焊接熱輸入過(guò)大，將原有封焊焊縫燒穿，導(dǎo)致碳鋼進(jìn)入打底焊道造成稀釋污染；③較大焊接熱輸入的碳鋼填充焊會(huì)導(dǎo)致較薄的打底過(guò)渡層形成高硬度區(qū)和高應(yīng)力集中區(qū)，韌性變差，止裂能力變?nèi)酰坏?duì)接環(huán)焊縫熔合線(xiàn)附近的耐腐蝕合金層出現(xiàn)腐蝕穿孔，就會(huì)在腐蝕介質(zhì)、焊接殘余應(yīng)力和外界應(yīng)力的共同作用下出現(xiàn)急速開(kāi)裂，最終導(dǎo)致焊縫刺漏。

6 預(yù)防措施

（1）對(duì)接焊打底焊接時(shí)需要確保全部在裸露的不銹鋼層上施焊；降低焊接熱輸入可有效控制對(duì)接焊縫內(nèi)壁焊接熱影響區(qū)晶粒的長(zhǎng)大，提高對(duì)接焊縫打底層的耐腐蝕性能。

（2）有效控制管端尺寸精度與對(duì)口精度、保證較低的焊接熱輸入和較厚的打底過(guò)渡層均可有效防止Fe污染及Cr、Ni、Mo含量的下降，提高對(duì)接焊縫的耐腐蝕性能，降低焊縫刺漏風(fēng)險(xiǎn)。

[1]API SPEC 5LC，CRA Line Pipe[S].

[2]ASTM A262，Standard Practices for Detecting Susceptibility to Intergranular Attack in Austenitic Stainless Steels[S].

[3]王緒華，林冠發(fā)，白真權(quán).油氣田CO2腐蝕機(jī)理、預(yù)測(cè)與防護(hù)[J].石油管工程，2008（2）：25-29.

[4]張學(xué)元，邸超，雷良才.二氧化碳腐蝕與控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[5]朱洪亮.克深2氣田用雙金屬?gòu)?fù)合管焊接工藝評(píng)定報(bào)告[R].成都：四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司工程技術(shù)開(kāi)發(fā)培訓(xùn)中心，2012.

[6]劉勇，候遠(yuǎn)盛，王義，等.雙金屬?gòu)?fù)合管道在牙哈凝析氣田的應(yīng)用[J].油氣田地面工程，2006，25（9）：1-2.

[7]許愛(ài)華，院振剛，楊光，等.雙金屬?gòu)?fù)合管施工焊接技術(shù)[J].天然氣與石油，2010，12（6）：22-28.

[8]呂世雄，王廷，馮吉才.20G/316L雙金屬?gòu)?fù)合管弧焊接頭組織與性能[J].焊接學(xué)報(bào)，2009，30（4）：93-96.

[9]楊平生，俞進(jìn)，柯勇，等.雙金屬?gòu)?fù)合鋼管界面及焊縫的微觀(guān)結(jié)構(gòu)[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（理科版），2005，29（6）：603-609.

[10]劉建彬，韓靜濤，鮑善勤，等.熱處理對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管X60/2205組織及力學(xué)性能的影響[J].熱加工工藝，2009，38（4）：23-26.

Failure Reason Analysis on Butt Welds of Lined with 316L Bimetal Composite Pipe Butt Weld

LIANG Guoping1,WANG Bin1,WANG Minrui2,LAN Xuecheng3,WU Ze1,DU Weifeng1,WANG Xiaoyan1,WEN Shulin1
（1.Xi’an Sunward Aeromat Co.,Ltd.,Xi’an 710065,China；2.PetroChina Tarim Oilfield Branch,Korla 841000,Xinjiang,China；3.Sinopec Southwest Branch Oil and Gas Field Sales Center,Chengdu 610056,China）

In allusion to the butt circumferential weld perforation problem of mechanical bimetal composite pipe，the pipe section of an oil field lined with 316L bimetal composite pipe was sampled，the weld cross section was analyzed from several aspects,such as microstructure，chemical composition，intergranular corrosion properties and so on.According to analysis results the perforation reason was speculated,the HAZ grain of butt circumferential weld backing weld bead was coarse，the main reason of the butt circumferential weld perforation of mechanical bimetal composite pipe was that the main corrosion resistance alloy element near the fusion line of butt circumferential weld backing weld bead was diluted.Finally the preventive measures for perforation were given：reducing the heat input of backing weld,increasing pipe end dimension accuracy，and increasing the thickness of the transition layer with reducing the heat input of the first filled layer.All the above measures can effectively prevent the occurrence of perforation.

welded pipe； composite pipe； butt welding； corrosion； perforation

TG407

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.09.008

梁國(guó)萍（1985—），女，高級(jí)工程師，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)材料加工工程專(zhuān)業(yè)，主要從事雙金屬?gòu)?fù)合管道相關(guān)的制造、焊接工作。

2017-06-26

編輯：羅 剛