武保安，李 棟，邊 晨，李經(jīng)緯

中國石油管道局工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

鎳基合金625 + X60 復(fù)合管作為一種新型材質(zhì)，其基層主要承載壓力，鎳基層主要承擔(dān)耐腐蝕的作用，具低合金鋼的韌性和強度，及鎳基合金全面的耐腐蝕性能，經(jīng)濟性好, 因而在國內(nèi)外的高壓高含硫氣田施工中得到廣泛的應(yīng)用。沙特哈拉德項目開采的天然氣大多含有硫化氫等腐蝕介質(zhì)，場站管道主要由鎳基合金復(fù)合管道構(gòu)成。鎳基合金復(fù)合管不僅化學(xué)成分和物理性能差異大，而且鎳基合金焊接過程中具有易于氧化，易產(chǎn)生熱裂紋，液態(tài)焊縫金屬流動性差等缺點?？刂坪面嚮鶑?fù)合管的焊口質(zhì)量，是整個項目的一個質(zhì)量管控重點。

目前國內(nèi)外鎳基合金625 + X60 復(fù)合管的生產(chǎn)方法分為爆炸復(fù)合法、拉拔復(fù)合法、液壓復(fù)合管、機械滾壓法、內(nèi)堆焊法。其中內(nèi)堆焊法生產(chǎn)的復(fù)合管質(zhì)量最優(yōu)，但成本相對較高。本文通過分析內(nèi)堆焊法生產(chǎn)的鎳基合金625 + X60 復(fù)合管的對接焊接質(zhì)量影響因素、缺陷性質(zhì)、預(yù)防措施、工程實踐等內(nèi)容，對提高鎳基合金復(fù)合管焊接的質(zhì)量管控進行討論。

2. 鎳基合金625 + X60 復(fù)合管焊接性

2.1. 復(fù)合管性能分析

鎳基合金625 + X60 復(fù)合管，內(nèi)層為鎳基耐蝕性金屬(鎳基合金625)，在室溫下的微觀金相組織為單一奧氏體；外層為低合金鋼(X60)，在室溫下的微觀金相組織為針狀鐵素體+珠光體，鎳基合金625 + X60復(fù)合管及及焊道金屬截面如圖1 所示，復(fù)合管化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1 和表2 所示。

Figure 1. Clad pipe 圖1. 復(fù)合管

Table 1. Mechanical property of materials 表1. 材料化學(xué)成份

Table 2. Mechanical property of materials 表2. 材料機械性能

2.2. 焊接性能分析

1) 鎳基合金625 + X60 復(fù)合管內(nèi)襯層與基層的化學(xué)成分和物理性能差異大，兩者的線性膨脹性數(shù)不同。焊接過程中熱循環(huán)，在這兩種合金內(nèi)部產(chǎn)生交變的加熱和冷卻，且這兩種合熱膨脹量和冷卻時收縮的量差別較大，會在接頭處產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。

2) 鎳基合金625 為單項奧氏體組織，焊接時由于硫、硅、磷、鉛等低熔點金屬混入，容易在晶間偏析或聚集，形成低熔點共晶體，導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生；同時由于鎳基合金625 的導(dǎo)熱性差，如果熱輸入過大，會導(dǎo)致晶粒粗大并在粗大的柱狀晶邊界集中低熔點共晶物，使得晶間結(jié)合力減弱，在焊接應(yīng)力的作用下形成熱裂紋[1] [2]。

3) 鎳基合金625 易于氧化，在焊接過程中需要做好隔離防護措施，若被氧化將降低焊接接頭的使用性能，同時形成難熔的CrOx,使得液態(tài)焊縫金屬的流動性變差，嚴(yán)重影響焊縫的成型。由于鎳基合金625的固液相溫度區(qū)間比較小，而且熔池黏稠、流動性也比較差，假如焊縫金屬的冷卻速度比較快，熔池中的氣體來不及逸出，極易產(chǎn)生氣孔，氧氣、氫氣、二氧化碳、一氧化碳?xì)怏w在液態(tài)下溶解度很大，而在固態(tài)下的溶解度明顯減小，鎳基合金625 焊接時氣體在熔敷金屬中的溶解度也隨之下降，游離出來的氣體在流動性差的液態(tài)焊縫中就可能因為未完全逸出而被凝固在焊縫中形成氣孔。

4) 鎳基合金625 焊縫金屬流動性差，焊接時也易產(chǎn)生夾渣缺陷。

3. 焊接工藝

3.1. 焊接工藝的選擇

根據(jù)項目中鎳基復(fù)合管道規(guī)格為φ168.3～1219.2 mm，壁厚為10.11～41.1 mm 的特點，同時考慮管道內(nèi)部的清潔度及管道焊接速度，采用氬弧焊 + 手工電弧焊的焊接工藝。

3.2. 焊接工藝參數(shù)

焊接過程中采用多層多焊道，焊接工藝參數(shù)詳見表3。

Table 3. Parameter in WPS 表3. 焊接工藝參數(shù)

氬氣流量10～15 L/min，背氬流量20～25 L/min。

4. 焊接質(zhì)量分析

4.1. 焊接缺陷

鎳基復(fù)合管焊接容易出現(xiàn)的缺陷有：氣孔，夾渣，凹陷，焊接熱裂紋。本項目的復(fù)合管焊口共計2345道，不合格焊口38 道。其中氣孔缺陷占57%，夾渣占32%，內(nèi)凹占11%，焊接缺統(tǒng)計陷詳見圖2。以下焊接缺陷分析是對生產(chǎn)焊口缺陷以及潛在裂紋風(fēng)險的原因分析。

Figure 2. Defects statistics 圖2. 缺陷統(tǒng)計表

4.1.1. 氣孔

氣孔是指焊接時，熔池中的氣體未在金屬凝固前逸出，殘存于焊縫之中所形成的空穴。其氣體可能是熔池從外界吸收的，也可能是焊接冶金過程中反應(yīng)生成的。氣孔的危害氣孔減少了焊縫的有效截面積，使焊縫疏松，從而降低了接頭的強度，降低塑性，還會引起泄漏。氣孔也是引起應(yīng)力集中的因素。氫氣孔還可能促成冷裂紋。焊接氣孔缺陷詳見圖3。

產(chǎn)生的原因：

1) 環(huán)境不干凈，焊接著油污沒除凈，相關(guān)的雜物沒有清理干凈。

2) 風(fēng)速過大了，風(fēng)速過大就會在施工中產(chǎn)生氣泡。

3) 氬氣氣體不純，氬氣里混合了其他氣體，導(dǎo)致焊接時無法產(chǎn)生最佳的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致出了氣泡。

4) 母材缺陷，焊道附近母材帶有的氣孔缺陷。

Figure 3. Porosity of welding 圖3. 焊接氣孔

4.1.2. 夾渣

焊后殘留在焊縫中的熔渣稱為夾渣。夾渣屬于固體夾雜缺陷的一種，是殘留在焊縫中的熔渣，根據(jù)其成形的情況，可分為線狀的、孤立的以及其他形式。夾渣會降低焊縫的塑性和韌性；其尖角往往造成應(yīng)力集中，特別是在空淬傾向大的焊縫中，尖角頂點常形成裂縫。由于鎳基合金625 焊縫金屬流動性差的原因，容易產(chǎn)生夾渣缺陷。焊后夾渣缺陷詳見圖4。

產(chǎn)生的原因

1) 焊接電流太小，以致液態(tài)金屬和熔渣分不清；

2) 焊接速度過快，使熔渣來不及浮起；

3) 多層焊時，清渣不干凈；

4) 焊縫成形系數(shù)過小以及手弧焊時焊條角度不正確。

Figure 4. Slag of welding joints 圖4. 焊道夾渣

4.1.3. 內(nèi)凹

內(nèi)凹是凹坑中焊縫根部形成的焊縫余高低于母材表面的一種缺陷。內(nèi)凹的存在，導(dǎo)致焊縫內(nèi)表面高低不平，波紋粗劣，不圓過渡，焊縫成型不美觀，嚴(yán)重影響焊縫與母材金屬結(jié)合強度，導(dǎo)致接頭強度不足。焊接內(nèi)凹缺陷詳見圖5。

產(chǎn)生原因

1) 焊接參數(shù)不合適，導(dǎo)致電流過小或電弧過長。

2) 坡口鈍邊高度過大或?qū)陂g隙過大，鈍邊量過大。

3) 操作方法不當(dāng)。如運弧速度過快，熔池量過小，使得焊接根部未得到足夠填充等。

4) 焊道背部充氬保護不足，使焊道根部氧化，造成內(nèi)凹。

Figure 5. Internal concavity 圖5. 內(nèi)凹

4.1.4. 焊接熱裂紋

焊接熱裂紋：是指在高溫下結(jié)晶時產(chǎn)生的，而且都是沿晶開裂，所以也稱為結(jié)晶裂紋。這種裂紋可在顯微鏡下觀察到，具有晶間破壞的特征，在裂紋的斷面上多數(shù)具有氧化色。熱裂紋主要出現(xiàn)在含雜質(zhì)較多的焊縫中(特別是含硫、磷、碳較多的碳鋼焊縫中)和單相奧氏體或某些合金焊縫中，有時也產(chǎn)生在熱影響區(qū)中。有縱向的，也有橫向的。

產(chǎn)生的原因

1) 鎳基合金625 為單項奧氏體組織，焊接時由于硫、硅、磷、鉛等低熔點金屬混入，容易在晶間偏析或聚集，形成低熔點共晶體，導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生[3]。

2) 焊接坡口及兩側(cè)的污物清理不干凈，其油污中的S 常常引起鎳基合金焊縫產(chǎn)生熱裂紋。

3) 縫表面過高或凹凸不平引起的應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。

4) 收弧時，沒有填滿弧坑和電流衰減時間較短，收弧處出現(xiàn)弧坑，在相變應(yīng)力和拘束應(yīng)力的作用下產(chǎn)生收弧處微裂紋。

5) 焊接電流過大，焊接速度較慢，導(dǎo)致線能量過大，層間溫度過高使焊接接頭過熱，導(dǎo)致晶粒粗大并在粗大的柱狀晶邊界集中低熔點共晶物，使得晶間結(jié)合力減弱，在焊接應(yīng)力的作用下形成熱裂紋。

5. 控制措施

利用PDCA 循環(huán)質(zhì)量管理工具，對焊縫質(zhì)量缺陷及潛在風(fēng)險進行分析與研究，制定出以下質(zhì)量管理控制措施：

5.1. 氣孔的控制

1) 坡口準(zhǔn)備及清理：坡口設(shè)計加工角度為30°，組對前將坡口及兩側(cè)各20～30 mm 范圍內(nèi)的焊件表面附著雜物清理干凈。祛除坡口表面鎳基層的表面氧化膜，并用丙酮清洗坡口內(nèi)外表面，清洗后用清水沖洗并用絲布擦干，將雜質(zhì)完全清除。

2) 專用工具：砂輪片、金屬刷、氣體陶瓷噴嘴等其他輔助工具使用鎳基合金625 專用工具，禁止與其他焊接材料的混用。

3) 氣體純度：保護氣體選用純度99.997%的工業(yè)氬氣，進場氬氣需進行復(fù)驗，保證氬氣純度滿足規(guī)范要求。

4) 氣體保護：制作充氬保護裝置，背部進行充氬保護?？刂坪笜寶鍤饬髁吭?5～30 L/min 之間，背部充氬流量20～25 L/min，使焊縫內(nèi)表面及外表面處于氬氣的完全保護之中。背部充氬詳見圖6。

5) 防風(fēng)措施：焊接時采用防風(fēng)棚，減少風(fēng)對焊接過程的影響。

6) 焊材烘干：ENiCrMo-3 焊條在使用前要按廠家要求進行烘干，焊條只能重復(fù)烘干1 次。

7) 母材氣孔：由于本項目的復(fù)合管采用內(nèi)堆焊方法加工,管材由業(yè)主提供，焊口坡口附近母材內(nèi)部時常有氣孔缺陷，從外觀上無法發(fā)現(xiàn)。根據(jù)射線結(jié)果經(jīng)驗判斷為母材缺陷時，業(yè)主現(xiàn)場及業(yè)主質(zhì)量代表監(jiān)督下，按阿美標(biāo)準(zhǔn)，用手工UT (Ultrasonic Testing)檢測進行復(fù)核，由業(yè)主確定更換管材或者接受焊口。

Figure 6. Back purging 圖6. 背部充氬

5.2. 夾渣的控制

焊前應(yīng)將焊接區(qū)域范圍內(nèi)鐵銹和油污清除干凈。采用具有良好焊接工藝性能的焊條，禁止使用過期、變質(zhì)和藥皮開裂的焊條。坡口角度不宜過小，坡口內(nèi)及兩側(cè)、層間的熔渣必須清理干凈。選擇焊接參數(shù)時，電流不可太小，焊接速度不能太快，焊接時隨時調(diào)整焊條角度及擺動角度。

5.3. 內(nèi)凹的控制

防止凹坑的措施:選用有電流衰減系統(tǒng)的焊機，盡量選用平焊位置，選用合適的焊接規(guī)范，收弧時讓焊條在熔池內(nèi)短時間停留或環(huán)形擺動，填滿弧坑。選擇合理的充氬工具，保證焊接三層或者6 mm 厚后，才撤掉背部氬氣保護。合格焊道的內(nèi)部成型見圖7。

5.4. 熱裂紋的控制

選用S，P 含量較低的焊接材料合金鋼ERNiCrMo-3、ENiCrMo-3，防止熔敷金屬中低熔點夾雜物產(chǎn)生；被焊處及其兩側(cè)的污物、氧化層必須清理干凈，防止S、Pb、P 或低熔點雜質(zhì)混入熔敷金屬中；填滿弧坑，調(diào)整氬弧焊衰減時間；選擇較小的線能量，和較低的層間溫度，防止焊縫過熱及熱影響區(qū)過熱產(chǎn)生熱裂紋；焊縫表面要均勻平整，防止過高或凹凸不平應(yīng)力集中，焊道平整圓滑過渡，焊縫成型美觀[4]。整個項目焊接的復(fù)合管沒有出現(xiàn)過裂紋缺陷。

Figure 7. Welding joints of back side 圖7. 背面焊縫

6. 結(jié)論

1) 場站施工共完成管道規(guī)格φ168.3～1219.2 mm，壁厚10.11～41.1 mm 的復(fù)合管焊接2345 道，合格2306 道，一次焊接合格率98.33%，實際結(jié)果表明，應(yīng)用的焊接工藝及技術(shù)措施正確；

2) 通過控制層間溫度與熱輸入量，能有效控制注意S、Si 等雜質(zhì)和焊接拘束應(yīng)力對焊接裂紋的影響；

3) 實踐表明，通過控制焊接過程中擺動寬度及焊層厚，能克服鎳基焊材金屬流動性差的特性，有效控制氣孔、夾渣、焊道成型差等缺點。

4) 良好的充氬保護，可以避免焊接根部氧化，獲得良好的焊道內(nèi)部成型。

5) 沙特哈拉德站場復(fù)合管焊接的焊接施工經(jīng)驗，可以為今后的類似工程提供參考。