双金属复合管Inconel625 合金堆焊层表面黑斑形成原因及其对材料性能的影响

2020-02-24甘志云周声结魏行超

焊管 2020年12期

何恩，甘志云，周声结，魏行超，戚蒿，杨阳，罗懿

（1. 海洋石油工程股份有限公司，山东青岛266520；2. 中海石油（中国）有限公司海南分公司，海口570311；3. 中海油（天津）管道工程技术有限公司，天津300452）

据统计，我国每年石油石化行业因腐蚀造成的经济损失约占行业总产值的6%，其中管道腐蚀占据相当大的比例，目前碳钢和低合金钢管在各种管网中应用最广泛，腐蚀也最严重[1-3]。经长期实践，耐蚀合金管是理想的防腐管道材料，但因其价格昂贵，以及大部分耐蚀合金的强度低于碳钢和低合金钢，阻碍了耐蚀合金管的应用。双金属复合管综合利用了碳钢、低合金钢和耐蚀合金的优点，采用薄壁耐蚀合金材料作为衬管，根据不同腐蚀环境选用相应材料，例如不锈钢、镍基合金或其他耐蚀合金等，保证其良好的耐腐蚀性能；基管采用碳钢或低合金钢，保证其力学性能满足要求，同时降低了管材成本，得到了广泛的应用[4]。

Inconel625 镍基合金具有良好的韧性、耐蚀性、抗氧化性和高强度等优点，常被堆焊到其他金属表面[5]。随着油气田开采向深井及高腐蚀环境方向发展， Inconel625 合金堆焊的双金属复合管被更多应用。目前对此类合金的焊接主要采用普通电弧焊工艺，本研究采用侧弧熔丝钨极惰性气体保护焊（arcing-wire GTAW）在X65 钢管内壁表面堆焊Inconel 625 镍基合金，堆焊工艺采用双枪焊接形式，两枪同时运行，前后间距300 mm，第一层堆焊壁厚约2 mm，堆焊完成后，合金层局部表面存在明显黑斑现象，本研究重点研究黑斑产生的原因以及黑斑现象对合金层耐腐蚀性能的影响。

1 试验材料

试验材料取自国内某厂生产的X65/Inconel625 镍基合金双金属堆焊复合钢管，规格为Φ219.10 mm×（15.9+3.0） mm，采用镍基合金Inconel625 焊丝进行根焊和堆焊处理。 X65 基管材料的化学成分见表1，由表1 可以看出，材料化学成分满足API SPEC 5L—2012 标准要求。镍基合金Inconel625 焊丝的化学成分见表2，由表2 可看出，镍基合金Inconel625 焊丝化学成分满足AWS A5.14-11 ERNiCrMo-3 （相当于GB/T 15620—2008 SNi6625）标准要求。

表1 X65 基管化学成分

表2 镍基合金Inconel625 焊丝的化学成分

2 试验结果及分析

2.1 宏观分析

试验管段总长为208 mm，内壁堆焊层厚度约3 mm，宏观分析复合管内壁形貌，发现堆焊层表面多处出现黑斑，某些位置出现沿轴向的条形黑斑，长度约200 mm，宽度约30 mm；某些部位黑斑最大尺寸为50 mm×90 mm，其余部位呈现正常金属色。复合管内壁堆焊层宏观形貌如图1

所示。

图1 复合管内壁堆焊层宏观形貌

2.2 化学成分分析

首先对复合管堆焊位置处进行化学成分分析，试验前分别在复合管堆焊层表面黑斑位置与正常位置的熔合线向上3 mm 处进行取样，采用SPECTROLABLAVM11 直读光谱仪对其堆焊层化学成分进行测量。试验方法参照GB/T 4336—2016 《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法》，化学成分检测结果见表3。

由表3 可以看出，其化学成分均满足API 5LD—2015 标准要求，但黑斑位置的Fe 元素质量百分比明显高于正常位置。

表3 复合管堆焊层化学成分分析结果

2.3 金相分析

为了研究复合管堆焊层的组织形貌，分别在复合管堆焊层表面黑斑位置与正常位置取样，采用蔡司Observer A1m 金相倒置显微镜进行观察，包括靠近熔合线的基管部位与堆焊层部位，试验方法按照GB/T 13298—2015 《金属显微组织检验方法》进行。复合管堆焊层表面黑斑位置与正常位置的金相组织如图2 和图3 所示。

图2 堆焊层表面黑斑位置金相组织形貌

由图2 和图3 可以看出，堆焊层部位均为奥氏体+枝晶分布的铁素体，晶粒度7 级，靠近熔合线的基管部位均为贝氏体，晶粒度7 级，两者未见明显差异。

图3 堆焊层表面正常位置金相组织形貌

2.4 弯曲性能分析

分别在复合管堆焊层的黑斑位置及正常位置取样，制备基管+堆焊层试样，采用Z600 双立柱万能材料试验机进行弯曲性能对比试验。参照ASTM A370—2019 《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》进行检测，试验参数及检测结果见表4。由表4 试验结果可以看出，堆焊层黑斑位置、正常位置的侧弯试验均未发现裂纹。

表4 复合管堆焊层侧弯试验结果

2.5 硬度测试

分别在黑斑位置及正常位置的基管+堆焊层取样，采用TUKON 2500 维氏硬度试验机进行硬度测试，测试点如图4 所示，参照ASTM E92—2017《金属材料维氏硬度和努氏硬度的标准试验方法》进行检测，检测结果见表5。经对比分析，黑斑位置、正常位置的基管及堆焊层硬度值均满足API 5LD —2015 标准要求，且两者未发现明显差异。

图4 硬度试验压痕位置示意图

表5 复合管堆焊层硬度测试结果（HV10）

2.6 微观组织分析

分别在黑斑位置及正常位置的堆焊层表面取样，采用蔡司EVO 18 扫描电镜进行微观组织分析，黑斑位置及正常位置的堆焊层表面典型微观形貌如图5 所示。从图5 可以看出，黑斑位置表面微观形貌呈现疏松特征，而正常位置表面微观形貌呈现致密特征。对黑斑位置与正常位置表面分别进行微区化学成分分析，结果显示，正常位置的Cr 含量高于黑斑位置，且在黑斑位置未发现Ni、 Nb、 Mo 元素，而黑斑位置Ti 和Al 含量较高。选取可能引起黑色印迹的主要元素（如C、 Fe、 Al）进一步对比分析，黑斑位置的C 和Fe 含量均较低，而Al 含量比较高，推测黑斑为Al 的氧化物，这可能与Al 元素的流动性好、在焊接过程中易于在表面富集有关[6-7]。

图5 黑斑位置及正常位置表面微观形貌

分别选取黑斑位置与正常位置，沿壁厚方向每间隔1 mm 进行微区化学成分分析（见表6），测试点位置分别为堆焊层表面、堆焊层中部和堆焊层靠近熔合线部位。由表6 可以看出，自靠近熔合线部位至堆焊层表面方向，黑斑位置与正常位置堆焊层的Fe 含量均逐渐递减，其中表面与中部的差值较小，中部与靠近熔合线部位的差值较大，其余Cr、 Ni、 Mo、 Nb、 Ti、 Al 元素均无明显的差异。考虑到堆焊层表面出现的黑色印迹，选取引起可能性的元素（如C、 Fe、 Al）进行汇总对比分析（见表6）。由表6 可以看出，黑斑位置与正常位置的C、 Al 含量无显著差异，而Fe 含量差异性显著，黑斑位置堆焊层Fe 含量比正常位置偏高。

表6 堆焊层不同位置微区化学成分对比分析结果

2.7 腐蚀试验

分别在黑斑位置与正常位置的堆焊层取样，取样具体位置靠近堆焊层内壁表面，试样尺寸为20 mm×50 mm×1 mm，分别进行晶间腐蚀试验与点腐蚀试验，晶间腐蚀试验按照ASTM G28—2002 《锻制高镍铬轴承合金晶间腐蚀敏感性检测的标准试验方法A 法》进行，试样在硫酸-硫酸铁溶液中进行120 h 沸腾试验；点腐蚀试验按照ASTM G48 《三氯化铁裂口腐蚀试验A 法》进行，试样在氯化铁溶液中进行24 h 试验，温度为50 ℃，检测结果见表7 和表8。

由表7 可以看出，两者晶间腐蚀速率均小于1.0 mm/a （质量损失），满足技术要求。由表8 可以看出，两者点腐蚀速率均小于4 g/m2，满足技术要求。但黑斑位置试样的晶间腐蚀速率、点腐蚀速率均略高于正常位置，由此可以得出，黑斑现象对合金堆焊层的耐蚀性能存在不利影响。

表7 复合管堆焊层晶间腐蚀试验结果

表8 复合管堆焊层点腐蚀试验结果

晶间腐蚀与点腐蚀试验后，从宏观角度对比分析黑斑位置与正常位置的试样表面，均无明显的腐蚀产物，且两者未见明显差异。为进一步说明两者腐蚀程度的差异，分别取晶间腐蚀与点腐蚀试验后试样截面，采用Observer A1m 金相倒置显微镜对试样表面进行金相观察（如图6、图7 所示）。由图6 可以看出，晶间腐蚀试验后，黑斑位置与正常位置的试样表面均存在腐蚀坑，深度较小，但前者的腐蚀坑数量较多（见图6 中箭头所指）；点腐蚀试验结果显示，两者试样表面未见明显腐蚀坑，可能与两者的腐蚀速率较低有关。

图6 晶间腐蚀试验后试样金相组织形貌

图7 点腐蚀试验后试样金相组织形貌

3 黑斑产生原因分析

在焊接过程中，稀释率的存在不可避免，它的存在使基管母材和堆焊层中的金属相互扩散，并且随着稀释率的增加，扩散程度也在不断地加大，基管母材中的金属进入到堆焊层，堆焊层金属纯度降低，稀释率的高低也将影响焊缝金属的成分和性能[8-10]。

综合以上试验结果，堆焊层厚度方向上同层比较，黑斑位置的Fe 含量高于正常位置，其余元素含量基本持平， Fe 元素是由基管向堆焊层进行渗入，结合本次堆焊所采用的双枪焊接形式，两枪前后间隔较小，且第一层堆焊厚度较大，热量积聚将提高Fe 元素的扩散程度，即产生较高的稀释率，推测堆焊层表面黑斑与较高热输入量下Fe 元素的高稀释率有关[11-15]。