镍合金CRA825长输复合管半自动TIPTIG焊接工艺

2021-03-02刘振干李胜利张二波

石油工程建设 2021年1期

刘振干，李胜利，张二波

中国石油天然气第一建设有限公司，河南洛阳 471023

1 工程概况

CRA825复合管是一种特殊的双金属工程材料，以API 5L X60管道钢作为基层，用冶金复合方式堆焊825镍合金管作为复合层金属，它既有常规碳钢管道优质的力学性能及工程经济性，又具备镍基合金的特殊抗腐蚀性能，已越来越多地应用到酸性及湿H2S等抗腐蚀要求高的场合。海外某油气田项目由于运行介质中含有大量的湿H2S成分，导致介质腐蚀性大大增加，为了保证管道长周期运行安全，选用了抗腐蚀性能更好的CRA825复合管。管道全长62.4 km，采用埋地管道设计，管径6in（1in=25.4mm），壁厚为9.53mm+3 mm（825镍合金层）。由于该管道材质特殊，质量要求高、施工工期紧，考虑到传统手工焊对焊工要求高、焊缝质量不稳定、焊接效率低下等因素，引入TIPTIG焊接工艺来完成CRA825管道焊接。

2 TIPTIG焊接工艺

TIPTIG是一种新兴的焊接工艺，综合了传统MAG焊效率高及TIG焊质量稳定的双重优点，采用动态振动自动送丝系统（并有热丝系统预热），克服了传统氩弧焊手工送丝效率低的缺点。一方面，采用动态振动自动送丝技术破坏熔滴及熔池的表面张力，提高熔敷效率，细化晶粒，便于熔池中气体的溢出，改善熔敷金属性能及外观成型；另一方面，热丝系统在焊丝送入熔池前提前对焊丝进行加热，进一步提升了焊丝的熔敷效率，降低了热输入量，提升了焊缝的冶金性能。TIPTIG焊接工艺适用电流范围大，生产效率高，成本较低，操作方便，能获得性能稳定的高质量焊缝金属，自动化程度较高，可以实现自动焊接及半自动焊接。由于全自动焊接设备复杂，对环境要求高，现场移动便捷性较差，根据长输管道现场焊接的实际情况，本次选择了机动性更强、操作便利的半自动TIPTIG焊接工艺方法[1-2]。

3 焊接工艺试验

为了验证TIPTIG焊能够获得优良的焊接接头，对TIPTIG焊接工艺依据壳牌标准及国际标准进行了焊接工艺评定试验。

3.1 试验母材

试验母材选用和工程材料一致的API 5L X60+3 mm CRA825材质，该母材采用冶金复合工艺生产。基层母材的力学性能及CRA825复合层的化学成分见表1、表2。

表1 CRA825复合管基层母材的力学性能

表2 CRA825复合管复合层化学成分质量分数单位：%

3.2 焊材

根据复合管母材基层的碳钢强度及复合层化学成分，选用ERNiCrMo-3（N06625）焊材作为填充金属，参考国际市场的焊材品牌，本次试验选择了ESAB和Special Metal（下文简称SPME）两个品牌的ERNiCrMo-3焊材进行对比试验，焊丝直径0.9 mm。ERNiCrMo-3焊材的化学成分见表3。

表3 ERNiCrMo-3焊丝的化学成分质量分数对比单位：%

3.3 接头的设计

根据TIPTIG焊接工艺特性，为了进一步提高熔敷效率，降低焊缝截面积，减少焊接热输入及热影响区面积，焊接接头坡口采用专用刀头加工的“U”形坡口，坡口示意及实物见图1。

图1 坡口示意图及实物

3.4 惰性气体背面保护装置

由于镍基合金焊接的特殊性，为了获得优良的根部焊缝，必须采用惰性气体对焊缝进行背面保护，本次采用的是带自动气体背保护装置的专用长输管道内对口器，见图2。该装置集管道内对口器功能及焊缝背面气体保护装置于一体，通过氩气管道与外部的氧含量自动监测仪相连，实现了焊缝背面氧气含量浓度的自动实时监测，起到了接头焊缝对口及背面保护的双重作用。

图2 集对口及焊缝背面气体保护于一体的内对口器

3.5 焊接工艺参数

（1）焊接前应对坡口表面、坡口周边的污物、基材锈蚀等进行彻底清理，并采用丙酮对复合层坡口表面、焊丝等进行彻底清理。

张会永，副主任医师/副教授，现任辽宁中医药大学附属医院血液科副主任。毕业于辽宁中医药大学本硕连读中医学专业。2004年拜国医大师李玉奇先生门下，随学8年，系统学习传统中医理法方药，并研习舌诊、脉诊。2007年起，师从杨关林教授学习中西医结合临床与研究。2008年始，从事血液科临床工作至今。临床之余，整理名老中医学术经验，并从事生存质量及中医药疗效评价方法研究。

（2）焊接采用直流正接小电流、多层多道焊、小热输入的方法进行焊接，焊接热输入不超过2.0 kJ/mm，焊接参数见表4。

表4 TIPTIG焊接工艺参数

（3）不预热或者采用低于50℃的预热温度，层间温度控制在150℃以内。

（4）结合TIPTIG焊接特性，采用适当的摆动方式提高熔敷效率，减少层间缺陷的产生。

3.6 惰性气体背面保护监测

CRA825复合管焊接背面保护气体采用氩气，纯度为99.995%以上。焊接前，打开内部充氩装置对接头根部进行氩气置换，气流量14～30 L/min，冲氩2～3 min，采用和内对口器相连的氧含量测试仪对接头背面氧含量进行监测，见图3。为达到良好的背面保护效果，焊接前及焊接过程中，背面保护气中氧气的体积分数要低于0.1%，且以不大于0.05%为最佳。

图3 实时监测接头背面保护的氧气含量

4 焊接接头的无损检测

焊接完毕后，待温度降至室温后，对焊接接头进行外观检测，检测表明，焊缝内外部表面成型良好，无咬边、焊瘤，焊缝表面圆滑，余高1.5～2 mm，无任何表面缺陷。焊缝根部呈现银色及局部蓝黄色，氧化颜色符合规范规定。对接头进行RT和表面PT检测，在RT检测底片上仅看到有个别气孔、夹钨存在，焊接试件共10件，合格率100%，焊缝RT检测显示的统计结果见表5。

表5 接头RT结果

5 焊接接头的机械性能试验

5.1 焊接接头的力学性能

对焊接接头按照ASTMA370进行拉伸、弯曲试验，以验证焊接接头的力学性能，试验结果见表6。从表6可以看出，焊缝力学性能良好，符合规范要求。

表6 焊接接头的力学性能

5.2 焊接接头的宏观及硬度试验

为了进一步验证焊接接头的熔合性并保证焊接接头具有耐酸性介质腐蚀的能力，对焊接接头进行宏观及硬度试验。宏观试验照片见图4，硬度值见表7。通过宏观照片观察发现，焊缝层间熔合良好，未发现任何层间夹杂及未熔合产生。从表7可以看出，焊接接头碳钢部分硬度值HV10均小于规范要求值（275），焊缝金属硬度值HV10均小于340，硬度指标符合规范要求，对比分析发现使用ESAB焊材的硬度值相对较高。

表7 焊接接头的硬度值HV10

图4 宏观照片

5.3 冲击试验

表8 焊接接头不同位置的低温冲击吸收功

图5 夏比冲击试样取样位置

6 焊接接头金相、化学成分及腐蚀试验

6.1 微观金相试验

经过取样、粗磨、细磨、腐蚀等步骤制备的金相试样在400X光学显微镜下进行观察，结果如图6所示。接头部位由于熔合了碳钢母材、CRA825堆焊层、填充金属三种材质，因此其化学成分比较复杂，从图6可以看到，焊缝为均匀奥氏体，呈枝状发展，枝状晶发展方向较一致；接头母材及热影响区均为细晶粒铁素体及珠光体，晶粒分布均匀，无晶间化合物析出[3-4]。

图6 微观图像

6.2 焊缝金属的化学成分

为了验证TIPTIG焊接过程对镍基焊材产生稀释性的影响，对焊缝金属进行化学成分分析。从根部焊缝中心距表面0.5 mm处取样分析，得出焊缝金属的化学成分如表9所示，由表9看出焊缝金属的化学成分符合焊缝所用镍基焊材的化学成分要求。

表9 焊缝金属化学成分质量分数单位：%

6.3 焊接接头的晶间腐蚀试验

为了保证焊接接头具有优良的抗腐蚀性能，采用ASTMG28方法A对焊接接头进行硫酸-硫酸铁环境下的晶间腐蚀试验。取样部位位于焊缝根部包括焊缝及热影响区（去除基层碳钢），试样大小为25 mm×25 mm×3 mm，然后进行加工、抛光、称重。试验溶液为25 g硫酸铁溶于600 mL硫酸形成的硫酸-硫酸铁溶液，加入试样后，在沸腾状态下连续沸腾120 h。试验结果采用称重法进行评估，腐蚀试验见图7，试验结果见表10。从试验结果得知，SPME焊材的腐蚀速率小于ESAB焊材，因此防腐蚀性能更好。