Q345R（R-HIC）+S31603耐蝕合金復(fù)合彎頭生產(chǎn)工藝研究

李曉亮

（四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司，成都 610051）

隨著油氣田的開發(fā)，強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的輸送成為常態(tài)，復(fù)合成型的雙金屬復(fù)合管和管件的使用也越來越多[1-5]。鎳基耐蝕合金復(fù)合板因其極低的含碳量（≤0.02%）兼具較高的抗腐蝕性能被廣泛應(yīng)用[6-8]，由冶金復(fù)合板制作的復(fù)合管，其復(fù)合界面的剪切強(qiáng)度超過210 MPa，兼具了基層的力學(xué)性能和復(fù)層的耐蝕性能，能滿足高含硫等特殊工況下場站管線的建設(shè)需求[9-11]。但是針對曲率半徑R=1.5D的耐蝕合金復(fù)合彎頭管件制作尚存在很多技術(shù)難點(diǎn)，大多數(shù)國家主要采用堆焊工藝制備該彎頭[12-14]，通過采用冶金復(fù)合板制作復(fù)合管件（三通、大小頭、彎頭）的制造技術(shù)在國內(nèi)尚屬空白。因此，對于管件的成型，尤其是加工精度和質(zhì)量方面的技術(shù)，還有待進(jìn)一步研究。

1 材料性能

制作Q345R（R-HIC）+S31603Φ711 mm×（30+3）mm長半徑90°彎頭?；鶎硬牧蠟镼345R（R-HIC），主要化學(xué)成分見表1，復(fù)層材料S31603的主要化學(xué)成分見表2，Q345R（R-HIC）的力學(xué)性能見表3。

表1 基層材料Q345R（R-HIC）的主要化學(xué)成分

表2 復(fù)層材料S31603的主要化學(xué)成分

表3 Q345R（R-HIC）的力學(xué)性能

2 工藝研究

2.1 成型工藝

本研究中彎頭成型采用不銹鋼復(fù)合板“熱沖壓分瓣對接焊”方法。首先，采用液壓機(jī)及相應(yīng)模具將復(fù)合板沖壓成兩瓣彎頭，沖壓成型后，將兩瓣彎頭沿兩條軸向焊縫焊接成型。

彎頭沖壓成型時(shí)采用天然氣加熱爐進(jìn)行加熱，加熱過程中嚴(yán)格控制加熱溫度及保溫時(shí)間，自第一件毛坯出爐到最后一件毛坯出爐的時(shí)間和溫度控制全部采用全自動控制以防止彎頭毛坯過熱、過燒。具體加熱參數(shù)見表4。

表4 彎頭加熱工藝參數(shù)

此外，彎頭毛坯出爐壓制要求速度快，毛坯出爐至第一次壓制時(shí)間應(yīng)≤8 min。沖壓成型后，切去毛邊，打磨出坡口進(jìn)行組裝點(diǎn)焊。

2.2 焊接工藝

2.2.1 坡口

將復(fù)合板開V形坡口，坡口形狀如圖1所示。去除氧化層、油污及毛刺，將復(fù)合板對接、350℃烘干，在預(yù)熱溫度大于80℃條件下，采用E5015碳鋼焊條對基材Q345R進(jìn)行手工電弧焊連接，而后使用H08Mn焊絲，采用埋弧自動焊對基層焊接至距復(fù)層1.0～1.5 mm時(shí)終止；然后采用SJ613焊條對過渡層進(jìn)行手工電弧焊接，焊接道次為4道次，道間溫度小于90℃；最后采用SJ613焊條對復(fù)層進(jìn)行手工電弧焊接，工藝條件與過渡層相同。

圖1 復(fù)合板V形坡口形狀及尺寸

2.2.2 焊材選擇

不銹鋼復(fù)合板焊接屬于異種鋼焊接范疇，復(fù)合板焊接時(shí)，必然會出現(xiàn)不銹鋼復(fù)層和碳鋼基層過渡層焊接問題。奧氏體鋼和非奧氏體鋼的焊接，由于線膨脹系數(shù)相差大，易出現(xiàn)溫差應(yīng)力引起的裂紋；復(fù)層越厚產(chǎn)生裂紋傾向越大[4]。同時(shí)，由于復(fù)層與基層含碳量和合金成分有很大差異，焊接后復(fù)層會產(chǎn)生合金元素稀釋和增碳現(xiàn)象，而基層熔合線附近會有一定的脫碳現(xiàn)象，容易造成耐蝕性及強(qiáng)度下降等問題，所以焊接時(shí)應(yīng)選擇含Cr、Ni元素較復(fù)層母材金屬更高的焊條?；鶎印⑦^渡層和復(fù)層各自焊接材料的選擇需遵循相應(yīng)原則。基層焊接材料的選擇應(yīng)考慮材料力學(xué)性能的匹配。為保證焊接質(zhì)量，基層采用焊條電弧焊+埋弧自動焊，焊條選用E5015-G。DN700彎頭外觀考慮采用埋弧焊，選用H08MnHIC焊絲+SJ613HIC焊劑。

過渡層和復(fù)層的焊接材料選擇應(yīng)考慮化學(xué)成分和抗晶間腐蝕的要求。由于基材含碳量較高，所以不銹鋼復(fù)合板容器的不銹鋼復(fù)層焊材選用E316L-16，過渡層選用低碳焊材E309MoL-16以控制復(fù)層的含碳量?；牡穆窕『附舆x擇焊絲配焊劑H08MnHIC+SJ613HIC，其力學(xué)性能和化學(xué)成分分別見表5和表6?；鶎?、過渡層和復(fù)層的焊接材料見表7。

表5 Φ4 mm埋弧焊絲H08MnHIC+焊劑SJ613HIC焊縫的力學(xué)性能

表6 Φ4 mm埋弧焊絲H08MnHIC+焊劑SJ613HIC焊縫的化學(xué)成分

表7 耐蝕復(fù)合板不同焊層的焊接材料

2.2.3 焊接工藝參數(shù)

Q345R（R-HIC）+S31603Φ711 mm×（30+3）mm的1.5D長半徑90°彎頭焊接時(shí)相應(yīng)的工藝參數(shù)見表8。

表8 復(fù)合彎頭主要工藝參數(shù)

2.3 熱處理工藝

根據(jù)GB 150.4—2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，殼體Q345R厚度＞32 mm時(shí)必須進(jìn)行焊后熱處理。參照ASME VIII《壓力容器建造規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，復(fù)合板應(yīng)按基層的要求進(jìn)行焊后熱處理，熱處理工藝曲線如圖2所示。熱處理工藝見表9。

表9 Φ711 mm×（30+3）mm規(guī)格Q345R（R-HIC）+S31603彎頭的熱處理工藝

圖2 熱處理工藝曲線

2.4 酸洗鈍化工藝

熱處理后應(yīng)進(jìn)行酸洗和鈍化預(yù)處理。對工件表面的局部損傷進(jìn)行修磨或焊補(bǔ)，修磨后的表面應(yīng)圓滑過渡，復(fù)層修磨的減薄量不得大于0.9 mm，純不銹鋼修磨的減薄量不得大于原厚度的5%。將焊縫及其兩側(cè)焊渣、飛濺物清理干凈后，用凈水（水中氯離子含量不超過25 mg/L）沖刷干凈。

酸洗液和鈍化液的配置按照表10進(jìn)行。采用涂刷的方法，將酸洗液和鈍化液均勻涂至不銹鋼表面，保持15～30 min，直至表面生成均勻的鈍化膜。

表10 酸洗液和鈍化液的配比

3 彎頭性能

3.1 力學(xué)性能

制作Q345R（R-HIC）+S31603Φ711 mm×（30+3）mm復(fù)合彎頭后，分別在彎管彎曲段取內(nèi)弧側(cè)縱向、內(nèi)弧側(cè)橫向、外弧側(cè)縱向、外弧側(cè)橫向、外弧側(cè)焊縫、外弧側(cè)焊縫的熱影響區(qū)和管體上中部、管體下中部取樣，按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》測試材料的力學(xué)性能，結(jié)果見表11。

表11 Φ711 mm×（30+3）mm規(guī)格Q345R（R-HIC）+S31603復(fù)合彎頭不同位置的力學(xué)性能測試結(jié)果

在復(fù)合彎頭的彎管彎曲段內(nèi)弧側(cè)和外弧側(cè)分別取一個(gè)樣品，按照GB/T 232—1999《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。試樣按照彎心直徑40 mm、彎曲角度180°進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)。經(jīng)觀察，試驗(yàn)結(jié)束后試樣表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

在彎管不同位置取樣，按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》分別隨機(jī)選5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度測試，測試結(jié)果見表12。

通過表11和表12的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用上述焊接工藝進(jìn)行焊接試驗(yàn)后，Q345R（R-HIC）+S31603Φ711 mm×（30+3）mm復(fù)合彎頭的力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表12 彎管不同位置硬度測試結(jié)果

3.2 HIC/SSC性能

參照標(biāo)準(zhǔn)NACE 0177—2016《金屬在硫化氫環(huán)境中抗應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)》和標(biāo)準(zhǔn)NACE 0284—2016《管道壓力容器抗氫致開裂鋼性能評價(jià)的試驗(yàn)方法》，從彎頭焊縫部位分別取3個(gè)HIC試樣和3個(gè)SSC試樣，對其抗HIC及抗SSC性能進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表13。

表13 彎頭焊縫抗HIC和SSC性能檢測結(jié)果

由表13可以看出，HIC測試中，所有試樣均對裂紋不敏感，實(shí)測裂紋敏感率為0。經(jīng)過720 h腐蝕后，10倍放大倍數(shù)下未觀察到SSC試樣出現(xiàn)開裂，表明焊縫具有良好的抗HIC及抗SSC能力。

3.3 復(fù)層焊縫耐蝕性能

分別根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM G48-11（2015）使用三氯化鐵溶液做不銹鋼及其合金的耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法、GB/T 4334—2008（方法E）金屬和合金的腐蝕-不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法（Cu/CuSO4法）、JB/T 7901—1999金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法、NACE TM0177—2017金屬在H2S環(huán)境中耐硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕開裂的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，對復(fù)層焊縫進(jìn)行耐腐蝕性能評價(jià)試驗(yàn)，結(jié)果見表14。

表14 復(fù)層焊縫耐蝕性能

由表14可知，復(fù)層焊縫出現(xiàn)一個(gè)深度為0.46 mm的點(diǎn)腐蝕坑，晶間腐蝕后無裂紋出現(xiàn)，均勻腐蝕速率為0.001 8 mm/a，應(yīng)力腐蝕后無開裂。因此，從復(fù)層焊縫點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、均勻腐蝕和應(yīng)力腐蝕的測量結(jié)果可知，復(fù)層焊縫的耐腐蝕性能達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。

4結(jié)論

（1）采用不銹鋼復(fù)合板“熱沖壓分瓣對接焊”方法，試制曲率半徑1.5D耐蝕合金復(fù)合彎頭管件，切實(shí)可行，極大地降低了生產(chǎn)制造成本，提高了生產(chǎn)效率。

（2）通過Q345R（R-HIC）+S31603Φ711 mm×（30+3）mm1.5D長半徑90°彎頭復(fù)合板的焊接工藝研究，制定了合理的壓制、焊接及熱處理工藝。通過對試制彎頭進(jìn)行力學(xué)性能、焊接接頭的抗HIC和SSC性能、復(fù)層的抗點(diǎn)蝕、晶間腐蝕和均勻腐蝕性檢測，試驗(yàn)結(jié)果均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。