UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼小管徑焊接工藝及難點(diǎn)控制

張連爽，陳 坤，顏丙鎖，宋 凱，唐全昌，馮加亮

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

0 前言

海底輸氣輸油管道內(nèi)部主要流體為液壓控制液或化學(xué)藥劑，這些流體的腐蝕性強(qiáng)，對(duì)焊縫根部即管線(xiàn)內(nèi)表面的耐蝕性能要求較高，且管線(xiàn)外表面長(zhǎng)期接觸帶氯離子的海水，對(duì)于材料的耐點(diǎn)蝕性能也有一定要求。超級(jí)雙相鋼兼具奧氏體和鐵素體的雙相組織優(yōu)點(diǎn)，具有較高的耐腐蝕系數(shù)、良好的力學(xué)性能，被認(rèn)為是深海海底水下管匯用管線(xiàn)的重要材料[1]。

UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼主要用于有高強(qiáng)度和高耐蝕性能需求的海底管道鋪設(shè)、船舶制造和海洋氣田開(kāi)采等制造領(lǐng)域[2]。目前，對(duì)UNS S32750焊接工藝的討論較多，但主要集中在直徑＞720 mm的大管線(xiàn)，小管徑管線(xiàn)的焊接在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)很少，少有借鑒資源，而國(guó)外該類(lèi)產(chǎn)品的焊接技術(shù)主要被幾家大型超雙焊接公司掌握，如OneSubsea、Akersolution、Baker Hughes等，超雙小管的焊接只能依靠自己探索，海工對(duì)小管焊接的探索致力于解決目前的空白。本文通過(guò)分析UNS S32750材料的焊接性，對(duì)焊接方法選擇、焊接過(guò)程中易出現(xiàn)的氣孔和未熔合等缺陷及相應(yīng)措施進(jìn)行總結(jié)[3]。

1 UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼的焊接性分析

UNS S32750在普通雙相不銹鋼包含Cr和Ni元素的基礎(chǔ)上，增加了Mo、N、Cu等元素，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1和表2[4]。在氧化性介質(zhì)中，隨著Cr含量的提高，鋼的耐蝕性增加，這是因?yàn)镃r能使鋼表面生成一層穩(wěn)定且致密的Cr2O3鈍化膜[5]。

表1 ASTMA790 UNS S32750化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical compositions ofASTMA790 UNS S32750（wt.%）

表2 ASTMA790 UNS S32750力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties ofASTMA790 UNS S32750

UNS S32750加入了較多的N（0.24%～0.32%），N是形成奧氏體并擴(kuò)大奧氏體區(qū)的元素，焊接時(shí)也應(yīng)保證焊縫金屬含有相應(yīng)的N含量才能匹配其與母材的金屬性能，因此應(yīng)選用對(duì)應(yīng)N含量的焊接材料。自熔焊時(shí)無(wú)需填充金屬，手工蓋面焊接過(guò)程中采用Sandvik25.10.4.L焊絲填充。

UNS S32750焊接性良好，但對(duì)焊接要求非常高，接頭的力學(xué)性能和耐蝕性能對(duì)熱輸入非常敏感，熱輸入過(guò)大或偏小均會(huì)對(duì)焊接過(guò)程中的雙相形成造成影響。由于母材和焊縫金屬在過(guò)熱的過(guò)程中造成焊縫金屬脆化，因此焊接時(shí)需控制層間溫度，減少過(guò)熱區(qū)間（475℃）停留時(shí)間。焊接過(guò)程中產(chǎn)生冷裂紋的敏感性小，但有產(chǎn)生熱裂紋的傾向。

2 焊接方法和焊接工藝

項(xiàng)目生產(chǎn)中共包括DN20 mm、DN10 mm等多種規(guī)格、不同厚度的管件。由于管徑小，采用傳統(tǒng)的TIG焊難度大，焊接質(zhì)量無(wú)法保證。通過(guò)分析管徑尺寸和厚度并不斷試驗(yàn)，最終確定出兩種焊接方法，如表3所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)AWS D10.18推薦[6]，在小管徑薄壁厚小于3 mm、管外徑小于25 mm時(shí)推薦采用軌道自熔焊方法；當(dāng)母材厚度大到自熔焊不能形成合格的焊縫外形時(shí)，可采用自熔焊+TIG蓋面的組合工藝，以使焊接表面外觀檢測(cè)合格。0間隙的Ⅰ形坡口組對(duì)示意[7]如圖1所示，組對(duì)前應(yīng)仔細(xì)檢查坡口兩側(cè)的橢圓度和壁厚，確保組對(duì)錯(cuò)邊量小于0.3 mm，組對(duì)間隙0 mm，這些技術(shù)參數(shù)均為焊機(jī)采購(gòu)時(shí)廠家提供的機(jī)器使用規(guī)范。將焊縫兩側(cè)50 mm的氧化皮清理干凈，使用酒精或丙酮擦拭外面表和內(nèi)表面，確保焊縫附近無(wú)雜質(zhì)污染。

圖1 I型坡口示意Fig.1 Schematic diagram of square groove

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding parameters

自熔焊采用POLYSOUDE公司生產(chǎn)的P4或P6焊機(jī)，預(yù)制時(shí)均采用5G位置，因產(chǎn)品不能翻轉(zhuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)焊口的焊接多為2G和5G位置，焊接參數(shù)見(jiàn)表3，其中峰值和基值占比分別為200 ms和300 ms。

3 常見(jiàn)焊接缺陷及控制措施

小管徑管線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)焊口焊接時(shí)，因線(xiàn)路布局比較復(fù)雜，發(fā)生過(guò)背部充氣充錯(cuò)焊口等情況，造成根部氧化缺陷，且現(xiàn)場(chǎng)焊接位置距離氣瓶較遠(yuǎn)，過(guò)長(zhǎng)的氣體管道對(duì)保護(hù)氣體純度及氣流速度均有影響。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在近幾年超雙小管焊接缺陷中，氣孔占50%，未熔合占25%，根部氧化占10%，其余的缺陷如管內(nèi)異物、外觀漏檢造成的拍片誤判、余高過(guò)高等問(wèn)題因占比不大，且通過(guò)強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)紀(jì)律可實(shí)時(shí)控制，本文不做討論。

3.1 氣孔

氣孔是超雙小管焊接出現(xiàn)最多的缺陷，在管線(xiàn)根部和焊接表面都有可能出現(xiàn)。氣體純度、氣體流量、坡口清潔度、焊接過(guò)程中保護(hù)措施不到位等都會(huì)造成氣孔缺陷，如圖2所示。

圖2 氣孔缺陷Fig.2 Blowhole defects

控制措施：材料坡口加工后必須清理，去除表面氧化膜等雜質(zhì)，保證坡口內(nèi)外各50 mm范圍表面清潔、干凈，無(wú)濕氣、油脂等雜質(zhì)存在。焊接前采用丙酮或甲醇清潔焊縫表面，隨后用熱風(fēng)槍預(yù)熱焊縫，去除表面潮氣，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)AWS D10.18推薦[6]，預(yù)熱溫度不超過(guò)65℃。焊接前充保護(hù)氣體時(shí)，用氧含量分析儀確定含氧量不能高于500×10-6，對(duì)于長(zhǎng)期靜置的氣瓶，應(yīng)滾動(dòng)搖勻后再使用，另外運(yùn)輸過(guò)程中盡可能放平運(yùn)輸。點(diǎn)固焊接同樣要求背部充氣，氧含量小于500×10-6后才能開(kāi)始焊接。及時(shí)檢測(cè)自熔焊焊機(jī)機(jī)頭密封性，確保焊接在良好保護(hù)氛圍的機(jī)頭內(nèi)進(jìn)行，對(duì)于有破損的焊機(jī)機(jī)頭及時(shí)更換配件。在充背部保護(hù)氣體時(shí)，對(duì)于較短的管段避免形成紊流，要保證內(nèi)部形成均勻一致的氣體流速。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊口充氣保護(hù)時(shí)，保證管線(xiàn)一端充氣，另一端設(shè)置排氣孔進(jìn)行放氣，禁止在焊縫處放氣或在充氣同一端設(shè)置排氣孔。

3.2 根部未熔合

在焊接UNS S32750超雙小管時(shí)，出現(xiàn)未熔合的主要原因是組對(duì)時(shí)的錯(cuò)邊尺寸過(guò)大，以及在5G位置焊接時(shí)焊機(jī)機(jī)頭在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中鎢極偏離焊縫中心所致。

圖3 根部未熔合Fig.3 Lack of fusion at roots

控制措施：焊接時(shí)要特別注意防止管道受熱不均勻產(chǎn)生的變形，根據(jù)變形大小應(yīng)適時(shí)調(diào)整焊接順序，預(yù)制管線(xiàn)的方位。焊接前焊工要自檢管線(xiàn)組對(duì)的根部間隙為0 mm，錯(cuò)邊尺寸小于0.3 mm，管徑橢圓度不均的管線(xiàn)應(yīng)拒絕組對(duì)，對(duì)于軌道自熔焊務(wù)必保證管線(xiàn)的壁厚和錯(cuò)邊尺寸在規(guī)定范圍內(nèi)。在5G位置，自熔焊過(guò)程中焊工要用手扶自熔焊機(jī)頭，確保焊機(jī)機(jī)頭內(nèi)鎢極對(duì)準(zhǔn)組對(duì)坡口間隙處，焊機(jī)旋轉(zhuǎn)到3點(diǎn)鐘方向時(shí)，此位置正是立向下焊接，由于焊機(jī)自重原因，向下滑移速度容易過(guò)快，容易導(dǎo)致焊口局部未熔合。

3.3 焊縫根部氧化

產(chǎn)生焊縫根部氧化的主要原因是當(dāng)背部無(wú)保護(hù)氣時(shí)，焊接時(shí)的高溫熔敷金屬耐腐蝕性元素會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致焊縫根部產(chǎn)生氧化缺陷，如圖4所示。

圖4 根部氧化Fig.4 Oxidation of roots

控制措施：焊接過(guò)程中要隨時(shí)檢測(cè)管徑內(nèi)部保護(hù)氣體，梳理好充氣軟管的管線(xiàn)走向，如有需要可在管線(xiàn)上做醒目標(biāo)識(shí)，確保焊接管線(xiàn)和充氣管線(xiàn)的一致性，避免因現(xiàn)場(chǎng)焊口太多造成充氣充錯(cuò)焊口的情況，同時(shí)也避免人員踩踏充氣管線(xiàn)。焊接設(shè)備所有氬氣表為專(zhuān)用表，不能用其他表替代。在自熔焊+填絲焊的操作中，當(dāng)自熔焊完成后，進(jìn)行填絲焊時(shí)管徑內(nèi)部仍然要保持充氣狀態(tài)。

3.4 蓋面凹陷

在自熔焊過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)蓋面凹陷的情況。在進(jìn)行DN20 mm管5G位置焊接時(shí)，焊接參數(shù)合適，但焊接完成后表面出現(xiàn)凹陷，其凹陷深度小于壁厚的10%，如圖5所示。分析原因：組對(duì)存在直坡口打磨不合格，這種情況組對(duì)后存在間隙，導(dǎo)致自熔焊時(shí)母材金屬填充到間隙內(nèi)并造成焊后凹陷。

圖5 表面凹陷Fig.5 Surface indentation

控制措施：管線(xiàn)組對(duì)時(shí)嚴(yán)格把控組對(duì)精度，根部間隙為0 mm，錯(cuò)邊尺寸小于0.3 mm。焊前先模擬生產(chǎn)條件，將焊接參數(shù)調(diào)試到最佳狀態(tài)，包括背部氮?dú)饬髁俊，F(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)設(shè)備施工時(shí)，220 V電源焊機(jī)電壓可能不穩(wěn)定，采取加穩(wěn)壓器的方法；對(duì)于外觀凹陷，可以使用自熔焊+手工蓋面的組合工藝對(duì)凹陷處進(jìn)行補(bǔ)焊，確保焊縫外觀合格。

4 其他注意事項(xiàng)

（1）超級(jí)雙相鋼焊接時(shí)應(yīng)避免碳鋼污染，焊接車(chē)間與碳鋼車(chē)間要分隔開(kāi)，且為封閉式無(wú)塵車(chē)間，進(jìn)入車(chē)間必須穿戴鞋套，車(chē)間衛(wèi)生清潔采用吸塵機(jī)清潔的方式，磨削粉塵下班后要用帶水拖布拖干。生產(chǎn)及質(zhì)檢使用的工具為專(zhuān)用工具，要與碳鋼車(chē)間使用的檢驗(yàn)工具進(jìn)行區(qū)分，禁止混用，以確保避免焊后鐵素體以及其他C元素的污染，作記號(hào)使用的油漆筆應(yīng)是不銹鋼專(zhuān)用的低氯筆，避免鹵族元素的污染。

（2）對(duì)于超級(jí)雙相鋼材質(zhì)，焊后如果鐵素體含量太低，焊縫受熱后容易產(chǎn)生裂紋，鐵素體含量太高，焊縫將喪失韌性和延展性。焊接過(guò)程中要防止焊接熱輸入過(guò)高，不能超過(guò)焊接工藝規(guī)程限定的范圍，同時(shí)嚴(yán)格控制層間溫度，層溫以超雙規(guī)定的100℃和PQR試驗(yàn)中的較低者為準(zhǔn)，記錄在焊接工藝規(guī)程中，如溫度超高，可采取風(fēng)冷等方式進(jìn)行降溫[8]。

（3）焊接時(shí)管道內(nèi)部選用純氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，相比純氬氣有促進(jìn)奧氏體轉(zhuǎn)變的作用，更能保護(hù)焊縫區(qū)的耐腐蝕作用。正面保護(hù)氣體選擇φ（Ar）98%＋φ（N2）2%的高純氬氮混合氣[8]。

5 結(jié)論

（1）在國(guó)內(nèi)缺乏小直徑的超級(jí)雙相不銹鋼管參考資料的情況下，結(jié)合1 500 m深水管匯超級(jí)雙相不銹鋼管線(xiàn)項(xiàng)目，展開(kāi)對(duì)UNS S32750材料小管徑焊接工藝研發(fā)，成功開(kāi)發(fā)出自熔焊和自熔焊+填絲焊的組合工藝，并應(yīng)用于在建項(xiàng)目中，在項(xiàng)目施工中焊接外觀和內(nèi)部檢驗(yàn)中都取得了較高的合格率。

（2）通過(guò)介紹UNS S32750材料小管徑自熔焊和自熔焊+填絲焊焊接過(guò)程中的設(shè)備選擇和焊接參數(shù)。結(jié)合分析項(xiàng)目焊接過(guò)程中易造成的焊接缺陷和具體問(wèn)題，通過(guò)定向的試驗(yàn)篩查出缺陷產(chǎn)生的原因，并采取有效方法進(jìn)行解決?？偨Y(jié)出UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼小管徑焊接工藝及難點(diǎn)控制，對(duì)今后的超級(jí)雙相鋼小管徑焊接提供指導(dǎo)借鑒。