劉海璋 ，畢宗岳 ，楊 軍 ，張萬鵬 ，楊耀彬

(1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008）

0 前言

隨著油氣資源向著深海、沙漠、南北極地區(qū)等含有較高H2S，CO2和CL-等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)環(huán)境方向發(fā)展，油氣輸送管道大量采用高耐蝕合金會(huì)造成生產(chǎn)成本增加以及耐蝕合金材料的浪費(fèi)。雙金屬復(fù)合管綜合了耐蝕材料的抗腐蝕性能和碳鋼材料良好的力學(xué)性能，可以達(dá)到與內(nèi)襯耐蝕合金管材相當(dāng)?shù)男阅埽岣吡斯艿腊踩?jí)別，延長了管道壽命，是一種適應(yīng)油氣田防腐需要的新型管材，因而廣泛應(yīng)用于石油、化工、醫(yī)藥、建筑、輸酸管道、壓力容器和水利等領(lǐng)域[1-4]。

雙金屬復(fù)合鋼板由復(fù)層（不銹鋼）和基層（碳鋼、低合金鋼等）組成。不銹鋼復(fù)合鋼板的焊接不僅包括基層和復(fù)層的焊接,而且在基層和復(fù)層焊縫的交界處還需進(jìn)行過渡層焊接。過渡層的作用是防止基層焊縫、母材對(duì)復(fù)層Cr，Ni元素的稀釋,補(bǔ)償由于稀釋所造成不銹鋼焊縫合金元素降低，確保復(fù)層焊縫化學(xué)成分與不銹鋼母材化學(xué)成分保持一致，使焊縫合金成分能保持相應(yīng)水平[5-8]。因此，過渡層焊材的Cr和Ni含量較高，在相組成上還應(yīng)確保稀釋后的焊縫保持奧氏體與鐵素體的雙相組織特征。為了使過渡層具有良好的抗裂性及韌性,還要求鐵素體含量在5%～10%之間。但應(yīng)指出,隨著過渡層焊縫中鐵素體含量的增加，其耐均勻腐蝕能力相應(yīng)減弱。焊接中，為保證焊縫合金成分與母材一致，具有足夠的Cr和Ni含量，在焊材選擇上偏向于Cr和Ni含量較高、抗稀釋性較好的不銹鋼焊絲。一般來說，希望得到的焊縫組織特征為γ＋（4%～10%）δ鐵素體雙相組織。焊縫中4%～10%的δ鐵素體對(duì)提高抗熱裂紋及抗晶間腐蝕性能有顯著功效，但其含量不能太多，否則會(huì)在高溫下轉(zhuǎn)變生成σ脆性相，嚴(yán)重降低焊縫的抗裂性和抗晶間腐蝕性能[9-11]。

雙金屬復(fù)合管的生產(chǎn)工藝主要有機(jī)械結(jié)合和冶金結(jié)合兩種[12-15]，冶金結(jié)合復(fù)合管的生產(chǎn)是先將兩種不同材質(zhì)的板坯用超大功率熱軋機(jī)進(jìn)行熱軋復(fù)合，然后卷成管坯，再進(jìn)行縱縫焊接。本研究進(jìn)行了316L/X60復(fù)合管焊接工藝的研究開發(fā)工作，為管道防腐工業(yè)提供新的技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為X60鋼和316L不銹鋼復(fù)合鋼板，復(fù)合板厚度為10 mm（碳鋼）+1 mm（不銹鋼），化學(xué)成分見表1。

為了提高基層管線鋼焊縫韌性，X60管線鋼的焊接選用H08Mn2SiA φ1.2 mm的氣保焊絲，采用MAG焊。復(fù)層316L不銹鋼的焊接則選用ER316L φ1.2 mm的氣保焊絲。過渡層材料確定為ER309M φ1.2 mm不銹鋼氣保焊絲。過渡層和復(fù)層采用TIG焊接。焊接坡口設(shè)計(jì)如圖1所示，焊材具體牌號(hào)、規(guī)格及焊接參數(shù)見表2。

表1 316L/X60復(fù)合板化學(xué)成分 %

圖1 焊接坡口設(shè)計(jì)示意圖

表2 焊接材料牌號(hào)、規(guī)格及焊接參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

焊接接頭依據(jù)GB/T 13148—2008《不銹鋼復(fù)合鋼板焊接技術(shù)要求》進(jìn)行性能檢測和評(píng)價(jià)。拉伸試驗(yàn)在WAW-2000型微機(jī)控制電液伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，垂直于補(bǔ)焊焊縫取橫向板狀拉伸試樣，試樣標(biāo)距內(nèi)寬38.1 mm，標(biāo)距段長50 mm，厚度18.4 mm。彎曲試驗(yàn)在CSS-88100萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載方向垂直于焊縫，加載速度為1 mm/min。沖擊試驗(yàn)按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，采用10 mm×10 mm×55 mm夏比V形缺口沖擊試樣，V形缺口夾角45°，在NAI500F擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。低溫控溫介質(zhì)采用無水乙醇和液氮混合物，試樣在規(guī)定溫度溶液中保溫 15 min以上，以保證試樣表面與內(nèi)部溫度一致，用低溫?zé)犭娕紲y量溫度，試驗(yàn)溫度為0℃。采用Leica DMI5000M金相顯微鏡對(duì)原料復(fù)合板、焊縫處基層、復(fù)層及過渡層進(jìn)行觀察。

焊接接頭耐腐蝕性試驗(yàn)按GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》進(jìn)行，HIC試驗(yàn)按照NACE TM0284-96《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致裂紋評(píng)估》進(jìn)行，選用A溶液，H2S和 CO2分壓均為 0.034 5 MPa， Cl-濃度≤5%進(jìn)行檢測試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊接接頭力學(xué)性能

焊接接頭抗拉強(qiáng)度、彎曲性能及焊縫中心和熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表3～表5。從試驗(yàn)結(jié)果看，焊接接頭各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿足GB/T 13148—2008《不銹鋼復(fù)合鋼板焊接技術(shù)要求》；正反彎曲角度達(dá)到180°，拉伸面無裂紋，說明焊接接頭的塑韌性（即變形能力）完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且彎曲性能優(yōu)良。焊縫中心和熱影響區(qū)在0℃下的沖擊功均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，確保焊縫具有良好的低溫韌性。

表3 焊接接頭拉伸性能

表4 焊接接頭彎曲性能

表5 0℃焊縫沖擊韌性

2.2 微觀組織分析

圖2是復(fù)合板基層X60管線鋼和316L不銹鋼復(fù)層的微觀組織。由圖2可以看到，基層X60管線鋼為鐵素體+珠光體組織，復(fù)層316L不銹鋼的組織特征為奧氏體。

圖2 316L/X60復(fù)合板金相照片

復(fù)合板焊接接頭處微觀組織如圖3所示。在圖3（a）中，黑色區(qū)域?yàn)檫^渡層和復(fù)層區(qū)域，由于腐蝕液對(duì)過渡層和不銹鋼層的腐蝕作用較弱，組織特征不明顯，仍然保留了較為光潔的表面，在光鏡觀察下呈現(xiàn)黑色。另外，為保證焊縫各項(xiàng)性能，基層鋼和不銹鋼采用了分開施焊，在完成基層管線鋼的焊接后再進(jìn)行過渡層和不銹鋼復(fù)層的焊接。圖3（b）為X60管線鋼的焊縫區(qū)組織，為先共析鐵素體+針狀鐵素體。圖3（c）為焊縫區(qū)基層鋼和過渡層ER309M不銹鋼的過渡界面。過渡區(qū)組織特征見圖3（d），為奧氏體+少量鐵素體組織，鐵素體呈骨架狀或蠕蟲狀分布于奧氏體晶界,有阻隔晶界通道并延伸通道長度的作用,對(duì)減少晶間腐蝕是有效的,并有利于提高焊縫的抗熱裂性能[16]。圖3（e）為焊縫處復(fù)層316L不銹鋼焊接區(qū)的微觀組織，其仍為奧氏體+少量鐵素體，此種組織特征在提高焊縫抗晶間腐蝕能力和熱裂能力方面作用顯著。

圖3 焊接接頭處金相組織

2.3 焊接接頭抗腐蝕性能

2.3 晶間腐蝕

圖4 焊縫腐蝕試樣及彎曲后的宏觀形貌

依據(jù)SY/T 6623—2005，用線切割取樣，試樣規(guī)格為76.2 mm×25.4 mm×10 mm。焊縫處取橫向試樣，保證焊縫在試樣中間，取4個(gè)試樣。由于焊縫不平整，先用銑床將試樣表面銑成平面，再線切割取樣。試樣表面用金相砂紙逐級(jí)打磨、清洗，然后將試樣浸入溶液中，溶液連續(xù)加熱沸騰24 h，取出試樣，用硝酸除去表面附著的銅膜，然后將試樣圍繞直徑等于厚度2倍的軸彎曲180°，低倍放大檢驗(yàn)是否有裂紋，試樣腐蝕和彎曲后的宏觀形貌如圖4所示，彎曲拉伸面放大10倍后的照片如圖5所示。由圖4和圖5可見，試樣沒有發(fā)現(xiàn)明顯可見裂紋，說明焊縫對(duì)晶間腐蝕不敏感，焊縫抗晶間腐蝕性能完全滿足制管標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 彎曲試樣拉伸面形貌（10×）

2.3.2 HIC試驗(yàn)

依據(jù)NACE TM0284—2003《管道、壓力容器鋼抗氫致開裂鋼性能評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方法》和GB/T 911.3—2005對(duì)復(fù)合板材焊縫進(jìn)行HIC性能檢測。試驗(yàn)時(shí)為防止表面氧化層對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，將試樣表面磨削掉其厚度的10%，在焊縫的縱向和橫向取樣，試樣表面宏觀形貌如圖6所示，試樣截面微觀形貌如圖7所示。

圖6 腐蝕后焊縫表面宏觀形貌

由圖6和圖7可以看出，焊縫橫向和縱向試樣腐蝕表面均未出現(xiàn)裂紋，因此該復(fù)合板焊縫HIC試驗(yàn)的CSR，CLR和CTR均為0。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 911.3—2005可以認(rèn)為，該工藝得到的復(fù)合板材焊縫對(duì)HIC不敏感。

圖7 腐蝕后焊縫截面微觀形貌

3 結(jié) 論

（1）采用ER309M不銹鋼焊絲配合TIG焊進(jìn)行X60/316L復(fù)合板過渡層焊接，焊接接頭力學(xué)性能、抗拉強(qiáng)度、正反彎等指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）對(duì)復(fù)合板焊接接頭進(jìn)行了晶間腐蝕、HIC等腐蝕試驗(yàn)，焊縫晶間腐蝕試驗(yàn)和HIC試驗(yàn)均未見裂紋，表明焊縫對(duì)晶間腐蝕和氫致裂紋不敏感。

[1]胡華忠，閆建義．不銹復(fù)合鋼板的焊接工藝探討[J]．化工施工技術(shù)，1998，20(05)：3-9.

[2]GB/T 16957—1997，復(fù)合鋼板焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)方法[S].

[3]何世海，韋哲．不銹復(fù)合板壓力容器的焊接工藝[J]．沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，20(41)：32-35.

[4]王一德，王立新，李國平.太鋼不銹鋼復(fù)合板生產(chǎn)發(fā)展及展望[J]．中國管理科學(xué)，2000(S1)：612-622.

[5]王文先，王峰，劉滿才，等．1Cr18Ni9Ti+Q235復(fù)合鋼板對(duì)接焊縫組織和抗腐蝕性能分析 [J]．焊接學(xué)報(bào)，2010,31(06)：89-92.

[6]陳軍．20+304不銹鋼復(fù)合管的焊接[J]．江西石油化工，2005,17（01）： 40-42.

[7]孫樹山，楊利娜，秦增偉，等．L245NB+316L小管徑復(fù)合鋼管焊接工藝研究[J]．焊接與切割,2009(14):43-45.

[8]郭晶等．國內(nèi)復(fù)合鋼板產(chǎn)品焊接中存在問題分析[J]．石油化工設(shè)備，2008，31(01)：17-19.

[9]張立君，張燕飛，郭崇曉．2205雙相不銹鋼雙金屬復(fù)合管焊接工藝研究[J]．焊管，2009，32（04）： 30-34.

[10]紀(jì)永杰，劉熙章，楊致東，等．不銹鋼復(fù)合鋼板焊接探討[J]．山東機(jī)械,2004(01):30-33.

[11]林文光，趙穎，鄔志剛．雙復(fù)層不銹鋼復(fù)合鋼板的焊接性能試驗(yàn)研究[J]．內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,20（01）： 39-42.

[12]於方,秦建平.雙金屬管在管道輸送中的應(yīng)用[J].鋼管，2000(01)：34-36.

[13]周振豐.焊接冶金學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.

[14]顧建忠．國外雙層金屬復(fù)合鋼管的用途及生產(chǎn)方法[J]．上海金屬，2000，22(04)： l6-24．

[15]宋彬．雙金屬復(fù)合管的制造及應(yīng)用[J]．給水排水,2002，28(10)： 65-66．

[16]CLEITON C,HELIO C,MIRANDA D,et al.Microstructure,hardness and petroleum corrosion evaluation of 316L/AWSE 309Mol weldmetal[J].Materials Characterization,2009,60(01):346-352.