X60/625镍基合金复合管环缝焊接工艺及应用

杨延华

(西安航空学院，西安 710077)

0 前言

在油气集输管道中，应用双层金属复合管是防止油气介质腐蚀内径的有效方法，是一种新型防腐技术[1-3]，以双层金属复合管作为油气田输送管，是有效进行腐蚀预防和控制的主要管材，与碳钢管相比可以耐腐蚀，与耐蚀合金纯材相比，价格经济。由于双金属复合管的良好的耐蚀性和经济性，自20世纪90年代以来，其相关技术开发和应用研究取得一定进展[4-5]。双金属复合管在油气集输管道中的应用，有效解决了高腐蚀油气集输管材的腐蚀问题。由于双金属复合管道是2种材料机械或者冶金结合，则管道的质量受多个加工环节影响，其中包括制造、检验、施工等，其中管道环焊缝的焊接，是管道集输系统密封和强度、耐蚀等极其重要环节，否则极易出现焊接开裂、腐蚀泄露等质量安全事故及环保事故[6-7]。

有些地区天然气中含有硫化氢等腐蚀介质，如阿美公司建设的沙特哈拉德项目位于沙特中南部的蒙德瑞克地区，该地区天然气中含有的硫化氢等腐蚀介质，对碳钢管产生严重的腐蚀性，尤其是场站工艺管线、弯头、弯管、三通等管件，更容易发生腐蚀失效，严重降低工艺管网的使用寿命，场站维修、更换管线管件比较复杂，且成本高。如果需要停输将会严重影响经济效益。因此，选择双金属复合管成为油气田集输管道腐蚀控制重要手段。在沙特哈拉德项目11条集输干线及7座站场管线全部设计为内堆焊冶金复合管X60/625，基材为API 5L PSL2 X60，覆材为镍基合金625，管径分别是6寸、8寸、16寸、20寸、24寸、30寸、48寸，壁厚范围为7.11/3～38.1/3 mm。

由于双金属复合管焊接本身涉及到异质材料的焊接，具有一定的焊接难度，再加上本项目冶金复合管是在X60基管内堆焊镍基焊材625而成，覆层材料受应力、裂纹、氧化、合金元素稀释等因素影响，在环焊缝组对焊工程中焊接更为困难。

依据相关研究文献[7]，在20世纪90年代初期，双金属复合管管端封焊处理，环焊缝工艺为根焊、过渡焊、填充焊、盖面焊等。管端封焊采用不锈钢焊丝，经过TIG焊接工艺完成不锈钢和碳钢层间隙的密封焊接。根焊采用不锈钢焊丝或焊条打底，过渡焊采用过渡材料焊接，如309Mo焊丝，完成从不锈钢层到碳钢层的过渡，接着填充焊和盖面焊采用碳钢焊材完成碳钢层的填充和盖面。此类焊接工艺薄弱环节主要为封焊工艺和过渡焊工艺。例如，某油田用φ273 mm×(7+2) mm L360/316双金属机械复合管，管端采用封焊工艺，环焊缝采用根焊、过渡焊、填充及盖面焊，抽查焊口220道，合格率为77.2%，不合格焊口主要集中为封焊和过渡焊问题[8]。而文献[9-10]分析的某油田L415/316L复合管焊接裂纹结果说明，过渡层高碳含量引起的高淬硬倾向从而引起复合管焊接接头裂纹。文献[11]报道分析了新疆克深2气田应用双金属复合管实践中出现了焊接裂纹，从而导致失效管道失效。

鉴于根焊、过渡、填充焊接工艺具有成本低、便于施工等优点，在塔里木迪那2气田、克深2气田等应用，取得一定效果，但是还是容易出现焊缝稀释、焊缝裂纹等问题。因而这类焊接工艺需要具有可靠稳定的焊接工艺控制手段和检验手段，从而方可保证接头的焊接质量[7]。还有文献[12-13]，从焊接坡口、保护气体等方面研究双金属复合管环焊缝相关工艺，也取得一定进展，值得行业借鉴。因此，文中开展对X60/625堆焊冶金复合管环焊缝焊接工艺研究，以来保证焊缝的结构性能和耐蚀性能，为阿美公司建设的沙特哈拉德项目提供工艺参考。

1 焊接工艺分析与工艺设计

1.1 焊接性能分析

堆焊冶金CLAD复合管φ219 mm×(8.74+3) mm X60/625，内层为镍基耐蚀性金属(镍基合金625)，在室温下的微观金相组织为单一奥氏体；外层为低合金钢(X60)，在室温下的微观金相组织为针状铁素体+珠光体。基管执行API Spec 5L 45版 PSL2标准，规格为φ219 mm×8.74 mm，堆焊冶金复合管规格为φ219 mm×(8.74+3) mm，堆焊材料为625，堆焊厚度为3 mm。基管为X60管线钢材料，I型碳当量CEPcm为0.16%，II型碳当量CEIIW为0.33%，其属于低合金钢，具有良好的焊接性能，焊接试验用X60管线钢拉伸性能测试结果为，屈服强度为 440 MPa,抗拉强度为550 MPa。堆焊焊丝为625材料，所有堆焊层为625熔覆金属，PMI测试结果Cr含量为22.62%，Ni含量为62.97%，Mo含量为8.90%，符合 625熔覆金属材料化学成分要求。堆焊冶金复合管基管、覆层的化学成分分别见表1和表2。

表1 基管X60化学成分(质量分数，%)

表2 堆焊层化学成分(质量分数，%)

1.2 焊接工艺设计

焊接工艺设计为钨极氩弧焊+焊条电弧焊(GTAW+SMAW)来进行焊接。焊接前要进行坡口设计、管道的组对、背面保护及全位置焊接等。坡口设计中，由于该项目中焊材为X60/625，坡口加工为30°±2.5°，如图1焊接坡口及焊接分层示意图所示。采用机械加工，严禁使用氧-乙炔和等离子切割加工，加工成形后用磨光机进行清理坡口内外表面。坡口组对前，需重新对坡口清理表面，去除镍基层表面氧化膜，在用丙酮清洗坡口内外表面，清洗后用清水冲洗并用丝布擦干，对口间隙为0～1 mm。焊丝选用伯乐AWS A5.14 ERNiCrMo-3，焊丝直径为φ2.4 mm，抗拉强度≥760 MPa，焊丝化学成分见表3。焊条选用伯乐AWS A5.11ENiCrMo-3 Thermanit 625，焊条直径为φ2.5 mm，屈服强度≥450 MPa，抗拉强度≥760 MPa，焊条化学成分见表4。

图1 焊接坡口及焊接分层示意图

表3 焊丝化学成分(质量分数，%)

表4 焊条化学成分(质量分数，%)

保护气体选用工业氩气(Ar)，纯度99.997%，焊接氩气流量10～15 L/min，根焊时背氩流量20～25 L/min。

焊接工艺过程为：根焊(1)、热道焊(2)、填充焊(3,4)、填充焊(5)、盖面焊(6,7)，共7层16道，如图1所示。其中根焊(1)、热道焊(2)、填充焊(3,4)为钨极氩弧焊(GTAW)；填充焊(5)、盖面焊(6,7)为焊条电弧焊(SMAW)。工艺设计的7层16道中，第1层设计为1道焊接，打底焊时熔深0～1 mm，焊缝熔宽2～4 mm；第2层仍为单道焊接，覆盖第1层，连接复合管堆焊层金属；第3层为2道焊接，作为625层向碳钢层过渡焊接层，第3层到第7层，均为3道焊接，分别为碳钢层填充和盖面。焊接工艺参数见表5。

表5 焊接工艺参数

2 焊接工艺试验与结果分析

2.1 焊接工艺实施

按照上述工艺设计，对φ219 mm×(8.74+3) mm X60/625堆焊冶金复合管进行坡口加工，组对和焊接。复合管管内有镍合金层，焊接时需要充氩气保护，要考虑氩气充分保护焊缝，气室不得有混合气体存在，气室内部含氧量不超过0.02%。焊接电源选用山东奥泰ZX7-400S TGIIa 逆变式多功能管道焊机。脉冲电源：N/A，钨极直径φ2.4 mm，风速不大于2 m/s。

焊接试样形貌如图2所示。焊接过程中，每层每道焊接完成后进行焊缝初检，不得有焊接气孔、裂纹等肉眼可见缺陷，再进入下一层次/道次焊接。由于内表面有保护气体，氩气流量14 L/min，充氩流量25 L/min，隔离空气和氧气，焊接完成后，焊缝内表面宏观颜色呈现浅黄色或淡黄色，未见明显发蓝氧化区域出现，可见内充氩气保护起到良好的保护效果，如图2c所示。焊后24 h，使用RT拍片方法对环焊缝接头进行检测, 执行标准为API 1104-2016，拍片灵敏度优于2%，拍片结果为一级合格，未发现明显焊接缺陷。

图2 焊接试样形貌

2.2 焊缝宏观与微观形貌

根焊采用单面焊背面成形焊接工艺，焊缝成形较好，焊缝呈现弧形过渡，与焊缝两侧堆焊层过渡良好；同时，每层每道焊缝重叠和熔深覆盖良好，此外，焊缝金属与母材全焊透和全熔合，无宏观焊接缺陷可见，如图3焊缝截面形貌。

图3 焊缝截面形貌

焊接接头微观分析显示，基体组织见图4a所示，X60碳钢基体组织为粒状贝氏体和铁素体及珠光体组织；碳钢与625堆焊层界面组织如图4b所示，碳钢与625堆焊层界面清晰，界面结合良好，无空隙无气孔等缺陷；环焊缝中心组织如图4c所示，625材料呈现柱状晶，自熔合线性向焊缝中心分布，晶粒尺寸均匀细小，组织为固溶体和碳化物；基体热影响区组织形貌如图4d所示，热影响区宽度约1 mm，沿着熔池弧线分布，粗晶区和细晶区分界清晰；熔合区组织如图4e所示，主要为粒状贝氏体和珠光体铁素体组织，受高温作用，铁素体析出较多，晶粒尺寸较基体略显长大；细晶区组织如图4f所示，主要为珠光体铁素体和少量粒状贝氏体组织，晶粒尺寸细小均匀。

图4 环焊缝微观组织形貌

2.3 焊缝力学性能及耐蚀性

拉伸试验：2个拉伸试样如图5所示，横向抗拉强度分别是611 MPa和622 MPa，断口位于母材，试验结果均合格。弯曲试验：试样如图6所示，分别为2个面弯，2个背弯，弯曲180°，试验没有发现明显裂纹以及气孔等缺陷，试样弯曲结果均合格。

图5 拉伸试样

图6 弯曲试样

夏比冲击韧性试验执行标准为ASME IX，ASME B31.3，验收标准为ASME-W-011。分2部分进行，第1部分为GTAW部分试件，主要为根焊(1)至填充焊(3,4)部分，取样2组，试样尺寸为7 mm×10 mm×55 mm小尺寸试样，缺口位置分别位于焊缝中心和热影响区位置，缺口深度为2 mm，试验温度为-21.4 ℃。焊缝冲击吸收能量分别为108 J，100 J，110 J，平均值为106 J，横向膨胀量分别为0.92 mm，0.64 mm，0.99 mm，试验结果合格，符合标准要求；热影响区冲击吸收能量分别110 J，70 J，80 J，平均值为87 J，较焊缝低1/4，焊缝和热影响区的试验结果合格，符合标准要求。GTAW部分试件夏比冲击试验结果见表6。

表6 GTAW部分试件夏比冲击试验结果

第2部分为SMAW部分试件，主要为填充焊(5)和盖面焊(6,7)部分。取样2组，试样尺寸为4 mm×10 mm×55 mm小尺寸试样，缺口位置分别位于焊缝中心和热影响区位置，缺口深度为2 mm，试验温度为-33.7 ℃。焊缝冲击吸收能量分别为35 J， 32 J，34 J，平均值为34 J，横向膨胀量分别为0.69 mm，0.64 mm，0.61 mm，热影响区冲击吸收能量分别64 J，72 J，70 J，平均值为69 J，较焊缝高35 J。横向膨胀量评价0.87 mm，平均较焊缝高0.23 mm，试验结果合格，符合标准要求，详细结果见表7。

表7 SMAW部分试件夏比冲击试验结果

环焊缝显微硬度试验中，在基材中心和距离表面1.5 mm处及覆层上取样，分别在2个区域，即环焊缝6点钟位置和12点钟位置取2组试样，然后进行显微硬度试验，载荷为98 N，每个试样打35个硬度点，分别位于基材金属、热影响区及其环焊缝，硬度测试点示意图如图7所示。硬度分布图如图8所示，由图8可以看出，基材金属的硬度值在181～191 HV10之间。在基材的热影响区，硬度值与基材金属硬度相差不大，分布较为均匀，硬度值在200 HV10左右。焊缝区内的硬度较基材金属和热影响区内的硬度都高，其硬度值分布在228～279 HV10之间，这是由于焊缝在焊接时，液态金属冷却凝固过程中，焊缝组织从熔池底部到焊缝中心及焊缝表面，经历复杂的热应力和组织应力演变和生长过程，部分组织由于冷却过快，局部产生淬硬组织或者淬硬相，从而导致焊缝硬度高于基材金属及其热影响区。在基材中心的焊缝区的硬度比基材边缘的硬度值偏大，平均偏大18 HV10。覆层的硬度值在基体金属、热影响区和焊缝区的分布整体比较均匀，没有明显的差别，硬度值主要集中在257～285 HV10之间。硬度测试结果符合标准要求。

图7 硬度测试示意图

对环焊缝进行腐蚀试验，执行标准ASTM G48 A《Standard test methods for pitting and crevice corrosion resistance of stainless steels and related alloys by use of ferric chloride solution》，验收标准为01-SAMSS-044《Materials system specification — CRA clad pipe spools》及01-SAMSS-048《Materials system specification — CRA clad or lined steel pipe》A-02(15)，在沸腾硫酸铁-硫酸溶液中煮120 h，腐蚀速率为0.221 mm/a，小于标准要求的0.914 mm/a，耐腐蚀试验合格。

图8 硬度分布图

综上所述，冶金堆焊双金属复合管φ219 mm×(8.74+3) mm X60/625经过625焊丝GTAW打底焊、填充焊，再经过625焊条SMAW填充焊和盖面焊，环焊缝成形良好，焊缝金属、堆焊层及基层实现了良好过渡，镍基合金625/X60焊缝强度满足规范要求，并且环焊缝具有较好的抗腐蚀性能，满足腐蚀环境的应用。

2.4 熔合线微区关键合金元素分析

焊缝熔合线附近X射线能谱仪(EDS)扫描结果显示，焊缝与基管熔合线微区内Ni，Cr，Mo，Fe元素分布发生了明显的变化，即在熔合线附近，上述元素的分布存在一个明显的梯度，而堆焊层与基管熔合线微区内的Ni，Cr，Mo，Fe元素分布则无明显的梯度变化，如图9熔合线微区主要合金元素分布所示。焊缝金属化学分析结果见表8，与焊丝、堆焊层化学成分用差值法计算出镍的含量大于60%，符合标准要求。

图9 熔合线微区主要合金元素分布

表8 焊缝金属化学成分(质量分数，%)

3 应用

该焊接工艺在沙特哈拉德项目一期管道工程中得到应用，对X60/625双金属复合管对口施工，共焊接612道口，一次合格610道口，合格率达99.7%。

4 结论

(1)对于X60/625双金属复合管，采用ERNiCrMo3同质材料焊材，应用了GTAW+SMAW的焊接工艺，焊接过程分为根焊、热道焊、填充焊及盖面焊。环焊缝成形良好，焊缝金属、堆焊层及基层可良好过渡，焊接后的焊缝经过无损检验、拉伸试验、弯曲试验、夏比冲击试验、硬度试验、焊缝耐腐蚀试验及关键合金元素分析后，各项指标均符合相关标准及技术规范要求。

(2)该焊接工艺的可行性在沙特哈拉德项目一期管道工程中的应用中得到验证，该工艺可以进一步推广至其它同类双金属复合管施工项目中。