李華軍， 薛培婧， 侯書成， 孫敬軒， 苑穌文， 陳 迪， 孫嘉悅

（西安向陽航天材料股份有限公司， 西安710025）

0 前 言

我國油氣管道建設(shè)正處在快速發(fā)展的時期，管道輸送石油和天然氣是最經(jīng)濟、 最方便的輸送方式[1]。 雙金屬復(fù)合管主要應(yīng)用于具有腐蝕環(huán)境的油氣田、 化工等行業(yè)， 由兩種不同金屬材料構(gòu)成， 管層之間通過變形和連接技術(shù)緊密結(jié)合在一起， 基材滿足強度要求， 合金層耐腐蝕或磨損等[2]。 隨著海洋油氣開發(fā)逐漸向深海、 高溫高壓、高腐蝕等苛刻環(huán)境轉(zhuǎn)移， 雙金屬復(fù)合管逐漸在國內(nèi)外海洋油氣開采中廣泛應(yīng)用， 并且取得了良好效果[3]。

目前， 國內(nèi)海洋油氣開采用雙金屬復(fù)合管的應(yīng)用存在幾個難題， 其中雙金屬復(fù)合彎管管件制造問題較為突出[4-5]， 國內(nèi)一些學(xué)者對常規(guī)的冶金復(fù)合彎管的生產(chǎn)制造工藝進行了初步的研究[6-7]，同時根據(jù)DNVGL-ST-F101[8]和ISO 15590-1[9]的要求， 彎管的生產(chǎn)制造角度一般≤90°。 然而，連接海洋天然氣開發(fā)用海底平臺與海底天然氣管道的冶金復(fù)合鵝頸彎管角度要求為135°， 由于其彎曲角度較大， 生產(chǎn)制造困難， 因此該產(chǎn)品主要依靠進口。 為了實現(xiàn)該彎管的國產(chǎn)化， 本研究使用Φ219 mm× （18.3+3） mm 的UNS N06625（內(nèi)覆層） /DNVGL SMLS 450D 堆焊冶金復(fù)合管作為母管， 熱煨彎制135°冶金復(fù)合鵝頸彎管，并對其制造工藝進行了研究。

1 母管材料及生產(chǎn)工藝

1.1 母管材料

試制的母管為UNS N06625 （內(nèi)覆層） /DNVGL SMLS 450D 堆焊冶金復(fù)合管， 規(guī)格為Φ219 mm× （18.3+3） mm， 其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

內(nèi)覆層材料為UNS N06625， 使用ERNiCr-Mo-3 焊絲， 通過內(nèi)壁堆焊方式實現(xiàn)冶金復(fù)合，焊絲的化學(xué)成分見表3。

1.2 母管生產(chǎn)工藝

冶金復(fù)合管采用內(nèi)壁堆焊方式進行生產(chǎn)， 內(nèi)壁焊道搭接形成了波浪形態(tài)， 為了防止熱煨彎制過程中由于堆焊層波峰波谷產(chǎn)生的應(yīng)力集中導(dǎo)致內(nèi)覆堆焊層在外弧焊道搭接位置沿周向開裂， 在內(nèi)壁堆焊過程中要嚴格控制焊道的波浪高度。

試制采用福尼斯全進口熱絲脈沖TIG 高效堆焊設(shè)備進行， 第一層堆焊厚度為1.6～1.8 mm，第二層堆焊厚度為1.9～2.0 mm， 堆焊層的總壁厚為3.5～3.8 mm； 焊道波浪高度控制在0.2 mm以內(nèi)， 焊道搭接量為30%～35%。 堆焊后， 按照API SPEC 5LD[10]標準要求對冶金復(fù)合管進行檢驗， 對堆焊層進行化學(xué)成分分析、 金相組織分析和性能測試， 堆焊層的化學(xué)成分見表4。

表4 UNS N06625 堆焊層的化學(xué)成分 %

堆焊后界面剪切強度平均值為325 MPa， 按照標準ASTM G48 A 法[11]進行點腐蝕試驗， 試驗結(jié)果無點蝕現(xiàn)象， 平均腐蝕速率為0.062 7 g/m2；按照標準ASTM G28 A 法[12]進行晶間腐蝕試驗，平均腐蝕速率為0.78 mm/a。

2 冶金復(fù)合鵝頸彎管制造工藝

2.1 熱煨彎制工藝

冶金復(fù)合鵝頸彎管熱煨彎制工藝參數(shù)見表5。在彎制前， 檢測加熱帶的溫度， 達到規(guī)定溫度后開始彎制， 考慮到回彈余量， 角度設(shè)置增加1°～3°； 彎制到預(yù)定角度后， 停止推動鋼管， 輔助冷卻過渡區(qū)。

表5 冶金復(fù)合鵝頸彎管熱煨彎制工藝參數(shù)

2.2 彎后熱處理工藝

熱煨彎制過程會導(dǎo)致材料組織發(fā)生相變， 為了得到較好的強韌性匹配， 熱煨彎制后需要對彎管進行調(diào)質(zhì)熱處理， 淬火工藝參數(shù)見表6， 回火工藝參數(shù)見表7。

表6 冶金復(fù)合鵝頸彎管淬火工藝參數(shù)

表7 冶金復(fù)合鵝頸彎管回火工藝參數(shù)

3 性能檢測及結(jié)果

依據(jù)標準DNVGL-ST-F101、 ISO 15590-1 以及相關(guān)要求， 經(jīng)前期工藝試驗， 本次試制共20 根135°冶金復(fù)合鵝頸彎管， 依次進行尺寸和無損探傷檢測、 通規(guī)和靜水壓試驗， 同時對內(nèi)覆層進行了點腐蝕和晶間腐蝕試驗。 最后隨機抽取1 根彎管進行了拉伸試驗、 沖擊試驗、 全截面硬度試驗和金相試驗， 檢測位置為直線段、 過渡起始區(qū)、 過渡終止區(qū)、 外弧區(qū)和內(nèi)弧區(qū)。

3.1 力學(xué)性能

彎管不同位置力學(xué)性能檢測結(jié)果見表8。 由表8 可見， 彎管不同位置的強度均較好， 且數(shù)據(jù)穩(wěn)定； -29 ℃沖擊功為247～312 J， 滿足單個沖擊功≥38 J 的要求， 表明鵝頸管具有良好力學(xué)性能。

表8 冶金復(fù)合鵝頸彎管不同位置的力學(xué)性能

3.2 硬度檢測

對冶金復(fù)合鵝頸彎管壁厚全截面不同位置進行了硬度檢測， 不同位置全壁厚截面維氏硬度檢測結(jié)果見表9。 標準要求基材的硬度值≤270HV10，堆焊層的硬度值≤300HV10， 試驗結(jié)果表明各截面不同位置硬度均勻， 滿足標準要求。

表9 冶金復(fù)合鵝頸彎管不同位置全截面硬度檢測結(jié)果

3.3 金相組織

圖1 冶金復(fù)合鵝頸彎管不同位置的金相組織形貌

彎管不同位置的金相組織形貌如圖1 所示。圖1 （a） 中直管段主要顯微組織為針狀及塊狀鐵素體+貝氏體， 晶粒度為7.5 級； 圖1 （b） 過渡起始區(qū)主要顯微組織為貝氏體， 晶粒度為7.5 級；圖1 （c） 過渡終止區(qū)主要顯微組織為塊狀鐵素體+貝氏體， 晶粒度為8.0 級； 圖1 （d） 外弧區(qū)主要顯微組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，晶粒度為8.5 級； 圖1 （e） 內(nèi)弧區(qū)主要顯微組織為貝氏體， 晶粒度為7.0 級； 圖1 （f） 堆焊層主要顯微組織為枝晶狀粗大的奧氏體， 晶界無氮化物、 金屬間化合物和碳化物。 標準要求晶粒度≥7 級， 晶界基本不能存在碳化物、 氮化物和金屬間化合物。 結(jié)果表明試制的冶金復(fù)合鵝頸彎管的基材和堆焊層組織滿足標準要求。

3.4 尺寸檢測及結(jié)果

冶金復(fù)合鵝頸彎管尺寸的標準要求見表10。本次試制共計檢測了20 根彎管， 除彎曲半徑的偏差不在標準范圍內(nèi)， 其余尺寸檢測均滿足標準的要求。 實測20 根彎管的彎曲半徑偏差為±20 mm， 原因分析為彎曲角度過大， 經(jīng)過工程項目的計算分析， 工程項目允許的彎曲半徑偏差為±30 mm， 因此試制彎管的彎曲半徑偏差量不影響工程應(yīng)用， 尺寸精度滿足工程項目要求。

本次試制的冶金復(fù)合鵝頸彎管經(jīng)歷了淬火熱處理的高溫奧氏體化及快速冷卻過程， 形成的非平衡組織具有向穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢， 回火熱處理工藝為這種轉(zhuǎn)變提供了熱力學(xué)條件， 因此獲得了良好力學(xué)性能和尺寸穩(wěn)定性的熱煨冶金復(fù)合彎管[13]。

表10 冶金復(fù)合鵝頸彎管的尺寸要求

3.5 無損檢測及結(jié)果

試制的20 根冶金復(fù)合鵝頸彎管分別進行了外觀檢測、 滲透檢測、 超聲檢測、 磁粉檢測和剩磁檢測。 無損檢測前， 先對彎管外表面進行噴砂處理， 內(nèi)表面進行酸洗處理。 其次對彎管內(nèi)、 外表面平滑無褶皺、 結(jié)疤、 劃痕和可見裂紋等缺陷進行了外觀檢測； 在進行滲透檢測時， 噴顯影劑后， 通過360°內(nèi)窺鏡進行觀察， 發(fā)現(xiàn)1 根彎管的內(nèi)覆層出現(xiàn)周向開裂缺陷 （如圖2 所示）， 其余19 根彎管均合格， 追溯生產(chǎn)記錄， 該彎管出現(xiàn)內(nèi)覆層周向開裂缺陷是由堆焊過程引起， 與熱煨彎制工藝和彎后熱處理工藝無關(guān)； 超聲檢測包括全管體橫向裂紋檢查、 全管體分層檢查和管端分層檢查， 檢測的19 根彎管均合格； 對彎管全管體和端面進行了磁粉檢測， 檢測的19 根彎管均合格； 無損檢測后， 進行彎管管端剩磁檢測（測量精度為±0.1 GS）， 檢測的19 根彎管管端剩磁均＜10 GS， 滿足標準要求（＜15 GS）。

圖2 冶金復(fù)合鵝頸彎管內(nèi)覆層裂紋缺陷

3.6 通規(guī)試驗及結(jié)果

按照ISO 15590-1 標準要求進行通規(guī)試驗，通規(guī)尺寸為： 外徑167.7 mm， 長度272 mm。 共進行了20 根彎管的通規(guī)試驗， 全部滿足標準和項目設(shè)計要求。

3.7 靜水壓試驗及結(jié)果

按照ISO 15590-1 標準要求進行靜水壓試驗，試驗前彎管兩端需要焊接水壓封頭， 靜水壓力38.22～38.72 MPa， 保壓15 min， 共進行了20 根彎管的靜水壓試驗， 未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象， 全部滿足標準和項目設(shè)計要求。

3.8 腐蝕試驗及結(jié)果

點蝕和晶間腐蝕是引起不銹鋼局部腐蝕的最本質(zhì)、 最重要也是危害最大的兩類腐蝕行為[14]。為了評估冶金復(fù)合鵝頸彎管堆焊層經(jīng)過高溫?zé)犰袕澲萍罢{(diào)質(zhì)熱處理后的耐蝕性能， 按照標準ASTM G48 A 法進行點腐蝕試驗， 測得腐蝕速率為0.061 7 g/m2， 遠小于工程項目要求的4 g/m2，試驗后在20 倍顯微鏡下未發(fā)現(xiàn)麻點或腐蝕坑， 表明堆焊層耐點蝕性能良好； 按照ASTM G28 A 法進行晶間腐蝕試驗， 測得腐蝕速率為0.86 mm/a，小于工程項目要求的1.2 mm/a， 表明堆焊層耐晶間腐蝕性能良好。

4 結(jié) 論

（1） 開發(fā)的135°冶金復(fù)合鵝頸彎管的理化性能優(yōu)良， 尺寸穩(wěn)定， 彎曲角度控制較好， 彎曲半徑雖未滿足標準要求， 但能夠滿足實際的工程項目應(yīng)用需要。

（2） 無損檢測中有1 根彎管的內(nèi)覆層出現(xiàn)開裂現(xiàn)象， 導(dǎo)致該彎管報廢， 合格率為95%， 考慮135°冶金復(fù)合鵝頸彎管的生產(chǎn)制造難度大，該合格率基本符合工業(yè)生產(chǎn)制造預(yù)期合格率。

（3） 開發(fā)的海洋天然氣開發(fā)用135°冶金復(fù)合鵝頸彎管的熱煨彎制工藝和彎后熱處理工藝可靠， 性能滿足工程項目設(shè)計要求， 可實現(xiàn)國產(chǎn)化生產(chǎn)制造。