低合金钢焊材焊接铁镍合金复合管的可行性研究

刘庆忠，郭建明，李松林，倪来兴

(1.大庆油田工程建设有限责任公司，黑龙江 大庆163712；2.大庆油田第六采油厂，黑龙江 大庆163712)

低合金钢焊材焊接铁镍合金复合管的可行性研究

刘庆忠1，郭建明1，李松林2，倪来兴1

(1.大庆油田工程建设有限责任公司，黑龙江 大庆163712；2.大庆油田第六采油厂，黑龙江 大庆163712)

为了降低Incoloy825铁镍合金复合管的焊接成本，对以低合金钢为焊材的铁镍合金复合管进行的填充盖面焊做了可行性研究。试验采用ERNiCrMo-3镍基焊丝氩弧焊打底，E71T8-Ni1J自保护药芯焊丝半自动填充盖面，并对其焊接接头进行了拉伸、弯曲、冲击及耐腐蚀性等理化试验。试验结果分析显示，采用低合金钢焊材进行铁镍合金复合管的填充盖面焊，其冲击与耐蚀性指标偏低，无法满足相关标准要求。研究表明，此类复合管采用低合金钢焊材进行填充盖面焊是不可行的。

Incoloy825复合管；低合金钢焊丝；冲击韧性；耐蚀性

近年来，国内外油气田地面工程建设中，为保证耐蚀性的同时降低建设成本，大量使用了不锈钢复合管或镍基合金复合管。目前，复合管的焊接有两种工艺，一是采用相匹配的不锈钢或镍基焊材，二是采用碳钢或低合金钢焊材进行填充盖面焊，以降低施工成本。笔者以Incoloy825铁镍合金复合管焊接为例，对后者可行性进行各项理化及耐蚀性验证。

1 采用低合金钢焊材的可行性分析

试验母材为新兴铸管股份有限公司生产的冶金复合管，其化学成分见表1。该复合管基层采用L360QS低合金钢，衬层为Incoloy825铁镍合金。Incoloy825属于Ni-Fe-Cr系，介于镍基合金与高镍不锈钢之间。由于Incoloy825合金对耐蚀元素的固溶度远比铁基奥氏体大，因此能容纳更多Cr、Mo等元素，因而其耐蚀性明显优于不锈钢，现广泛应用于耐一般性腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀及氯化物和硫化氢等应力腐蚀环境中。

因涉及到异种金属焊接，在打底层和过渡层选用相匹配的镍基焊丝(ERNiCrMo-3)，填充盖面焊采用自保护低合金钢焊丝(E71T8-Ni1J)工艺。焊丝成分见表2，焊缝形式如图1所示。

表1 Incoloy825冶金复合管母材化学成分

表2 焊材金属化学成分

图1 复合管焊缝形式示意图

使用低合金钢焊丝填充时其焊缝组织可参照图2来预测。通过计算母材与焊材各自的Cr、Ni当量，从而确定其在图中的坐标位。其中L360QS钢中Cr、Ni当量分别为0.25％和2.325％；ERNiCrMo-3(Inconel625)钢的Cr、Ni当量分别为34.64％和64.9％； E71T8-Ni1J(Hobrat 81N1)钢的Cr、Ni当量分别为0.046％和1.87％。L360QS钢与E71T8-Ni1J钢的组织均为铁素体与珠光体混合组织；而ERNiCrMo-3为奥氏体。假设自保护填充焊过程中，L360QS钢与前道焊缝(ERNiCrMo-3)向焊缝的熔入量相同，即二者坐标之间的连线中点大致为(17.45％，33.6％)，此坐标位于图中A(奥氏体)区，其与E71T8-Ni1J的连线代表了焊缝可能产生的组织，根据稀释率大小，该组织有可能是奥氏体、奥氏体+马氏体或马氏体。从连线长度判断，要想焊缝避免出现马氏体，其稀释率必须超过55％，否则焊缝就会出现马氏体，对冲击韧性造成不利影响。但高稀释率意味着高热输入，而高热输入可能会导致前层焊道出现热裂纹、合金元素烧损、组织过热以及焊接操作困难。一般来说，自保护焊正常焊接时，其稀释率为15％～30％。

图2 WRC-1992组织相图

以上理论分析表明，在镍基焊缝上熔敷低合金钢焊材，很可能导致焊缝中出现大量马氏体，其直接后果就是冲击韧性急剧下降。

2 焊接试验及检测结果

2.1 焊接试验

焊接材料为L360QS/Incoloy825冶金复合管，规格 Φ219mm×(7.1+3)mm。焊接位置为水平固定，焊接参数见表3。

2.2 接头检测项目及标准

试样检测委托北京石油大学测试中心进行，试验内容见表4。

2.3 检测结果及分析

拉伸、弯曲、硬度、抗氢致裂纹、抗应力腐蚀等试验合格，不合格项目主要集中在低温冲击、晶间腐蚀(G28 A法)与点蚀试验上。其检测结果见表5和表6。

表3 焊接参数

表4 Incoloy825铁镍合金复合管焊接接头检测项目

参照相关标准规定：“冲击功平均值应符合设计文件规定，至多允许有1个试样的冲击吸收功低于规定值，但不得低于规定值的70％”，表5和表6的冲击试验结果表明，对于镍基焊缝上熔敷低合金钢焊材，如以27 J为合格指标的话，其全尺寸冲击指标能够满足要求，但对于复合管焊接必检的基层L360QS焊缝来说，其指标明显偏低。在另一钢管上取样复检，结果同样偏低。对其焊缝进行微观组织分析，分析结果如图3所示。从图3可以看出，其组织由马氏体和魏氏体组成。

点蚀试验和晶间腐蚀试验按照ASTM G-48 A法和ASTM G28 A法进行，取样位置为复合管衬层，即Incoloy825侧。点蚀和晶间腐蚀试样表面宏观形貌如图4所示。从图4可以看出，在试样外表面焊缝区域发生了严重腐蚀，而热影响区域及内表面基本无腐蚀(不考虑边缘腐蚀)。正常来说，Incoloy825与Inconel625组合而成的焊缝耐蚀性较好，不应该发生如此严重腐蚀，腐蚀原因归根到底还是低合金钢焊材大量熔入，造成前道镍基焊缝耐蚀性急剧下降。

表5 冲击试验结果

图3 复合管基层L360QS焊缝组织形貌

图4 复合管衬层Incoloy825的点腐蚀和晶间腐蚀(ASTM G28 A)结果

表6 冲击试验复验结果

3 结 论

(1)采用低合金钢焊材填充盖面焊，其基层焊缝中会形成大量马氏体，冲击韧性急剧下降。

(2)全尺寸试样冲击韧性合格，并不能掩盖焊缝存在薄弱环节的现实。

(3)如果涉及到腐蚀试验，采用低合金钢焊材填充盖面焊，其结果更不理想。

(4)对于此类合金复合管，采用低合金钢焊材填充盖面焊是不可行的。

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Feasibility Research on Welding Iron Nickel Alloy Composite Pipe by Using Low Alloy Steel Welding Materials

LIU Qingzhong1，GUO Jianming1，LI Songlin2，NI Laixing1
(1.Daqing Oilfield Engineering Construction Co.,Ltd.,Daqing 163712，Heilongjiang，China；2.Daqing Oilfield the Sixth Oil Production Plant，Daqing 163712，Heilongjiang，China)

In order to reduce welding cost of Incoloy825 iron nickel alloy composite pipe，adopting low alloy steel welding materials to carry out feasibility research on iron nickel alloy composite pipe filling and covering welding.It used ERNiCrMo-3 nickel-based welding wire argon arc welding for backing，E71T8-Ni1J self-protection flux cored wire semi-automatic for filling and covering，and physical and chemical tests were carried on for welded joint,including tensile，bending，impact，corrosion resistance and so on.The results indicated that adopting low alloy steel welding material for iron nickel alloy composite pipe filling and covering welding，the impact toughness and corrosion resistance are on the low side，which cannot meet the requirements of relevant standards.Research results showed that using low alloy steel welding material for this kind of composite pipe to fill covering is not feasible.

Incoloy825 composite pipe；low alloy steel welding wire；impact toughness；corrosion resistance

TG421

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.09.010

刘庆忠(1972—)，男，黑龙江省大庆市人，高级工程师，主要从事油田地面焊接技术研究。

2016-06-07

黄蔚莉