Q245R+N08825镍基合金复合钢管焊接技术

2021-01-24张鲁滨

设备管理与维修 2021年22期

张鲁滨

（中原油田普光分公司工程管理部，四川达州 635000）

0 引言

N08825合金具有较好的耐H2S腐蚀性能和防止Cl-应力腐蚀开裂，但因为成本昂贵限制了其应用。Q245R+N08825复合管有效降低了使用成本，扩大了使用范围。Q245R+N08825复合管是由两种不同金属（基层与复层）通过爆炸焊结合在一起，再卷制成复合钢管，基层采用Q245R优质低碳钢，具有较高的强度和良好的塑性、韧性，焊接性能良好，主要作用是承受介质的压力，复层N08825具有优良的耐腐蚀性能。

1 N08825镍基合金耐蚀原理

N08825镍基合金属于Ni-Fe-Cr-Mo-Cu系列合金。N08825镍基合金的优良耐腐蚀性能主要在于其表面形成的致密的钝化膜，减缓了基体与腐蚀介质的接触，从而起到保护基体的作用。Ni、Cr、Mo等合金元素作为钝化膜的基本组成元素，对镍基合金的耐腐蚀性能起重要作用。镍基合金中镍自身电极电位较高，钝化能力强，而且对防止Cl-应力腐蚀开裂有很好的效果；而镍基合金中加入Cr、Mo、Cu等元素提高了材料耐不同介质腐蚀的能力，如Cr使合金具有承受氧化介质和硫化物腐蚀的能力，Mo具有限制点蚀的作用。镍基合金高温时，沿晶界形成Laves相和G相，造成贫Ni、Cr、Mo区是应力腐蚀开裂和晶间腐蚀的主要因素。2.5%～3.5%钼的加入，可以有效抑制Laves相和G相形成。

2 焊接工艺

镍基复合钢管的焊接比同种钢管焊接困难和复杂，既有因不同母材之间和母材与填充金属之间相互作用不同而带来冶金上的困难，又有因物理性能上存在差异带来焊接工艺上的困难，特别是基层与复层复合界面附近，易发生基层中合金元素向复层和复层中碳元素向基层扩散，从而降低基层焊缝中合金元素的含量，导致焊缝耐腐蚀性能降低。选择焊接工艺时，应充分考虑这两种因素的影响。原则上，为保证复合钢管原有优良的综合性能，通常是对基层和复层分别进行焊接，把复合钢管接头的焊接分为：基层的焊接、复层的焊接和基层与复层交界处过渡区的焊接。

2.1 焊接方法

Q245R+N08825镍基合金复合钢管焊接采用钨极氩弧焊打底，脉冲半自动MIG（Melt Inert-Gas welding，熔化极惰性气体保护焊）焊填充盖面的组合焊接方法，该焊接方法焊接效率高、焊接热输入量小、焊缝成型好，且融合比小、稀释率低，可得到综合性能优良的焊接接头。

2.2 焊材选择

复层焊接选用ERNiCrMo-3Φ2.4 mm焊丝，过渡区和基层焊接选用ERNiCrMo-3Φ1.14 mm焊丝。焊接选用超低碳高合金型焊材，64%Ni，22.6%Cr，8.9%Mo，有利于焊缝表面形成钝化膜。64%Ni能提高防止抗Cl-应力腐蚀开裂能力；22.6%Cr提高焊缝湿硫化氢环境下抗腐蚀能力；8.9%Mo还能提高焊缝区的抗点蚀能力，抑制Laves相和G相形成；同时焊材合金含量高于母材合金含量，可有效降低母材对合金元素的稀释和补偿焊接时合金元素的烧损。

2.3 焊接接头设计及坡口加工

焊接接头设计：设计镍基合金复合钢管焊接接头时，应充分考虑分别对基层、复层及过渡区的焊接施工和避免或减少复层根焊时被稀释的问题。常用坡口型式有：X形坡口、V形坡口和带台阶的V形坡口。采用X形坡口双面焊时，先焊基层，再焊过渡区，最后焊复层，以保证复层焊缝具有较好的耐蚀性能。当焊接位置受限，需单面焊时，可用单面V形坡口，先焊复层，再焊过渡区，最后焊基层，使复层中少融入基层成分。

本次焊接管道规格为Φ508×（24+3）、Φ610×（28+3）、Φ711×（32+3）。因直径较小，无法进行双面焊接，所以不选用X形坡口；带台阶的V形坡口比传统V形坡口加工困难，但可有效降低母材对复层及过渡区焊道的稀释作用，综合考虑管道介质的特殊性和工程安全性，选择带台阶的V形坡口型式。

2.4 焊接工艺要点

（1）首先用99.999%的氩气置换管道内空气，气体流速10～25 L/min，氧含量低于4×10-4时方可进行焊接。应先进行试焊，通过观察焊道色泽来判断充氩置换和气体保护的质量。如果焊缝区、热影响区金属呈银白、金黄色，说明气体保护效果好，为合格焊缝；如果焊缝区、热影响区金属呈紫、深蓝色或灰色，说明气体保护效果不好，为不合格焊缝。只有在确认充氩置换和外部气体保护质量达到要求后方可进行正式焊接。在复合管线第三层焊缝金属焊接完成之前不得去除气体置换装置。

（2）N08825镍基合金复层焊接采用钨极氩弧焊，选用Φ2.0～3.2 mm WCe，伸出长度3～5 mm，喷嘴孔径6～12 mm，焊缝不预热，控制层间温度低于80℃。焊接保护气体为99.999%氩气，气体流速10～15 L/min。采用较小的焊接工艺参数，复层焊接厚度不超过3 mm，严格控制焊接热输入，最大线能量不大于8.7 kJ/cm。

（3）过渡区焊接选用与复层焊接相同的焊接方法。采用较小的焊接工艺参数，采用多道焊缝进行焊接，严格控制焊接热输入，最大线能量不大于8.7 kJ/cm。焊接时管道内应充氩保护，以防根部焊道氧化。焊接过渡区时，应尽量减小稀释率，如用窄焊道，采用合金元素含量比复层更高的填充金属，以备稀释。焊完过渡区，应进行渗透检测，合格后方可进行下步工序。

（4）基层焊接，采用脉冲半自动MIG焊，选用喷嘴孔径10～20 mm，焊丝伸长15～25 mm，焊缝不预热，控制层间道间温度低于80℃。焊接保护气体为Ar+20%He，气体流速15～25 L/min。采用小电流、多层多道、短弧焊、摆动4～10 mm、快速焊工艺，使焊接熔池受热尽可能小，最大线能量不大于20.9 kJ/cm，然后进行下道焊缝焊接，每层焊缝接头相互错开。不在非焊部位起弧，收弧要填满弧坑，有条件的尽量使用引弧板和收弧板。

3 焊接缺陷分析

3.1 未融合

未融合分为根部未熔合、层间未融合和坡口未融合。造成未融合的原因主要有：

（1）组对错边是镍基合金复合管根部未熔的重要原因。焊接前，应对其尺寸公差、椭圆度进行检查，优选公差较小的两管口进行组对，确保管道内部错边量符合施工规范。椭圆度较大的钢管，应对管内N08825镍基合金复层进行堆焊、打磨修补，经超声波检测合格后方可使用。当对焊根部焊道进行修补时，应经射线检测合格后使用。

（2）过渡区和基层焊接时，采用多层多道、短弧焊、不摆动或小摆动、快速焊工艺时，容易片面追求减小热输入，造成层间未熔和坡口未熔，应在保证焊道熔透的前提下尽量减少热输入。

3.2 气孔

对焊缝中气孔的生成起主要作用的是氢和氮。氢主要来自是焊丝和工件表面的铁锈、油漆、油脂、水分，氩气中含有的水分及空气中的水分；氮主要来自空气。为防止气孔的产生，焊前应将坡口附近的铁锈、油污和水分清理干净；检查氩气中的含水量，含水量超标禁止使用；加强氩气保护和焊接环境风速、湿度的监控，当不满足焊接条件时，采用有效防护措施后再进行施焊；焊接时采用短弧焊。

3.3 裂纹

由于镍基合金复合管结构的特殊性，比普通钢管更易出现裂纹，且裂纹多出现在过渡区。由于镍基合金热膨胀系数与碳钢相差较大，而热导率只有碳钢的1/4，焊道在冷却过程中将产生应力，严重时将引发裂纹。为减少应力产生，特别是在寒冷天气（气温低于0℃），应对焊口进行预热和保温，温度80℃，从而减小焊口周围温度梯度，抑制裂纹生成；同时，为减小熔合比，坡口角度宜大些，采用小电流快速焊，收弧时要填满弧坑，以防裂纹产生。