高硫高鹽油田用825 復(fù)合鋼管焊接國際標(biāo)準(zhǔn)探討

陳麗娟， 王慧心， 谷 豐， 劉 暢， 樊學(xué)華

（中國石油工程建設(shè)有限公司 北京設(shè)計分公司， 北京100085）

825 合金是一種Ni-Cr-Fe-Mo-Cu 系鎳基合金， 具有優(yōu)良的抗氯化物應(yīng)力腐蝕、 抗氧化和抗點腐蝕能力[1-2]。 隨著高硫高鹽油氣田的開發(fā)， 為同時解決電化學(xué)腐蝕及應(yīng)力腐蝕開裂等問題， 油氣田地面工程越來越多的用到825 耐蝕合金。825 雙金屬復(fù)合鋼管在滿足耐蝕性能的同時又進一步降低了成本， 具有更突出的性價比[3-6]。 復(fù)合鋼管由于基材和覆層材料化學(xué)成分和力學(xué)性能相差較大， 在焊接過程中極易發(fā)生碳及合金元素的擴散， 從而影響焊接接頭的組織形態(tài)， 進而影響焊縫區(qū)域的耐腐蝕性以及力學(xué)性能， 是制約雙金屬復(fù)合管發(fā)展的重要因素之一[7]。 國內(nèi)825 復(fù)合鋼管的研究開發(fā)相對較晚， 對于高硫高鹽油氣田如何合理地制訂鎳基合金825 復(fù)合鋼管的焊接工藝， 提高其焊接接頭的耐腐蝕性和抗應(yīng)力腐蝕開裂性能， 避免復(fù)合鋼管在高硫高鹽油田中出現(xiàn)腐蝕失效， 對825 復(fù)合鋼管的使用至關(guān)重要。

目前， 國內(nèi)外對于825 合金的焊接工藝已相對比較成熟， 但缺乏針對825 復(fù)合鋼管焊接的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[8]。 國外標(biāo)準(zhǔn)如API RP 582[9]、 挪威M-601[10]以及國際石油公司SHELL 標(biāo)準(zhǔn)DEP 61.40.20.36-Gen[11]、 BP 標(biāo)準(zhǔn)GIS 43-334[12]、 Saudi Aramco 標(biāo)準(zhǔn)SAES-W-019[13]和挪威船級社標(biāo)準(zhǔn)DNV-OS-F101[14]， 針對復(fù)合鋼管的焊接提出一些特殊規(guī)定和要求， 但缺乏系統(tǒng)的規(guī)定。 基于國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和研究的基礎(chǔ)， 結(jié)合目前中石油在中東地區(qū)高硫高鹽油氣田的實際應(yīng)用， 系統(tǒng)地概述整個高硫高鹽工況下825 復(fù)合鋼管的焊接工藝和特殊要求。

1 高硫高鹽工況下825 合金的應(yīng)用限制

在含H2S 工況下， NACEMR0175/ISO15156-3對鎳基合金的應(yīng)用范圍提出了明確的限制， 即固溶退火態(tài)的4a 類鎳基合金在溫度、 pH2S、 Cl-濃度和pH 值不限的條件下， 可用作任一設(shè)備或部件[15]。

SHELL 標(biāo)準(zhǔn)DEP 30.10.02.15-Gen 中規(guī)定了825 合金在溫度為200 ℃、 pH2S=1 400 kPa、 Cl-濃度為15%、 pH 值不限的條件下可用作任一設(shè)備或部件； 或溫度為200 ℃、 pH2S=2 200 kPa、 Cl-濃度為12%、 pH 值沒有任何限制的條件下可用作管道的內(nèi)襯層或內(nèi)覆層； 或溫度為200 ℃、 pH2S=3 600 kPa、 Cl-濃度為15%、 pH 值沒有任何限制的條件下可用作容器的內(nèi)襯層或內(nèi)覆層[16]。

SHELL 標(biāo)準(zhǔn)DEP 39.01.10.12-Gen 中規(guī)定了當(dāng)溫度低于200 ℃、 pH2S＜1 400 kPa、 Cl-濃度小于15%工況下， 站內(nèi)工藝管線可采用825 合金[17]。

文獻[18] 給出了825 合金在pH2S＜1 500 psi（10.335 MPa）、 pCO2＜2 000 psi （13.78 MPa）、 溫度為250 ℃、 不含硫環(huán)境下腐蝕速率≤0.05 mm/a 且無SSC 或SCC 的適用性圖譜如圖1 所示。

圖1 825 合金在含H2S/CO2、 不含硫環(huán)境下的耐腐蝕性[19]（腐蝕速率≤0.05 mm/a 且無SSC 或SCC）

除上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了825 合金的使用限制要求， Edward L.Hibner[19]等人通過慢應(yīng)變速率法研究了鎳基825 合金在H2S-CO2-Cl-且無硫體系中的SSC 機制， 認為825 合金適用于溫度為205 ℃、pH2S=0.69 MPa、 pCO2=2.76 MPa、 Cl-濃度為15%、pH 值為3.5 且無硫的環(huán)境； 或是溫度為230 ℃、pH2S=0.2 MPa、 不限Cl-濃度以及CO2分壓環(huán)境；或 是 溫 度 為200 ℃、 pH2S=6 MPa、 Cl-濃 度 為15.175%的環(huán)境等。 研究結(jié)果同時指出， 對于耐蝕合金來說， 鎳含量比PREN 值更為重要。

2 825 復(fù)合鋼管的焊接工藝

2.1 焊接方法選擇

雙金屬復(fù)合鋼管適用于焊條電弧焊（SMAW）、鎢極氣體保護焊 （GTAW）、 氣體保護金屬極電弧焊（GMAW） 及埋弧焊（SAW）等[20-21]。 GTAW適用于各種坡口的打底焊， 且焊接完成后背面無熔渣， 有利于保護管內(nèi)清潔[3]。 SAW 因熱影響區(qū)積累的熱輸入量最小， 其獲得焊接接頭韌性最好， 多用于制造車間內(nèi)厚板的焊接， GTAW 和SAW 獲得的焊接接頭具有更好的韌性和耐蝕性能[22]。 SMAW 因設(shè)備簡單， 操作方便， 適用性強，基本不受焊接位置和環(huán)境的影響， 因此在管道焊接中應(yīng)用廣泛[23]。

2.2 焊接工藝的評定

目前長輸管線的焊接主要參考API SPEC 1104 標(biāo)準(zhǔn)[24]， 站場管線主要參考ASME BPVC Ⅸ標(biāo)準(zhǔn)[25]， 但這些標(biāo)準(zhǔn)均未對雙金屬復(fù)合鋼管的焊接有明確要求。 DEP 61.40.20.36-Gen[11]在API 1104 的基礎(chǔ)上做了修改， 并提出了詳細的重要變量規(guī)定， 從而為雙金屬復(fù)合鋼管的焊接提供了參考。 其重要變量歸納為：

（1） 母材。 包括碳鋼基材強度等級的提高、 成型方式的變化， 以及耐蝕合金層材料UNS 牌號的變化、 成型方式的變化， 外徑超出0.5D～1.5D 的變化。

（2） 接頭設(shè)計。 坡口形式的改變， 比如U形變成V 形， 鈍邊的錯邊量增加。

（3） 焊接位置。 軸向夾角較評定試件大25°。

（4） 壁厚。 焊件壁厚≤25 mm 時， 最大評定壁厚不超過1.25t； 焊件壁厚＞25 mm 時， 最大評定壁厚為0.75t～1.25t。

（5） 填充金屬。 直徑、 類別 （UNS 牌號）、供貨商、 打包道數(shù)及受工程臨界分析 （ECA） 影響的PQR 所用的填充金屬批號。

（6） 電特性及電弧能量。 電壓、 電流、 送絲速度超過±15%， 熱輸入量超過±10%， 背部支撐、 峰值電流以及脈沖持續(xù)時間超過±10%。

（7） 焊道間的時間間隔。 頭道根焊與二道根焊之間的時間間隔大于最大允許時間。

（8） 焊接方向。 下向焊變?yōu)樯舷蚝福?或反之。

（9） 背部保護氣體和自保護氣體成分及流速。 自保護氣體和背部保護氣體中O2的總體積分?jǐn)?shù)的增加不應(yīng)超過0.05%， 背部保護氣和自保護氣體的流速超過±10%， 背部保護氣中止前的焊道減少。

（10） 助焊劑。 分類、 類型或者商標(biāo)、 助焊劑的循環(huán)利用率以及受工程臨界分析 （ECA） 影響的PQR 所用的助焊劑批號。

（11） 焊接速度。 包括焊條移動速度的變化應(yīng)不超過±10%。

（12） 預(yù)熱以及層間溫度。 低于最低預(yù)熱溫度或高于最大層間溫度。

（13） 焊后熱處理。 增加或取消焊后熱處理要求， 或者熱處理參數(shù)變化。

（14） 焊道順序。 焊道順序的任何變化均應(yīng)視為重要變量。

（15） 對口器的類型及移除。 內(nèi)對口器變成外對口器， 或在開始正式WPS 前移除對口器。

（16） 定位焊。 定位焊的移除或者進一步完成根部焊接。

（17） 焊接返修。 靠近內(nèi)表面的局部焊透返修。

2.3 焊材的選擇及要求

針對雙金屬復(fù)合鋼管， 其內(nèi)層耐蝕合金以及基層碳鋼可以選擇不同的焊接材料， 為解決碳鋼對鎳基合金成分的稀釋影響， 內(nèi)覆層及過渡層的焊接材料要比母材含有更高的鉻鎳[21]。

參照825 合金的焊接， API 582 表A.4 提供了相應(yīng)的焊材選擇列表， 對于825 合金可采用ENiCrMo-3。 用于含硫工況時， 為保證焊接接頭的耐腐蝕和抗開裂性能， 挪威標(biāo)準(zhǔn)M-601 規(guī)定， 焊材應(yīng)增加Cr 和Mo 含量， w （S） 應(yīng)不超過0.015%。

2.4 保護氣體

對于GMAW 和GTAW， 自保護氣體可采用Ar 或Ar+He， 背部保護氣體可采用體積分?jǐn)?shù)為100%的N2或者Ar/N2混合氣體， 且N2的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)不小于5%[11,13]。 自保護氣體中不應(yīng)含有氫，避免在焊接過程中導(dǎo)致焊縫對氫的吸收[8]。

此外， 焊接前應(yīng)對背部保護氣體中O 含量進行測量， O2的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)低于0.005%， 以保證焊接接頭的抗點蝕性能[11-13]， 背部保護氣體宜最少維持至焊縫高度不小于10 mm 時方可移除[12]。

2.5 焊接參數(shù)的控制

825 合金復(fù)合鋼管一般無需進行預(yù)熱， 若需預(yù)熱以除去表面的水分和濕氣， 焊接前宜冷卻至室溫[11-13]。 為獲得抗腐蝕開裂性能優(yōu)異的焊接接頭， 控制熱輸入、 層間溫度和冷卻速率也至關(guān)重要。

挪威標(biāo)準(zhǔn)M-601 和BP 標(biāo)準(zhǔn)GIS 43-334 提到對于鎳基合金 （825 合金） 焊接層間溫度不應(yīng)低于預(yù)熱溫度， 且不應(yīng)超過最大評定溫度， 其推薦溫度為150 ℃。 Shell 標(biāo)準(zhǔn)61.40.20.36-Gen 提到對于鎳基合金 （825 合金） 焊接層間溫度不應(yīng)超過125 ℃。

825 合金具有較大的焊接熱裂紋傾向， 相對于奧氏體鋼必須更嚴(yán)格地限制有害雜質(zhì)， 焊接時宜采取相對較小的熱輸入[26]。 熱輸入量主要與焊接電流、 電弧電壓、 焊接速度有關(guān)[22]， 焊接時要用較小的電流且擺幅不宜過大， 焊接速度不應(yīng)過慢[27]。

3 825 復(fù)合鋼管焊接接頭性能控制

3.1 焊接接頭性能測試

3.1.1 力學(xué)性能測試

首先焊接接頭應(yīng)滿足力學(xué)性能要求， 按照ASME BPVC Ⅸ[25]的相關(guān)要求進行測試， 其中拉伸試驗應(yīng)按照QW-150 要求進行， 在試驗前應(yīng)去除825 內(nèi)覆層， 焊縫的抗拉強度應(yīng)不低于碳鋼母材； 導(dǎo)向彎曲試驗應(yīng)按照QW-163 要求進行，試樣彎曲后的凸面上沿任何方向測量， 在焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)不得有超過3 mm 的開口缺陷。 沖擊試驗應(yīng)按照ASTM A370[28]要求在最低設(shè)計溫度下進行測定， 在試驗前應(yīng)去除825 內(nèi)覆層， 針對酸性高鹽工況下全尺寸試樣焊縫最小平均沖擊功推薦值為50 J， 最小單值為40 J， 熱影響區(qū)最小平均沖擊功推薦值為75 J， 最小單值為55 J。

為了避免825 復(fù)合鋼管焊接接頭在含H2S高鹽工況下出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂， 應(yīng)控制焊縫硬度。 NACEMR 0175/ISO 15156-2 中規(guī)定碳鋼最大硬度應(yīng)不超過22HRC 或250HV10。 NACE MR 0103/ISO 17945[29]規(guī)定固溶態(tài)825 合金經(jīng)冷加工處理后的最大硬度應(yīng)不超過35HRC。 NACEMR 0175/ISO 15156-3 中規(guī)定鎳基合金焊接后熱影響區(qū)的硬度應(yīng)不超過母材和熔覆金屬的最大硬度。BP 標(biāo)準(zhǔn)GIS 43-334 給出鎳基合金焊縫和熱影響區(qū)的最大硬度值不超過345HV10。 酸性高鹽工況下， 推薦其硬度值應(yīng)控制在不超過345HV10。

3.1.2 耐點蝕性能測試

為保證825 復(fù)合鋼管焊接接頭的抗點蝕性能， 應(yīng)按ASTM G48 的A 法進行耐點蝕性能評價[30]， 試樣尺寸10 mm×50 mm （焊縫位于中心位置）， 采用6%FeCl3溶液， 試驗溫度（50±1） ℃，試驗周期24 h。

驗收評價： 在20 倍顯微鏡下進行外觀檢查， 應(yīng)無點蝕坑， 同時記錄失重， 且失重不應(yīng)超過4 g/m2。

3.1.3 晶間腐蝕性能測試

為保證825 復(fù)合鋼管焊接接頭的抗點蝕性能，應(yīng)按ASTM G28 A 法進行耐晶間腐蝕性能評價[31]，試樣面積應(yīng)在5～20 cm2（焊縫位于中心位置）， 采用Fe2（SO4）3-H2SO4沸騰溶液， 試驗周期120 h。

驗收評價： 試樣的腐蝕速率不應(yīng)超過0.5 mm/a。

3.1.4 硫化物應(yīng)力腐蝕開裂性能測試

為保證825 復(fù)合鋼管焊接接頭的抗應(yīng)力腐蝕性能， 按照NACE MR0175/ISO 1516-3 要求， 至少應(yīng)進行常溫條件下硫化物應(yīng)力腐蝕開裂性能評價以及最大服役溫度下的應(yīng)力腐蝕開裂性能評價。 試驗按照ASTM G39[32]及NACE TM 0177[33]標(biāo)準(zhǔn)進行， 采用四點彎曲法對焊件進行應(yīng)力腐蝕試驗。 測試溶液采用現(xiàn)場模擬溶液， 包括產(chǎn)出水中的C1-、 HCO3-以及H2S、 CO2的氣相分壓， 測試加載應(yīng)力為100%AYS （測試溫度下母材實際屈服強度）， 且焊件近管道內(nèi)壁側(cè)承受拉應(yīng)力，試驗周期720 h。

驗收評價： 在10 倍放大鏡下進行外觀檢查，受拉應(yīng)力面上應(yīng)無任何裂紋。

3.2 金相測試

焊接接頭微觀金相測試應(yīng)按照ASTM E562 放大至400 倍進行[34]。

驗收評價： 焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)應(yīng)無碳化物、 氮化物和其他中間相組織， 它的總量應(yīng)不超過0.05%[11]。

3.3 化學(xué)成分測試

焊接接頭應(yīng)進行化學(xué)成分測試， 測試位置應(yīng)在根焊中心線以下距表面0.5 mm 處， 當(dāng)所用填充金屬化學(xué)成分不同于基材時， 接頭處的化學(xué)成分測試結(jié)果應(yīng)滿足填充金屬的化學(xué)成分要求[11]，并且其耐點蝕當(dāng)量應(yīng)不低于42[13]。

3.4 焊后熱處理

對于復(fù)合鋼管的焊接一般不要求進行熱處理[11-12，35]。 若必須進行焊后熱處理， 首先應(yīng)保證合金表面的潔凈度， 應(yīng)無油污、 油脂、 涂層等污染物， 以避免熱處理過程中腐蝕的發(fā)生。 同時， 必須要嚴(yán)格控制熱處理過程中的加熱和冷卻方式以及爐內(nèi)氣氛中的S 含量[35]。

4 結(jié) 論

近年來， 隨著中石油中東高H2S 高鹽油氣田的開發(fā)， 825 復(fù)合鋼管的應(yīng)用不斷推廣。 在基于國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上， 通過理論分析， 并結(jié)合現(xiàn)場工程實際， 獲得以下相關(guān)結(jié)論：

（1） 明確了825 合金在高H2S 高鹽工況下存在的失效風(fēng)險和適用工況。

（2） 明確了825 復(fù)合鋼管在高H2S 高鹽工況下焊接工藝評定的變量、 關(guān)鍵焊接參數(shù)控制要求、焊材的技術(shù)規(guī)定以及保護氣體的選擇， 為高硫高鹽工況下825 復(fù)合鋼管的焊接提供了參考。

（3） 明確了高硫高鹽工況下825 復(fù)合鋼管焊接接頭的性能測試試驗和評定要求， 保證焊接接頭的力學(xué)性能和抗腐蝕開裂性能。