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      X60/625鎳基合金復(fù)合管環(huán)縫焊接工藝及應(yīng)用

      2022-03-09 03:36:00楊延華
      焊接 2022年1期
      關(guān)鍵詞:復(fù)合管雙金屬堆焊

      楊延華

      (西安航空學(xué)院,西安 710077)

      0 前言

      在油氣集輸管道中,應(yīng)用雙層金屬?gòu)?fù)合管是防止油氣介質(zhì)腐蝕內(nèi)徑的有效方法,是一種新型防腐技術(shù)[1-3],以雙層金屬?gòu)?fù)合管作為油氣田輸送管,是有效進(jìn)行腐蝕預(yù)防和控制的主要管材,與碳鋼管相比可以耐腐蝕,與耐蝕合金純材相比,價(jià)格經(jīng)濟(jì)。由于雙金屬?gòu)?fù)合管的良好的耐蝕性和經(jīng)濟(jì)性,自20世紀(jì)90年代以來(lái),其相關(guān)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用研究取得一定進(jìn)展[4-5]。雙金屬?gòu)?fù)合管在油氣集輸管道中的應(yīng)用,有效解決了高腐蝕油氣集輸管材的腐蝕問題。由于雙金屬?gòu)?fù)合管道是2種材料機(jī)械或者冶金結(jié)合,則管道的質(zhì)量受多個(gè)加工環(huán)節(jié)影響,其中包括制造、檢驗(yàn)、施工等,其中管道環(huán)焊縫的焊接,是管道集輸系統(tǒng)密封和強(qiáng)度、耐蝕等極其重要環(huán)節(jié),否則極易出現(xiàn)焊接開裂、腐蝕泄露等質(zhì)量安全事故及環(huán)保事故[6-7]。

      有些地區(qū)天然氣中含有硫化氫等腐蝕介質(zhì),如阿美公司建設(shè)的沙特哈拉德項(xiàng)目位于沙特中南部的蒙德瑞克地區(qū),該地區(qū)天然氣中含有的硫化氫等腐蝕介質(zhì),對(duì)碳鋼管產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕性,尤其是場(chǎng)站工藝管線、彎頭、彎管、三通等管件,更容易發(fā)生腐蝕失效,嚴(yán)重降低工藝管網(wǎng)的使用壽命,場(chǎng)站維修、更換管線管件比較復(fù)雜,且成本高。如果需要停輸將會(huì)嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益。因此,選擇雙金屬?gòu)?fù)合管成為油氣田集輸管道腐蝕控制重要手段。在沙特哈拉德項(xiàng)目11條集輸干線及7座站場(chǎng)管線全部設(shè)計(jì)為內(nèi)堆焊冶金復(fù)合管X60/625,基材為API 5L PSL2 X60,覆材為鎳基合金625,管徑分別是6寸、8寸、16寸、20寸、24寸、30寸、48寸,壁厚范圍為7.11/3~38.1/3 mm。

      由于雙金屬?gòu)?fù)合管焊接本身涉及到異質(zhì)材料的焊接,具有一定的焊接難度,再加上本項(xiàng)目冶金復(fù)合管是在X60基管內(nèi)堆焊鎳基焊材625而成,覆層材料受應(yīng)力、裂紋、氧化、合金元素稀釋等因素影響,在環(huán)焊縫組對(duì)焊工程中焊接更為困難。

      依據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)[7],在20世紀(jì)90年代初期,雙金屬?gòu)?fù)合管管端封焊處理,環(huán)焊縫工藝為根焊、過(guò)渡焊、填充焊、蓋面焊等。管端封焊采用不銹鋼焊絲,經(jīng)過(guò)TIG焊接工藝完成不銹鋼和碳鋼層間隙的密封焊接。根焊采用不銹鋼焊絲或焊條打底,過(guò)渡焊采用過(guò)渡材料焊接,如309Mo焊絲,完成從不銹鋼層到碳鋼層的過(guò)渡,接著填充焊和蓋面焊采用碳鋼焊材完成碳鋼層的填充和蓋面。此類焊接工藝薄弱環(huán)節(jié)主要為封焊工藝和過(guò)渡焊工藝。例如,某油田用φ273 mm×(7+2) mm L360/316雙金屬機(jī)械復(fù)合管,管端采用封焊工藝,環(huán)焊縫采用根焊、過(guò)渡焊、填充及蓋面焊,抽查焊口220道,合格率為77.2%,不合格焊口主要集中為封焊和過(guò)渡焊問題[8]。而文獻(xiàn)[9-10]分析的某油田L(fēng)415/316L復(fù)合管焊接裂紋結(jié)果說(shuō)明,過(guò)渡層高碳含量引起的高淬硬傾向從而引起復(fù)合管焊接接頭裂紋。文獻(xiàn)[11]報(bào)道分析了新疆克深2氣田應(yīng)用雙金屬?gòu)?fù)合管實(shí)踐中出現(xiàn)了焊接裂紋,從而導(dǎo)致失效管道失效。

      鑒于根焊、過(guò)渡、填充焊接工藝具有成本低、便于施工等優(yōu)點(diǎn),在塔里木迪那2氣田、克深2氣田等應(yīng)用,取得一定效果,但是還是容易出現(xiàn)焊縫稀釋、焊縫裂紋等問題。因而這類焊接工藝需要具有可靠穩(wěn)定的焊接工藝控制手段和檢驗(yàn)手段,從而方可保證接頭的焊接質(zhì)量[7]。還有文獻(xiàn)[12-13],從焊接坡口、保護(hù)氣體等方面研究雙金屬?gòu)?fù)合管環(huán)焊縫相關(guān)工藝,也取得一定進(jìn)展,值得行業(yè)借鑒。因此,文中開展對(duì)X60/625堆焊冶金復(fù)合管環(huán)焊縫焊接工藝研究,以來(lái)保證焊縫的結(jié)構(gòu)性能和耐蝕性能,為阿美公司建設(shè)的沙特哈拉德項(xiàng)目提供工藝參考。

      1 焊接工藝分析與工藝設(shè)計(jì)

      1.1 焊接性能分析

      堆焊冶金CLAD復(fù)合管φ219 mm×(8.74+3) mm X60/625,內(nèi)層為鎳基耐蝕性金屬(鎳基合金625),在室溫下的微觀金相組織為單一奧氏體;外層為低合金鋼(X60),在室溫下的微觀金相組織為針狀鐵素體+珠光體?;軋?zhí)行API Spec 5L 45版 PSL2標(biāo)準(zhǔn),規(guī)格為φ219 mm×8.74 mm,堆焊冶金復(fù)合管規(guī)格為φ219 mm×(8.74+3) mm,堆焊材料為625,堆焊厚度為3 mm?;転閄60管線鋼材料,I型碳當(dāng)量CEPcm為0.16%,II型碳當(dāng)量CEIIW為0.33%,其屬于低合金鋼,具有良好的焊接性能,焊接試驗(yàn)用X60管線鋼拉伸性能測(cè)試結(jié)果為,屈服強(qiáng)度為 440 MPa,抗拉強(qiáng)度為550 MPa。堆焊焊絲為625材料,所有堆焊層為625熔覆金屬,PMI測(cè)試結(jié)果Cr含量為22.62%,Ni含量為62.97%,Mo含量為8.90%,符合 625熔覆金屬材料化學(xué)成分要求。堆焊冶金復(fù)合管基管、覆層的化學(xué)成分分別見表1和表2。

      表1 基管X60化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

      表2 堆焊層化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

      1.2 焊接工藝設(shè)計(jì)

      焊接工藝設(shè)計(jì)為鎢極氬弧焊+焊條電弧焊(GTAW+SMAW)來(lái)進(jìn)行焊接。焊接前要進(jìn)行坡口設(shè)計(jì)、管道的組對(duì)、背面保護(hù)及全位置焊接等。坡口設(shè)計(jì)中,由于該項(xiàng)目中焊材為X60/625,坡口加工為30°±2.5°,如圖1焊接坡口及焊接分層示意圖所示。采用機(jī)械加工,嚴(yán)禁使用氧-乙炔和等離子切割加工,加工成形后用磨光機(jī)進(jìn)行清理坡口內(nèi)外表面。坡口組對(duì)前,需重新對(duì)坡口清理表面,去除鎳基層表面氧化膜,在用丙酮清洗坡口內(nèi)外表面,清洗后用清水沖洗并用絲布擦干,對(duì)口間隙為0~1 mm。焊絲選用伯樂AWS A5.14 ERNiCrMo-3,焊絲直徑為φ2.4 mm,抗拉強(qiáng)度≥760 MPa,焊絲化學(xué)成分見表3。焊條選用伯樂AWS A5.11ENiCrMo-3 Thermanit 625,焊條直徑為φ2.5 mm,屈服強(qiáng)度≥450 MPa,抗拉強(qiáng)度≥760 MPa,焊條化學(xué)成分見表4。

      圖1 焊接坡口及焊接分層示意圖

      表3 焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

      表4 焊條化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

      保護(hù)氣體選用工業(yè)氬氣(Ar),純度99.997%,焊接氬氣流量10~15 L/min,根焊時(shí)背氬流量20~25 L/min。

      焊接工藝過(guò)程為:根焊(1)、熱道焊(2)、填充焊(3,4)、填充焊(5)、蓋面焊(6,7),共7層16道,如圖1所示。其中根焊(1)、熱道焊(2)、填充焊(3,4)為鎢極氬弧焊(GTAW);填充焊(5)、蓋面焊(6,7)為焊條電弧焊(SMAW)。工藝設(shè)計(jì)的7層16道中,第1層設(shè)計(jì)為1道焊接,打底焊時(shí)熔深0~1 mm,焊縫熔寬2~4 mm;第2層仍為單道焊接,覆蓋第1層,連接復(fù)合管堆焊層金屬;第3層為2道焊接,作為625層向碳鋼層過(guò)渡焊接層,第3層到第7層,均為3道焊接,分別為碳鋼層填充和蓋面。焊接工藝參數(shù)見表5。

      表5 焊接工藝參數(shù)

      2 焊接工藝試驗(yàn)與結(jié)果分析

      2.1 焊接工藝實(shí)施

      按照上述工藝設(shè)計(jì),對(duì)φ219 mm×(8.74+3) mm X60/625堆焊冶金復(fù)合管進(jìn)行坡口加工,組對(duì)和焊接。復(fù)合管管內(nèi)有鎳合金層,焊接時(shí)需要充氬氣保護(hù),要考慮氬氣充分保護(hù)焊縫,氣室不得有混合氣體存在,氣室內(nèi)部含氧量不超過(guò)0.02%。焊接電源選用山東奧泰ZX7-400S TGIIa 逆變式多功能管道焊機(jī)。脈沖電源:N/A,鎢極直徑φ2.4 mm,風(fēng)速不大于2 m/s。

      焊接試樣形貌如圖2所示。焊接過(guò)程中,每層每道焊接完成后進(jìn)行焊縫初檢,不得有焊接氣孔、裂紋等肉眼可見缺陷,再進(jìn)入下一層次/道次焊接。由于內(nèi)表面有保護(hù)氣體,氬氣流量14 L/min,充氬流量25 L/min,隔離空氣和氧氣,焊接完成后,焊縫內(nèi)表面宏觀顏色呈現(xiàn)淺黃色或淡黃色,未見明顯發(fā)藍(lán)氧化區(qū)域出現(xiàn),可見內(nèi)充氬氣保護(hù)起到良好的保護(hù)效果,如圖2c所示。焊后24 h,使用RT拍片方法對(duì)環(huán)焊縫接頭進(jìn)行檢測(cè), 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為API 1104-2016,拍片靈敏度優(yōu)于2%,拍片結(jié)果為一級(jí)合格,未發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷。

      圖2 焊接試樣形貌

      2.2 焊縫宏觀與微觀形貌

      根焊采用單面焊背面成形焊接工藝,焊縫成形較好,焊縫呈現(xiàn)弧形過(guò)渡,與焊縫兩側(cè)堆焊層過(guò)渡良好;同時(shí),每層每道焊縫重疊和熔深覆蓋良好,此外,焊縫金屬與母材全焊透和全熔合,無(wú)宏觀焊接缺陷可見,如圖3焊縫截面形貌。

      圖3 焊縫截面形貌

      焊接接頭微觀分析顯示,基體組織見圖4a所示,X60碳鋼基體組織為粒狀貝氏體和鐵素體及珠光體組織;碳鋼與625堆焊層界面組織如圖4b所示,碳鋼與625堆焊層界面清晰,界面結(jié)合良好,無(wú)空隙無(wú)氣孔等缺陷;環(huán)焊縫中心組織如圖4c所示,625材料呈現(xiàn)柱狀晶,自熔合線性向焊縫中心分布,晶粒尺寸均勻細(xì)小,組織為固溶體和碳化物;基體熱影響區(qū)組織形貌如圖4d所示,熱影響區(qū)寬度約1 mm,沿著熔池弧線分布,粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)分界清晰;熔合區(qū)組織如圖4e所示,主要為粒狀貝氏體和珠光體鐵素體組織,受高溫作用,鐵素體析出較多,晶粒尺寸較基體略顯長(zhǎng)大;細(xì)晶區(qū)組織如圖4f所示,主要為珠光體鐵素體和少量粒狀貝氏體組織,晶粒尺寸細(xì)小均勻。

      圖4 環(huán)焊縫微觀組織形貌

      2.3 焊縫力學(xué)性能及耐蝕性

      拉伸試驗(yàn):2個(gè)拉伸試樣如圖5所示,橫向抗拉強(qiáng)度分別是611 MPa和622 MPa,斷口位于母材,試驗(yàn)結(jié)果均合格。彎曲試驗(yàn):試樣如圖6所示,分別為2個(gè)面彎,2個(gè)背彎,彎曲180°,試驗(yàn)沒有發(fā)現(xiàn)明顯裂紋以及氣孔等缺陷,試樣彎曲結(jié)果均合格。

      圖5 拉伸試樣

      圖6 彎曲試樣

      夏比沖擊韌性試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASME IX,ASME B31.3,驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為ASME-W-011。分2部分進(jìn)行,第1部分為GTAW部分試件,主要為根焊(1)至填充焊(3,4)部分,取樣2組,試樣尺寸為7 mm×10 mm×55 mm小尺寸試樣,缺口位置分別位于焊縫中心和熱影響區(qū)位置,缺口深度為2 mm,試驗(yàn)溫度為-21.4 ℃。焊縫沖擊吸收能量分別為108 J,100 J,110 J,平均值為106 J,橫向膨脹量分別為0.92 mm,0.64 mm,0.99 mm,試驗(yàn)結(jié)果合格,符合標(biāo)準(zhǔn)要求;熱影響區(qū)沖擊吸收能量分別110 J,70 J,80 J,平均值為87 J,較焊縫低1/4,焊縫和熱影響區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果合格,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。GTAW部分試件夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表6。

      表6 GTAW部分試件夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

      第2部分為SMAW部分試件,主要為填充焊(5)和蓋面焊(6,7)部分。取樣2組,試樣尺寸為4 mm×10 mm×55 mm小尺寸試樣,缺口位置分別位于焊縫中心和熱影響區(qū)位置,缺口深度為2 mm,試驗(yàn)溫度為-33.7 ℃。焊縫沖擊吸收能量分別為35 J, 32 J,34 J,平均值為34 J,橫向膨脹量分別為0.69 mm,0.64 mm,0.61 mm,熱影響區(qū)沖擊吸收能量分別64 J,72 J,70 J,平均值為69 J,較焊縫高35 J。橫向膨脹量評(píng)價(jià)0.87 mm,平均較焊縫高0.23 mm,試驗(yàn)結(jié)果合格,符合標(biāo)準(zhǔn)要求,詳細(xì)結(jié)果見表7。

      表7 SMAW部分試件夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

      環(huán)焊縫顯微硬度試驗(yàn)中,在基材中心和距離表面1.5 mm處及覆層上取樣,分別在2個(gè)區(qū)域,即環(huán)焊縫6點(diǎn)鐘位置和12點(diǎn)鐘位置取2組試樣,然后進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn),載荷為98 N,每個(gè)試樣打35個(gè)硬度點(diǎn),分別位于基材金屬、熱影響區(qū)及其環(huán)焊縫,硬度測(cè)試點(diǎn)示意圖如圖7所示。硬度分布圖如圖8所示,由圖8可以看出,基材金屬的硬度值在181~191 HV10之間。在基材的熱影響區(qū),硬度值與基材金屬硬度相差不大,分布較為均勻,硬度值在200 HV10左右。焊縫區(qū)內(nèi)的硬度較基材金屬和熱影響區(qū)內(nèi)的硬度都高,其硬度值分布在228~279 HV10之間,這是由于焊縫在焊接時(shí),液態(tài)金屬冷卻凝固過(guò)程中,焊縫組織從熔池底部到焊縫中心及焊縫表面,經(jīng)歷復(fù)雜的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力演變和生長(zhǎng)過(guò)程,部分組織由于冷卻過(guò)快,局部產(chǎn)生淬硬組織或者淬硬相,從而導(dǎo)致焊縫硬度高于基材金屬及其熱影響區(qū)。在基材中心的焊縫區(qū)的硬度比基材邊緣的硬度值偏大,平均偏大18 HV10。覆層的硬度值在基體金屬、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的分布整體比較均勻,沒有明顯的差別,硬度值主要集中在257~285 HV10之間。硬度測(cè)試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

      圖7 硬度測(cè)試示意圖

      對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行腐蝕試驗(yàn),執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM G48 A《Standard test methods for pitting and crevice corrosion resistance of stainless steels and related alloys by use of ferric chloride solution》,驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為01-SAMSS-044《Materials system specification — CRA clad pipe spools》及01-SAMSS-048《Materials system specification — CRA clad or lined steel pipe》A-02(15),在沸騰硫酸鐵-硫酸溶液中煮120 h,腐蝕速率為0.221 mm/a,小于標(biāo)準(zhǔn)要求的0.914 mm/a,耐腐蝕試驗(yàn)合格。

      圖8 硬度分布圖

      綜上所述,冶金堆焊雙金屬?gòu)?fù)合管φ219 mm×(8.74+3) mm X60/625經(jīng)過(guò)625焊絲GTAW打底焊、填充焊,再經(jīng)過(guò)625焊條SMAW填充焊和蓋面焊,環(huán)焊縫成形良好,焊縫金屬、堆焊層及基層實(shí)現(xiàn)了良好過(guò)渡,鎳基合金625/X60焊縫強(qiáng)度滿足規(guī)范要求,并且環(huán)焊縫具有較好的抗腐蝕性能,滿足腐蝕環(huán)境的應(yīng)用。

      2.4 熔合線微區(qū)關(guān)鍵合金元素分析

      焊縫熔合線附近X射線能譜儀(EDS)掃描結(jié)果顯示,焊縫與基管熔合線微區(qū)內(nèi)Ni,Cr,Mo,F(xiàn)e元素分布發(fā)生了明顯的變化,即在熔合線附近,上述元素的分布存在一個(gè)明顯的梯度,而堆焊層與基管熔合線微區(qū)內(nèi)的Ni,Cr,Mo,F(xiàn)e元素分布則無(wú)明顯的梯度變化,如圖9熔合線微區(qū)主要合金元素分布所示。焊縫金屬化學(xué)分析結(jié)果見表8,與焊絲、堆焊層化學(xué)成分用差值法計(jì)算出鎳的含量大于60%,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

      圖9 熔合線微區(qū)主要合金元素分布

      表8 焊縫金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

      3 應(yīng)用

      該焊接工藝在沙特哈拉德項(xiàng)目一期管道工程中得到應(yīng)用,對(duì)X60/625雙金屬?gòu)?fù)合管對(duì)口施工,共焊接612道口,一次合格610道口,合格率達(dá)99.7%。

      4 結(jié)論

      (1)對(duì)于X60/625雙金屬?gòu)?fù)合管,采用ERNiCrMo3同質(zhì)材料焊材,應(yīng)用了GTAW+SMAW的焊接工藝,焊接過(guò)程分為根焊、熱道焊、填充焊及蓋面焊。環(huán)焊縫成形良好,焊縫金屬、堆焊層及基層可良好過(guò)渡,焊接后的焊縫經(jīng)過(guò)無(wú)損檢驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、夏比沖擊試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、焊縫耐腐蝕試驗(yàn)及關(guān)鍵合金元素分析后,各項(xiàng)指標(biāo)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范要求。

      (2)該焊接工藝的可行性在沙特哈拉德項(xiàng)目一期管道工程中的應(yīng)用中得到驗(yàn)證,該工藝可以進(jìn)一步推廣至其它同類雙金屬?gòu)?fù)合管施工項(xiàng)目中。

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