曹遂軍，蔣國輝，劉新海，丁自力，裴先峰，聶敏，黃琨

中國石油天然氣第一建設(shè)有限公司 河南洛陽 471023

1 序言

對于具有強腐蝕性油氣田的開采，傳統(tǒng)單一的防腐技術(shù)及材料已難以滿足油氣田發(fā)展的需要。因此，各國油氣田對高鋼級、高抗腐蝕、耐低溫、高合金不銹鋼產(chǎn)品以及鎳基合金等材料的需求不斷加大，同時，若大量采用高耐蝕合金將會造成生產(chǎn)成本加大和耐蝕合金材料的浪費。在此背景下，復(fù)合管高性價比的優(yōu)勢得到體現(xiàn)。以N08825＋L360QS雙金屬復(fù)合管為例，該材料以抗硫碳素鋼管為基材，N08825鎳基合金為內(nèi)覆層，與單一材料相比，復(fù)合管性能與成本兼顧的優(yōu)勢明顯，滿足使用性能的基礎(chǔ)上大幅降低了制造成本，在石油化工管道中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。

2 工程簡介

中國石油工程建設(shè)公司承擔(dān)的中亞管道天然氣井口鎳基合金復(fù)合管道焊接任務(wù)，材質(zhì)為L360QS+N08825鎳基合金雙金屬復(fù)合管，復(fù)合管雖然性價比突出、使用性能優(yōu)良，但在焊接過程中，存在坡口質(zhì)量要求嚴(yán)格、復(fù)層合金元素含量高易氧化、焊接難度大及異種材料的互熔等難題。在施工初期，經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)部焊縫保護效果不達(dá)標(biāo)，拍片時產(chǎn)生線形缺陷等施工難題。

2.1 材料焊接性分析

N08825鎳基合金鎳含量較高（見表1），易氧化，熔滴粘度大，對焊接區(qū)的清潔度和背面保護要求高；由表2可看出，鎳合金與碳素鋼熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)差異大，焊接接頭存在較大應(yīng)力，焊縫結(jié)晶時在收縮應(yīng)力作用下易造成開裂。

為了保證根部焊縫耐腐蝕性能，采用了根部剝離的復(fù)合形式坡口（見圖1）。這種坡口優(yōu)點是可以減少基層材料熔入復(fù)層焊縫，提高復(fù)層焊縫的耐腐蝕性能；基層坡口角度較小，可以提高焊接效率；缺點是加工困難，管道的圓度和較薄復(fù)層的制約，使坡口根部基層剝離后，剩余復(fù)層的厚度（舌頭部分）存在偏差，當(dāng)舌頭厚度＜1.5mm時，容易造成燒穿，填充時熔化塌陷，增加焊接操作難度和產(chǎn)生缺陷的風(fēng)險。

表1 N08825鎳基合金與L360QS鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 N08825鎳基合金與L360QS鋼的力學(xué)、物理性能

圖1 復(fù)合形式坡口

2.2 焊材選擇和焊接參數(shù)

根部復(fù)層和過渡層焊接采用鎢極氬弧焊，選用NiCrMo-3焊絲；填充和蓋面全部采用焊條電弧焊，NiCrMo-3焊條，焊材選擇和焊接參數(shù)見表3。

3 根部焊縫線形缺陷成因

3.1 錯邊及射線入射角度的影響

錯邊會在焊腳處形成咬邊和銳角過渡，內(nèi)部焊縫穿透過高時（＞3mm），會在較低一側(cè)形成銳角過渡，易在底片上造成線形陰影顯示；內(nèi)部較高的一側(cè)不易加入足夠焊絲造成內(nèi)表面咬邊。

表3 焊材選擇和焊接參數(shù)

拍片檢測時，直徑較小的管道一般采用雙壁單影法，射線不能以垂直角度入射，偏離焊縫垂線時，會造成兩種情況，如圖2所示

圖2 不同射線偏轉(zhuǎn)方向

射線偏轉(zhuǎn)方向如圖2a所示時，焊腳處銳角均勻投射，不增加焊腳處陰影黑度，有利于減小銳角焊腳處的線形陰影顯示，不易造成返修底片；射線偏轉(zhuǎn)方向如圖2b所示時，焊腳與內(nèi)部余高疊加（見圖2b中A點），加大焊腳陰影顯示的黑度，則容易在底片上造成線形缺陷顯示。由此得出，相同的焊縫會由于射線入射角度差異而造成不同的評價結(jié)果。

3.2 內(nèi)部焊縫高度和寬度

內(nèi)部焊縫的穿透較高時，特別是電流大、兩側(cè)夾絲不夠及鐵液下墜時，形成瘤狀成形，焊腳處應(yīng)力集中嚴(yán)重。在后續(xù)填充焊接時受到拉應(yīng)力作用，焊腳結(jié)合處形成微裂紋，拍片顯示為線形，特別是當(dāng)焊縫寬度較窄，疊加有錯邊時，背部焊腳處很容易形成條狀缺陷顯示。

3.3 內(nèi)部焊縫塌陷

打底焊結(jié)束后，舌頭部分需要進行氬弧焊填充，舌頭的正常厚度為1.5～2.0mm，但由于加工偏心等原因，局部會＜1.5mm。當(dāng)焊接電流較大、焊接速度較慢、擺動較寬時，都會造成背面熔化塌陷，形成與打底焊縫疊加的情況，而在結(jié)合部位形成溝槽，造成缺陷顯示，如圖3所示。

圖3 缺陷顯示

3.4 咬邊

打底焊時，間隙過小導(dǎo)致穿透不充分，或熔孔打開時邊緣送絲不足，都會導(dǎo)致咬邊缺陷形成，如圖4所示。

圖4 穿透不足形成的咬邊

4 解決途徑

1）管道圓度要控制在規(guī)定范圍內(nèi)，減少因母材原因造成的組對困難。

2）內(nèi)口堆焊的鎳基合金厚度應(yīng)考慮加工余量，提高坡口加工水平，剝離的舌頭部分厚度偏差控制在允許范圍內(nèi)；避免填充時舌頭熔化塌陷形成溝槽。

3）管道錯邊在組對時，應(yīng)留有足夠的間隙，一般為3.5～4mm，保證背部充分熔合，且可以在熔孔兩側(cè)加入足夠的焊絲，以減少咬邊缺陷。

4）電流不宜過大，嚴(yán)格控制穿透高度，避免焊縫瘤狀成形，焊腳處形成嚴(yán)重應(yīng)力集中，在填充時因拉應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)合處輕微開裂而形成線形陰影。

5）返修不僅造成工期的延誤和人員的浪費，還會對母材的性能造成不利影響。對于深度不大的表面成形結(jié)合部分，不影響耐腐蝕性能和應(yīng)力集中時，可適度減少返修，在使用中加強監(jiān)測，通過與返修焊縫的對比，為后續(xù)施工積累更多的經(jīng)驗，并增加對此類情況的判斷力。

5 結(jié)束語

鎳基合金復(fù)合管焊接，不僅要控制母材的熔合比、保證與腐蝕介質(zhì)接觸的復(fù)層材料具備優(yōu)良的耐腐蝕性能，還要從操作上避免各種焊接缺陷的產(chǎn)生。通過采用以上解決途徑，并進行大量焊接試驗和缺陷分析，對L360QS+N08825鎳基合金復(fù)合管焊接過程中產(chǎn)生的線形缺陷顯示有了更深入的理解。通過管道采購加工、組對質(zhì)量控制、錯邊坡口的工藝和操作控制等進行改進，大幅降低了根部線形缺陷產(chǎn)生，降低了返修率，并積累了該類材料的焊接施工經(jīng)驗。