双金属复合管焊接工艺研究与应用

王新

(石油天然气克拉玛依工程质量监督站，新疆 克拉玛依 834000)

双金属复合管焊接工艺研究与应用

王新

(石油天然气克拉玛依工程质量监督站，新疆 克拉玛依 834000)

为了提高20#碳钢基管+316L不锈钢内衬管双金属复合管的焊接一次合格率以及生产效率，研究了该材质的焊接工艺参数，并采用该参数进行焊接工艺试验，评定合格后进行了工程应用。结果表明，该工艺焊接工序步骤简单，焊接一次合格率由不到70%提高至90%以上，提高了工程焊接效率，确保了工程顺利投产。

20#碳钢基管；316L不锈钢内衬管；双金属复合管；焊接工艺研究

0 前言

七中区克下组油藏复合驱工业化试验地面建设工程是中石油股份公司2007年的重大开发试验项目，也是新疆克拉玛依油田迄今为止规模最大的化学驱现场试验项目，试验成功后预计可提高克拉玛依油田老区油藏最终采收率16%。在该工程中，采用了大量各种规格的双金属复合管(20#碳钢基管和316L不锈钢内衬管组成)。该管材属于新一代设计产品，在新疆油田地面建设工程中未曾使用，焊接工艺尚不成熟，处于摸索阶段。2010年3月，经过对七中区克下组油藏复合驱工业化试验地面建设工程所用双金属复合管管材的试焊、焊缝无损检测和力学性能试验，接头的各项性能指标均符合《钢制管道焊接及验收》SY／T4103-2006的要求。2010年6月，该工艺在七中区克下组油藏复合驱工业化试验地面建设工程中取得了满意的效果。

1 双金属复合管的性能特点

双金属复合管是一种新型耐磨管道，钢管外层采用20#普通钢管，通过离心成型工艺形成316L不锈钢高铬内衬复合而成。该管道与传统的耐磨合金铸铁、耐磨合金铸钢、钢-陶瓷复合管及铸石管相比，具有以下优点：

(1)耐磨性能好，充分发挥高铬钢材的耐磨性能。

(2)使用内衬同外层钢管结合紧密，采用特殊工艺，复合层之间形成熔接，保证运行的可靠性。

(3)能承受较大的压力，各项机械性能及工艺性能较全不锈钢有所提高和完善，可取代全不锈钢管，从而大大降低产品的生产成本。

2 焊接工艺评定

2.1 评定依据

通过破坏性力学试验(刻槽锤断试验、弯曲试验等)来检验采用此工艺焊接的接头质量、性能是否符合《钢制管道焊接及验收》SY／T4103-2006规范第五章焊接工艺评定的相关规定。

2.2 评定试验环境

(1)环境温度不得低于5℃。

(2)环境湿度小于等于90%RH。

(3)环境风速：钨极氩弧焊小于等于2.2 m／s，焊条电弧焊小于等于8 m／s。

2.3 焊前准备

(1)试管材质选用双金属复合管，由20#碳钢基管和316L不锈钢内衬管组成，规格φ 76mm×(7+2)mm。

(2)接头形式设计如图1所示。V型对接，δ＝7mm，坡口角度α＝55°～60°，钝边p＝2mm，间隙b＝2～3 mm，内衬管伸出基管c＝2～3 mm；错边小于等于1.6 mm，盖面焊缝宽w：两侧每边比外表面坡口宽0.5～2.0 mm，余高h＝0～2 mm。

图1 焊道坡口

(3)焊道层数设计如图2所示。合计五层，第一层为封口焊，第二层为打底焊，第三层为热焊，第四层为填充焊，第五层为盖面焊。

图2 焊道层数

(4)焊接方法：钨极氩弧焊+焊条电弧焊。

(5)焊材。焊丝H03Gr21Ni10Si／φ 2.0mm、H03Gr24 Ni13Si／φ 1.6 mm，填充盖面焊焊条为J427／φ 2.5 mm、J427／φ 3.2 mm。

(6)保护气体配比。钨极氩弧焊为气保护焊，保护气体选用Ar气，尾部气体流量8～10 L／min，背面气体流量10～12 L／min，Ar气纯度不低于99.96%。

(7)试件清理。焊接前必须清理干净焊件坡口两侧内外表面各20 mm范围内的油污、铁锈、水和其他影响焊缝性能的外来物质，直至露出金属光泽。

(8)试件预热。采用火焰加热，加热宽度为坡口两侧各大于等于50 mm，预热温度100℃～150℃。

2.4 焊接工艺

(1)从事焊接工艺评定的焊接技术人员、焊接质检人员、焊工和预热人员的资格应符合《钢制管道焊接及验收》SY／T 4103-2006中相关规定的要求。

(2)焊接参数如表1所示。

表1 焊接工艺参数

2.5 焊缝外观及无损检测

试管经外观检查合格后，其内部质量经X射线探伤达到《承压设备无损检测》JB4730-2005相关规定的要求。

2.6 力学性能试验

试管按照《钢制管道焊接及验收》SY／T 4103-2006的规定，在相应部位加工好试件后，经刻槽锤断试验、弯曲试验，其内部质量达到《钢制管道焊接及验收》SY／T 4103-2006相关规定的要求，评定合格。各项力学试验的具体数据如表2、表3所示。

2.7 评定试验过程中的问题及解决措施

表2 刻槽锤断试验(室温)

表3 弯曲试验(室温)

(1)坡口处理。双金属复合管由不锈钢制内衬管和碳钢制基管组成，需要将基管的焊接面处理成角度55°～60°的V形坡口，内衬管伸出基管2～3 mm。在加工坡口过程中，必须注意内衬管与基管之间交界处圆滑过渡，过渡越光滑，出现未熔缺陷的可能性越低。

(2)焊前预热。考虑到不锈钢与碳钢的膨胀系数差别较大，在焊接时提前预热，温度控制在100℃～150℃。

(3)封口焊。考虑到不锈钢与碳钢的膨胀系数相差较大，首先用钨极氩弧焊焊接基管和内衬管间的连接端口，焊材选用不锈钢焊丝且焊接电流为50～80 A。在焊接过程中，基管和内衬管间的折角处易出现未熔合缺陷，所以该处焊接速度不宜过大。

(4)打底焊。用钨极氩弧焊焊接内衬管间的连接端口，焊材选用不锈钢焊丝且焊接电流为60～90 A。焊接过程中存在的主要问题是引弧易穿丝，平焊位置易出现焊瘤，仰焊位置易出现内凹，这些问题均可通过调节手动送丝的快慢、焊接速度、焊枪角度等予以解决。

(5)热焊。采用钨极氩弧焊焊接，主要问题是封口焊与打底焊之间易出现未熔合缺陷，所以焊前需对该处进行打磨以确保圆滑过渡，焊接过程中该处的焊接速度不宜过大。

3 现场应用

3.1 工程应用

七中区克下组油藏复合驱工业化试验地面建设工程位于克拉玛依市白碱滩地区，属于新疆油田公司采油二厂管辖区，距克拉玛依市约28 km。该工程是在已开发的老油田区域实施第三次采油，共有注入井18口、采油井26口、二元注入站1座，已于2010年9月建成投产。该工程管线主要采用双金属复合管，管线规格最大φ 356 mm×8(+2)mm，最小φ 22 mm×4(+1)mm，材质20#碳钢基管和316L不锈钢内衬管组成，最大设计压力25 MPa。2010年6月，首次在该工程应用了双金属复合管焊接工艺技术，共计焊接约600道焊口，焊缝外观质量良好，总体一次合格率91.3%。

3.2 现场施焊的注意事项

(1)由于钨极氩弧焊焊接工艺使用Ar气保护，抗风能力较差，所以在现场施工时焊接应在防风棚内进行，在焊接管段一端加装盲板并在管内充氩气，以避免穿堂风，保证气保护效果。

(2)检查保护气体的气瓶压力和气路是否通畅，是否符合焊接工艺规程的使用要求，每次焊接前都应进行试气，这样既可以将气路中前段不纯的保护气排除，也可以进一步确定气瓶压力。

(3)焊接前，应在试件上进行试焊以检验保护气体纯度，尽可能减少因气体纯度而产生的焊缝质量问题。

(4)不锈钢与碳钢的膨胀系数差别较大，在焊接时应提前预热，温度控制在100℃～150℃，焊接时不间断地对复合管材两端加热，使两端气温稳定，然后采用氩弧焊焊接技术进行封焊。

(5)内衬管与基管之间交界处以及封口焊与打底焊之间交界处，在焊接过程中易出现未熔缺陷，焊工必须在培训期间，通过每天的焊件外观检查以及无损检测，不断提高焊接水平，确保焊接质量。

4 创新效果

本焊接工艺步骤简单，所用焊接材料少，摸索出了从封焊到根焊、热焊的焊接工序，解决了内衬管与基管之间交界处以及封口焊与打底焊之间交界处的未熔缺陷，将双金属复合管焊接一次合格率由不足70%提高至90%以上，大大提高了生产效率，确保了工程顺利进行。

Study on welding technology of double metal composite pipe

WANG Xin
(Quality Supervision Station，Karamay Petroleum Engineering，Karamay 834000，China)

In order to improve welding qualified rate and working efficiency of double metal composite pipe with 20#Carbon steel base tube and 316Lstainless steel inner liner，the paper introduces the study on the welding process parameters，welding procedure qualification which is applied on project after approved.The result of appliction proves that the welding procedure is simple and effective，which welding qualified rate is improved from 70%before to over 90%and ensures the smooth commissioning of the project.

20#Carbon steel base tube；316Lstainless steel inner liner；double metal composite pipe；research on welding technology

TG457.6

B

1001-2303(2011)07-0071-03

2011-01-06

王 新(1962—)，男，甘肃人，学士，工程师，主要从事石油工程建设技术管理的工作。