N08825復(fù)合材料焊接工藝要點(diǎn)和腐蝕試驗(yàn)研究

摘 要 對(duì)N08825復(fù)合材料的焊接性進(jìn)行了初步分析，從焊接方法、焊接材料、坡口型式、加工及組對(duì)、背部保護(hù)以及焊縫冷卻等幾個(gè)方面，提出N08825復(fù)合材料的焊接工藝要點(diǎn)。根據(jù)總結(jié)和分析的焊接要點(diǎn)，制備了L360QS/Incoloy825復(fù)合管焊接試件，并對(duì)試樣進(jìn)行了點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、抗氫致開裂、SCC應(yīng)力腐蝕開裂、SSC硫化物應(yīng)力開裂等方面的試驗(yàn)，結(jié)果表明試件滿足要求。

關(guān)鍵詞 N08825復(fù)合材料 鎳基合金 焊接工藝 腐蝕試驗(yàn)

中圖分類號(hào) TQ050.4+3" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B" "文章編號(hào) 0254?6094（2023）01?0113?06

復(fù)合材料（包括復(fù)合板和復(fù)合管）具有雙金屬材料特點(diǎn)：基層能滿足設(shè)備強(qiáng)度和剛度的需求，復(fù)層有色金屬能滿足耐蝕、耐磨及耐高溫等需求。既可節(jié)約大量的有色金屬，降低生產(chǎn)成本，又不影響其綜合使用性能，因而在采油、石化、化工及醫(yī)藥等行業(yè)廣泛應(yīng)用。UNS N08825奧氏體Ni?Fe?Cr?Mo?Cu系列鎳基合金，在中等氧化性環(huán)境、中等還原性環(huán)境中都具有良好的抗腐蝕能力，在室溫和高達(dá)550 ℃時(shí)也具有很好的力學(xué)性能。

近些年在開采天然氣田，尤其是“六高”油氣田（高產(chǎn)量、高溫、高壓、高含H2S、高含CO2、高含氯離子），比如四川省普光氣田、元壩氣田等時(shí)，由于分離集輸?shù)仍O(shè)備面臨不同溫度的H2S氣體或H2S+CO2混合氣體的腐蝕，為提高天然氣和原油開采及輸送安全性，以N08825合金為代表的耐蝕合金廣泛應(yīng)用于上述介質(zhì)中的設(shè)備。研究N08825復(fù)合材料的焊接工藝、開發(fā)焊接相關(guān)配套工裝設(shè)備，對(duì)于保證設(shè)備制造質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，以及設(shè)備的安全運(yùn)行，都具有重要意義。

1 N08825復(fù)合材料焊接性分析

1.1 材料性能

工程上采用的N08825復(fù)合材料，基層是抗酸性腐蝕的碳鋼，同時(shí)可滿足強(qiáng)度、鋼度及韌性等力學(xué)性能的要求;覆層N08825（Incoloy825）屬奧氏體不銹鋼，在氧化和還原環(huán)境下都具有抗酸的腐蝕性能，其高鎳成分使合金具有有效的抗應(yīng)力腐蝕開裂性。在各種介質(zhì)中的耐腐蝕性都很好，如硫酸、磷酸、硝酸和有機(jī)酸，堿金屬如氫氧化鈉、氫氧化鉀和鹽酸溶液，在油氣田開采等工業(yè)中得到了越來越多的應(yīng)用[1～3]。

1.2 焊材的選擇

以L360QS/Incoloy825復(fù)合管為例，覆層鎳基合金（Incoloy825）和基層碳鋼（L360QS）的化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能和物理性能見表2。

由表1、2可以看出Incoloy825合金與碳鋼的化學(xué)成分差別很大，在焊接時(shí)合理選擇兩種合金過渡層的焊接材料尤為重要?？紤]到合金成分的稀釋問題，應(yīng)盡量使用Ni合金成分含量高的焊接材料。Incoloy825合金與碳鋼的磁性、電阻率、線膨脹系數(shù)及導(dǎo)熱率等也有明顯差異，這將會(huì)給復(fù)合管的焊接帶來一些困難。

1.3 不同因素對(duì)焊縫金屬的影響

雜質(zhì)元素。S、Si等雜質(zhì)在Incoloy825合金的焊縫金屬中容易偏析。S和Ni形成Ni?NiS低熔點(diǎn)共晶，在焊縫金屬凝固過程中，這種低熔點(diǎn)共晶在晶間形成一層液態(tài)薄膜，在焊接應(yīng)力的作用下可能形成晶間裂紋。焊接過程中Si、O等形成復(fù)雜的硅酸鹽，在晶界形成一層脆的硅酸鹽薄膜，在焊縫金屬凝固過程中或凝固后的高溫區(qū)，形成高溫低塑性裂紋。

不同導(dǎo)熱率。覆層和基層兩種金屬的導(dǎo)熱率不同，會(huì)改變焊接時(shí)的溫度場(chǎng)分布，從而改變焊縫的結(jié)晶條件。導(dǎo)熱率大的金屬首先冷卻、結(jié)晶，造成焊縫成分和組織的不均勻。導(dǎo)熱性差的金屬，焊接熱量不易通過傳導(dǎo)散出，焊接熔池容易過熱，造成室溫顯微組織晶粒粗大，便在晶間夾層增厚，減弱晶間結(jié)合力，延長(zhǎng)了焊縫金屬的凝固時(shí)間，助長(zhǎng)了熱裂紋的形成。

不同線膨脹系數(shù)。Incoloy825合金與碳鋼的線膨脹系數(shù)不同，焊接時(shí)由于焊接熱循環(huán)的作用，在這兩種合金內(nèi)部產(chǎn)生交變的加熱和冷卻，容易在接頭處產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，從而形成裂紋等缺陷。

電弧磁偏吹。Incoloy825合金與碳鋼的磁性不同，前者基本無磁性，而后者有磁性。在焊接時(shí)，由于兩種材料的磁性不同，容易造成焊接電弧磁偏吹，從而使焊縫成型變差，甚至?xí)斐珊缚p夾渣、未熔合等焊接缺陷，影響焊接質(zhì)量。因而在焊接時(shí)，宜采用直流反接的方法。

微觀組織。對(duì)于Incoloy825合金及其他奧氏體不銹鋼來說，在450～850 ℃高溫下持續(xù)服役的過程中有發(fā)生晶間腐蝕的可能性，層間溫度應(yīng)控制合理范圍以內(nèi)，減少?gòu)?00 ℃冷卻到 500 ℃的時(shí)間，改變?nèi)鄢氐睦鋮s速度，從而達(dá)到防止冷裂紋、控制組織以達(dá)到滿意的性能的目的。而碳鋼組織以鐵素體為主，過快的冷卻速度易產(chǎn)生淬硬組織，故焊接時(shí)應(yīng)注意保持一定的層間溫度。

2 焊接工藝要點(diǎn)

2.1 焊接方法選擇

筆者開展了焊條電弧焊（SMAW）、手工TIG焊、半自動(dòng)TIG焊、全自動(dòng)TIG焊、半自動(dòng)MIG焊、埋弧焊（SAW）在N08825復(fù)合材料焊接施工中焊接試驗(yàn)和相關(guān)理化（包括腐蝕）試驗(yàn)。并獲得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步掌握了常見焊接方法。通過總結(jié)不同焊接方法的試驗(yàn)情況，歸納出以下經(jīng)驗(yàn)：

a. 手工TIG焊、SMAW、半自動(dòng)TIG焊和全自動(dòng)TIG焊熱輸入較為相對(duì)較小，能夠滿足825復(fù)合材料焊接施工要求;半自動(dòng)MIG焊、SAW由于熱輸入較大，不宜在825復(fù)合管現(xiàn)場(chǎng)焊接中使用;

b. 825復(fù)合管打底宜采用手工TIG焊或半自動(dòng)TIG焊焊接;

c. 全自動(dòng)TIG焊在大管徑的直管段預(yù)制和長(zhǎng)輸管道施工中具有較大的效率和成本優(yōu)勢(shì);

d. 半自動(dòng)TIG焊在小管徑的管道、管件預(yù)制中具有較大的效率和成本優(yōu)勢(shì);

e. 手工TIG焊和SMAW較靈活，不受施工位置和管徑限制。

2.2 焊接材料選擇

為確保耐蝕堆焊金屬的質(zhì)量，在使用ERNiCrMo?3進(jìn)行堆焊之前，使用不同保護(hù)氣體進(jìn)行了多組試驗(yàn)，其中包括99.99%的氬氣（堆焊焊縫如圖1中1所示）、氧氣與氬氣的混合氣體（堆焊焊縫如圖1中2所示）、二氧化碳?xì)怏w與氬氣的混合氣體（堆焊焊縫如圖1中3所示）以及氦氣與氬氣的混合氣體（堆焊焊縫如圖2所示）。

在N08825復(fù)合材料焊接材料選用上，通過多次焊接試驗(yàn)，并結(jié)合無損檢測(cè)和耐腐蝕性試驗(yàn)結(jié)果，焊材選用如下：

SMC焊絲 AWS A5.14 ERNiCrMo?3

SMC焊條 A5.11 ENiCrMo?3

保護(hù)氣體 純度不小于99.99%的氬氣和氦

氣與氬氣的混合氣體

2.3 坡口型式設(shè)計(jì)

從工藝可焊性、焊接質(zhì)量、焊材消耗等方面對(duì)V型、U型、J型坡口等進(jìn)行多次試驗(yàn)，通過調(diào)整坡口角度、R角、鈍邊厚度等尺寸，并結(jié)合手工焊和半/全自動(dòng)焊接方法時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，最終確定如圖3所示的坡口型式、尺寸和組對(duì)間隙。

2.4 坡口加工及組對(duì)

N08825復(fù)合材料坡口加工宜采用機(jī)械方法，嚴(yán)禁火焰切割。因N08825復(fù)合材料使用環(huán)境對(duì)焊縫耐腐蝕性要求較高，因此對(duì)焊縫根部的焊接質(zhì)量和抗腐蝕能力要求較高，組對(duì)時(shí)一定要嚴(yán)控內(nèi)口錯(cuò)邊量，并根據(jù)不同的焊接方法，嚴(yán)控鈍邊厚度和組對(duì)間隙，保證根部焊接質(zhì)量;有條件時(shí)宜使用內(nèi)對(duì)口器等輔助工具進(jìn)行組對(duì)。

2.5 背部保護(hù)裝置

因N08825復(fù)合材料使用環(huán)境對(duì)焊縫耐腐蝕性要求較高，為防止因焊接氧化問題造成復(fù)合管內(nèi)覆層耐蝕能力下降，對(duì)焊縫背部提出了較高的檢測(cè)要求。針對(duì)焊縫背部保護(hù)，對(duì)國(guó)內(nèi)外常用的管道焊接充氣背保方式（裝置）進(jìn)行了多次試驗(yàn)，如水溶紙、氣囊、輪式橡膠板、帶背保功能的內(nèi)對(duì)口器等。通過大量試驗(yàn)可知，上述背保方式（裝置）中，保護(hù)效果最好是帶背保裝置的內(nèi)對(duì)口器，特別適合直管段預(yù)制和長(zhǎng)輸管道的焊接。在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，條件允許的情況下應(yīng)優(yōu)先選用帶背保裝置的內(nèi)對(duì)口器。但該裝置也存在體積大、拆裝麻煩的情況，在廠站內(nèi)的U型彎、固定口焊接時(shí)存在不易取出的缺點(diǎn)。

2.6 焊縫冷卻裝置

N08825復(fù)合管焊接時(shí)熱輸入過大，容易造成晶粒粗大，覆層抗腐蝕性能下降，因此，對(duì)層間溫度的要求較嚴(yán)格，規(guī)范要求不大于150 ℃，實(shí)際焊接時(shí)往往要求控制在100 ℃以下，這種情況嚴(yán)重制約了施工效率。為了克服上述問題，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和技術(shù)創(chuàng)新，研制出了專門的焊縫冷卻裝置。

2.7 焊接要點(diǎn)

根據(jù)以上分析將焊接要點(diǎn)總結(jié)如下：

a. 根據(jù)施工環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)位置選用適當(dāng)?shù)暮附臃椒?，打底焊宜選用手工或半自動(dòng)TIG焊;

b. 根據(jù)不同的焊接方法選用適當(dāng)?shù)钠驴谛褪胶统叽?，并?yán)控內(nèi)錯(cuò)邊量和組對(duì)間隙;

c. 在保證焊縫金屬熔合良好的情況下，盡量采用小電流直流焊接;

d. 焊接時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的層間清理，以保證每層焊縫熔合良好;

e. 鎳合金熔池的流動(dòng)性差，自動(dòng)焊或半自動(dòng)焊時(shí)應(yīng)保證電弧在坡口兩側(cè)的停頓時(shí)間，避免產(chǎn)生側(cè)壁未熔缺陷;

f. 因N08825復(fù)合材料焊縫對(duì)氧化較敏感，對(duì)選用的保護(hù)氣體應(yīng)進(jìn)行純度復(fù)驗(yàn)或試焊。

3 腐蝕試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)上述分析總結(jié)的焊接要點(diǎn)，選用L360QS/Incoloy825復(fù)合管，采用手工TIG焊，選擇適宜的焊接參數(shù)，制備了焊接試件，對(duì)焊接試樣進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。在試驗(yàn)過程中，為了驗(yàn)證焊縫的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，除了拉伸、彎曲、沖擊、金相及化學(xué)成分分析等常規(guī)理化試驗(yàn)外，同時(shí)委托專業(yè)實(shí)驗(yàn)室做了大量的腐蝕試驗(yàn)，以驗(yàn)證焊接接頭的抗腐蝕能力。試驗(yàn)項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)見表3。

3.2 點(diǎn)蝕試驗(yàn)

點(diǎn)蝕試樣取自復(fù)合管鎳基825合金覆層，試樣尺寸為50 mm×25 mm×1.5 mm，試驗(yàn)溶液：900 mL蒸餾水+100 g FeCl3·6H2O，試驗(yàn)溫度22 ℃和50 ℃，試驗(yàn)周期72 h，每組3個(gè)平行試樣，試驗(yàn)后計(jì)算失重速率并觀察表面是否出現(xiàn)點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕試驗(yàn)共進(jìn)行了83組，其中21組出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象。

為了研究點(diǎn)蝕發(fā)生的原因，對(duì)點(diǎn)蝕試樣進(jìn)行SEM和EDS分析，結(jié)果如圖4所示。

SEM和EDS分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：焊接接頭的元素過渡區(qū)域Fe元素含量急劇升高，導(dǎo)致Cr、Mo、Ni的相對(duì)含量降低，從而使得耐蝕性能下降，熔合線成為整個(gè)焊接接頭耐蝕性最薄弱的部位。

3.3 晶間腐蝕試驗(yàn)

做了ASTM G28 A法、A262 C法和A262 E法3種晶間腐蝕試驗(yàn)，試樣均取自825復(fù)合材料，試樣尺寸為30 mm×20 mm×1.5 mm。ASTM G28 A法試驗(yàn)溶液：400 mL蒸餾水+236 mL H2SO4+25 g

Fe2（SO4）3，試驗(yàn)溫度為沸點(diǎn)，試驗(yàn)周期120 h，共進(jìn)行試驗(yàn)45組，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)速率不大于1 mm/a。ASTM A262 C法試驗(yàn)溶液：65%硝酸溶液，試驗(yàn)溫度為沸點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)間為5個(gè)周期，每個(gè)周期48 h，共進(jìn)行試驗(yàn)33組，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為平均腐蝕率小于0.72 mm/a。ASTM A262 E法試驗(yàn)溶液：700 mL H2O+100 g CuSO4·5H2O+100 mL H2SO4，定容至1 000 mL，加銅粉，試驗(yàn)溫度為沸點(diǎn)，試驗(yàn)周期24 h。試驗(yàn)結(jié)束后利用彎曲模具進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，觀察試樣彎曲面裂紋情況。共進(jìn)行試驗(yàn)49組，均未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象。3.4 氫致開裂試驗(yàn)

氫致開裂（Hydrogen Induced Cracking，HIC）試驗(yàn)又叫抗氫誘導(dǎo)裂紋試驗(yàn)、抗氫脆試驗(yàn)。HIC試樣取自825復(fù)合材料基層，試樣尺寸為100 mm×20 mm×5 mm，焊縫居中，試驗(yàn)溶液：5%NaCl+0.5%CH3COOH，試驗(yàn)溫度25 ℃，試驗(yàn)周期96 h。共進(jìn)行試驗(yàn)20組，試驗(yàn)結(jié)果表明焊接接頭試樣表面均未出現(xiàn)HIC裂紋。氫原子在金屬材料內(nèi)部的擴(kuò)散主要是依附于材料各種缺陷，故提高焊接接頭的抗氫致開裂性能，主要從焊接工藝方面著手解決。

3.5 應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)

應(yīng)力腐蝕開裂（Stress Corrosion Cracking，SCC）試驗(yàn)是在有水和H2S存在的情況下，與局部腐蝕的陽極過程和拉應(yīng)力相關(guān)的一種金屬開裂。SCC試樣取自復(fù)合825覆層，試樣尺寸為67.3 mm×4.57 mm×1.52 mm，焊縫居中，按100% SMYS加載，試驗(yàn)溶液為模擬氣田水溶液，H2S和CO2壓力均為0.95 MPa，試驗(yàn)溫度120 ℃，試驗(yàn)時(shí)間720 h。共進(jìn)行試驗(yàn)20組，試驗(yàn)結(jié)果表明：試樣表面均未出現(xiàn)裂紋，且表面幾乎沒有腐蝕產(chǎn)物，由此說明采用前述焊接方法得到的焊接接頭具有良好的耐蝕性能，滿足抗SCC開裂性能要求。

3.6 硫化物應(yīng)力開裂試驗(yàn)

硫化物應(yīng)力開裂試驗(yàn)（Sulfide Stress Cracking，SSC）也叫硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)，是在有水和H2S存在的情況下，與腐蝕和拉應(yīng)力有關(guān)的一種金屬開裂。SSC試樣取自825復(fù)合材料基層，試樣尺寸為115 mm×15 mm×5 mm，焊縫居中，按90% AYS加載，試驗(yàn)溶液：5%NaCl+0.5%CH3COOH，試驗(yàn)溫度24 ℃，試驗(yàn)周期720 h。共進(jìn)行試驗(yàn)41組，試驗(yàn)結(jié)果表明：試樣表面均未出現(xiàn)裂紋，且表面幾乎沒有腐蝕產(chǎn)物，由此說明采用前述焊接方法得到的焊接接頭具有良好的耐蝕性能，滿足抗SCC開裂性能要求。

3.7 腐蝕試驗(yàn)小結(jié)

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可知，復(fù)合管焊接接頭覆層鎳基合金點(diǎn)蝕和晶間腐蝕發(fā)生的主要原因是碳鋼層對(duì)焊縫元素的稀釋，非金屬夾雜物的存在也會(huì)增加點(diǎn)蝕和晶間腐蝕傾向。焊接接頭的覆層抗氫致開裂、抗SCC應(yīng)力腐蝕開裂、抗SSC硫化物應(yīng)力腐蝕開裂性能良好。

4 結(jié)束語

N08825鎳基復(fù)合材料具有優(yōu)良的耐蝕性能，但是在焊接中存在著很多難點(diǎn)。應(yīng)根據(jù)具體施工條件選用適當(dāng)?shù)暮附臃椒?，?yán)控錯(cuò)邊量和組對(duì)間隙，進(jìn)行必要的層間清理，在焊接時(shí)盡量采用小電流直流焊。由于N08825復(fù)合材料焊縫對(duì)氧化較敏感，尤其應(yīng)注意對(duì)保護(hù)氣體質(zhì)量的控制。

焊接試樣腐蝕試驗(yàn)表明，通過選擇適宜的焊接參數(shù)、焊接過程中注意碳鋼層的影響、控制非金屬夾雜物的形成等措施，得到的焊接試樣點(diǎn)蝕、晶間腐蝕可以通過焊接工藝評(píng)定，焊接接頭的抗氫致開裂、抗SCC應(yīng)力腐蝕開裂、抗SSC硫化物應(yīng)力開裂性能良好，結(jié)果表明試件滿足要求。N08825鎳基復(fù)合材料焊接性能試驗(yàn)的結(jié)果，在某原油處理項(xiàng)目一批換熱器的制造中得到了應(yīng)用，應(yīng)用效果良好。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] DUPONT J N，LIPPOLD J C，KISER S D.鎳基合金焊接冶金和焊接性[M].吳祖乾，張晨，虞茂林，等，譯.上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2014：142-147.

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[3] 李杰，楊俊峰，孫兵兵.825合金在高溫高壓H2S/CO2環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕研究[J].熱加工工藝，2014，43（22）：90-93.

（收稿日期：2022-01-24，修回日期：2023-01-09）

基金項(xiàng)目：河南省基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)支持項(xiàng)目（2020ky07）。

作者簡(jiǎn)介：劉振剛（1965-），高級(jí)工程師，從事特種設(shè)備檢驗(yàn)工作，liuzg1095@126.com。

引用本文：劉振剛，耿亞鴿，于成科.N08825復(fù)合材料焊接工藝要點(diǎn)和腐蝕試驗(yàn)研究[J].化工機(jī)械，2023，50（1）：113-118.