L450/316L不锈钢复合钢管对焊缝焊接接头组织性能研究

2014-11-14付现桥刘志田卜明哲陈珏伶

当代化工 2014年2期

付现桥，徐敬，刘志田，卜明哲，陈珏伶，郭旭

（中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司，河北任丘 062522）

随着酸性气田的开发，输气管线使用环境越来越苛刻。一些高酸性气田集输管道腐蚀环境越来越严重，很容易造成失效，甚至会引起爆炸，威胁人身安全，污染环境[1,2]。随着钢管制造业的迅猛发展，不锈钢复合钢管因既其具有碳钢或合金钢的力学性能，又具有不锈钢的耐蚀性等优点，得到了广泛运用[3]。

然而，由于不锈钢复合钢管的两种材质具有不同化学成分和物理性能，在焊接过程中，很容易造成碳及合金元素的扩散，引起焊接接头性能恶化，影响整体管道质量[4-6]。为了避免不锈钢层与基体界面处出现的合金元素的稀释、碳元素的迁移等，过渡层的焊接是保证复合管焊接质量的关键[7-9]。本文介绍了规格为D273×(10+2）mm，材质为L450/316L的复合钢管焊接工艺试验，并对焊接接头的组织和性能进行了研究。

1 试验材料及方法

试验材料为L450/316L不锈钢焊复合管。复合管基管钢管规格为D273 mm×10 mm，材质为L450无缝钢管，内衬为壁厚为2 mm的316L奥氏体不锈钢钢管，其化学成分如表1所示。基管L450的组织为针状铁素体、少量的M-A组元、退化的珠光体及晶界上析出的细小渗碳体[10]。内衬管316L组织为典型奥氏体。

管线的压力比较高，L450/316L双金属复合管的基管壁厚较厚，为防止焊接熔合不良以及焊接应力增大引起的裂纹、气孔等缺陷，管线焊接对接接头采用V形坡口[7]。管道坡口应采用机械方式切割。

L450/316L的复合钢管对焊，应根据被焊金属的化学成分（基管、内衬管）选择GTAW焊接方式进行打底焊、焊接材料为ER-316L。过渡层焊接时，根据L450和316L的化学成分选择GTAW焊接方法、焊接材料为ER-309LMo，管内外继续进行充氩保护，适当增大热输入量，能有效地减少或杜绝弧坑裂纹的出现。填充焊接时，采用多层多道焊，热输入量可以加大。盖面焊接时热输入量要适当减少，保证最后焊缝成型，没有缺陷。本试验采用的焊接工艺参数如表2所示。

焊后，沿对焊缝第一、三象限取宽度为25 mm的板状拉伸试样及尺寸为 230 mm×25 mm×(10+2)mm 的刻槽锤断试样，沿对焊缝第二、四象限取尺寸为230 mm×25 mm×(10+2)mm 弯曲试样对对焊缝进行评价[9]。沿对焊缝内侧取衬管侧焊缝试样进行晶间腐蚀试验。微观组织观察试样直接从对焊缝上切取，经制备后采用金相显微镜及Hitachi S-520型扫描电镜(SEM)进行分析。

表1 钢管化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition analysis results of pipelines %

表2 复合钢管焊接工艺参数Table 2 Welding parameters of clad pipe

2 试验结果及分析

根据焊接接头检测标准，对对焊缝焊接接头进行了拉伸性能、冲击性能、刻槽锤断、面弯等试验。焊接接头抗拉强度值均介于L450钢和316L奥氏体不锈钢的强度值之间，且拉伸试验的断口均在母材区；刻槽锤断、面弯及背弯试验均达到要求；根据GB/T4334-2008《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》，进行晶间腐蚀试验试验测试后，可以看出试样均无晶间腐蚀而产生的裂纹。通过射线探伤检测，按标准 JB/T4730.2-2005《承压设备无损检测》为 I级合格。试验结果表明，采用此焊接工艺焊接的对焊缝各项性能指标满足要求，焊接工艺可行。

2.1 焊缝组织分析

图1为对焊缝接头各区显微组织，通过对焊缝进行显微组织分析可知焊缝可明显分为四个区，即：不锈钢层、过渡层、扩散层、合金钢层[9]。

从图 1（a）中可以看出，焊缝中不锈钢层组织主要为奥氏体和铁素体，大多数呈胞状的树枝晶[9,12]。316L 是超低碳奥氏体不锈钢，由于其导热系数小，线膨胀系数大，焊接时，焊缝在拘束状态下，焊后焊接接头可残留较大的焊接应力；焊缝区柱状晶间存在低熔点夹层薄膜，在凝固结晶后期以液态膜的形式存在于奥体柱状晶粒之间，在一定的拉应力下很容易产生热裂纹[11]。本试验采用ER-316L焊丝进行不锈钢层打底焊接，其成分和316L相似，S、P 含量低于母材，可有效控制热裂纹和应力腐蚀开裂。

图1 对焊缝接头各区显微组织Fig.1 Macrostructure and microstructure of different layers

由于不锈钢复合钢管的两种材质具有不同化学成分和物理性能，在焊接过程中，很容易造成碳及合金元素的扩散，引起焊接接头性能恶化，影响焊接质量。不锈钢复合管焊接的关键问题是焊缝过渡区，避免填合金元素扩散，造成焊缝中奥氏体形成元素减少、含碳量增加，从而避免不锈钢焊缝耐蚀性的下降。因此，复合管焊接的过渡焊采用管内外充氩保护的GTAW焊接方法，焊丝采用ER-309LMo。从图 1（b）中可以看出，过渡层组织依然是奥氏体和铁素体，但整体组织比打底层细小[9,12]。通过 EDS分析可以知道焊缝中不锈钢层的合金元素含量与内衬管 316L的含量相近，过渡层元素含量小于ER-309LMo的含量，其合金元素已被基层低碳钢稀释。由于采用ER-316L焊丝进行不锈钢层打底焊接，其成分和316L相似，可以说明过渡层对覆层的不锈钢层焊缝起到了很好的隔离作用，从而保持了不锈钢层焊缝中主要合金元素的含量[9]。

从图1（c）中可以看出，扩散层组织细小，由于其底部合金元素稀释了过渡层，其组织主要为马氏体、少量的残余奥氏体[9,12]。从图1（d）中可以看出，焊缝合金钢层组织为先共析铁素体、针状铁素体、粒状贝氏体和及少量珠光体[11,12]。焊缝合金钢层中针状铁素体分布较为均匀，一部分碳化物在先共析铁素体周围析出，另一部分碳化物在铁素体周围聚集成小块分布。奥氏体晶界已不明显，M-A 组元呈块状或粒状分布在块状铁素体上。

2.2 冲击断口分析

由于焊缝、熔合线附近及HAZ区为焊接接头的薄弱环节，本试验进行了低温冲击试验，其断口形貌如图2所示。

焊缝区和熔合线区处的试样断口区域只存在放射区和剪切唇区，为解理和韧窝混合断裂，且解理区域较大。图2（a）为典型的扇形花样，属于解理断裂，裂纹启裂于晶界碳化物聚集处；图2（b）为短而弯曲的河流花样，局部存在撕裂棱且撕裂处有塑性变形，属于准解理断裂，裂纹起源于马氏体，而马氏体相对碳化物具有较高的韧性[12-14]。热影响区处冲击试样断口包括纤维区、放射区和剪切唇区三个区域，同样为解理和韧窝混合断裂。从图2（c）中可以看出主要为抛物线形韧窝，但抛物线较短，没有被明显拉长，且韧窝较小，断裂时的冲击吸收功较大[12-14]。

图2 冲击断口形貌图Fig.2 Fractographies of different positions of welded joint

3 结论

（1）采用本文中焊接工艺参数，对壁厚为（10+2）mm的L450/316L 复合管进行对焊试验，并对对焊缝焊接接头性能进行评价，其结果表明：对焊焊接接头拉伸、冲击等力学性能满足标准要求，焊缝中不锈钢层耐晶间腐蚀性能较好。

（2）复合钢管焊接接头组织可分为不锈钢层、过渡层、扩散层及合金钢层四个区域。不锈钢层主要有奥氏体、铁素体组成；过渡层组织由细小的奥氏体、铁素体组成，可以防止不锈钢层金属中合金元素被扩散层稀释，对不锈钢层起到了良好的隔离作用；扩散层组织主要为马氏体、少量的残余奥氏体；金钢层组织为先共析铁素体、针状铁素体、粒状贝氏体和及少量珠光体。

（3）焊缝区和熔合线区处的试样断口区域只存在放射区和剪切唇区，为解理和韧窝混合断裂，且解理区域较大；热影响区主要为抛物线形韧窝，韧性较好。

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