20+Inconel625復合管焊接工藝研究

譚芳銘 姜歡歡 湯海東 王紹智

在油氣田開發(fā)過程中，集輸管線、污水管線、注水管線內(nèi)部腐蝕嚴重，使用壽命較短，造成了重大的經(jīng)濟損失。為了提高管線的耐腐蝕性能，采用在管線管端堆焊一層Inconel625鎳基合金，可以大大提高對接焊縫金屬的抗硫元素腐蝕性能。我公司承攬的陳氣33-18井注水管線更換工程中采用了φ114mm×11mm、材質為20鋼。該管線管端內(nèi)壁堆焊長80~100mm、厚度2mm的Inconel625鎳基耐蝕合金層，如圖1所示。針對該復合鋼管，進行了管對接焊縫的焊接工藝評定試驗，結果表明該復合管焊接接頭具有良好的性能，在實際生產(chǎn)中獲得了滿意的焊接質量。

1. 20 +Inconel625復合鋼焊接性

圖1 20+Inconel625復合管

20 +Inconel625復合鋼管基層材料為20鋼，該材料具有良好的塑性和較高的強度，焊接性良好，基層的主要作用是承受介質的壓力。覆層為2mm厚的Inconel625合金，該材料是一種Ni-Cr-Mo合金，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。Inconel625鎳合金與20鋼的化學成分和力學性能分別如表1和表2所示。

從表1可看出，Inconel625合金與20鋼的化學成分差別很大，在焊接過程中會產(chǎn)生合金元素的稀釋，造成覆層含碳量的增加。為解決合金成分的稀釋問題，應盡量使用合金元素含量高的焊接材料，同時使用小電流、快速焊的施工工藝，獲得淺熔深，避免合金元素稀釋。

Inconel625合金焊接時，由于硫、磷或低熔點金屬等雜質在焊縫金屬中偏析，形成低熔點共晶物，在焊縫結晶時這些低熔點共晶物在晶界間形成一層液態(tài)薄膜，在焊接應力的作用下容易形成高溫低塑性裂紋。另外由于鎳合金的導熱性差，熱量不易散出，造成晶粒粗大，使晶間夾層增厚，減弱了晶間的結合力，也容易促進熱裂紋的產(chǎn)生。

表1 Inconel625合金與20鋼的化學成分（質量分數(shù)） （%）

表2 Inconel625合金與20鋼的力學性能

Inconel625合金容易氧化，特別是形成難熔的Cr氧化物，會使液態(tài)焊縫金屬的流動性變差，焊縫成形差，降低焊接接頭的使用性能，因此在焊接覆層時一定要做好正面和背面的雙重充氬保護。

由于Inconel625合金的固相與液相溫度間距小，液態(tài)焊縫金屬流動性差，熔敷金屬在冷卻過程中，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焊縫金屬凝固前未完全逸出而形成氣孔，氣孔的部位往往在熔合線附近。

2. 焊接工藝的選擇

（1）焊接方法與焊接材料 由于Inconel625合金導熱系數(shù)小，同時熔池流動性差，因此在復合管覆層和過渡層焊接中，采用了熱輸入量小且焊接質量高的鎢極氬弧焊焊接方法，特別適合高鎳合金的焊接。由于基層為常見的20鋼，焊接工藝也十分成熟，一般采用焊條電弧焊，該方法焊接質量穩(wěn)定、效率高。

覆層Inconel625的焊材，選用與其合金系統(tǒng)相似的ERNiCrMo—3鎳基焊絲。過渡層的焊材選用超低碳不銹鋼焊絲ER309LMo，可減少通過焊接材料向覆層過渡碳元素?；鶎拥暮覆倪x用低氫型焊條E4315（J427），可以保證焊縫金屬的強度和很好的塑性和韌性。

（2）坡口設計、加工及組對 選擇的坡口形式、組對尺寸、焊層布置及順序如圖2所示。

坡口采用車床進行加工，加工時應注意不要傷及覆層材料，正式組對焊接前應用角向磨光機對覆層進行整形打磨，并去除坡口兩側25mm內(nèi)的鐵銹、油脂、油漆、砂粒、水分和污物等。

（3）保護氣體 為防止覆層焊接時焊縫背面氧化，焊接時需要在管內(nèi)注入純度為99.99%的氬氣。方法是先將復合管兩端用錫紙膠帶密封，由復合管的一端注入氬氣，復合管另一端封口處設置一個φ3～φ5mm的排氣孔，用于排出焊接前管內(nèi)的空氣，同時防止收弧時管內(nèi)氬氣壓力過大，造成接頭收弧困難，產(chǎn)生凹坑等缺陷。另外，為了防止焊縫處氬氣大量排放，事先可用錫紙膠帶密封坡口，僅留出焊工一次連續(xù)焊接的長度，待焊完該段后，撕開相同長度的膠帶，然后再施焊，依次類推，直至焊接完成為止，這樣可保證內(nèi)部氬氣壓力和純度，防止內(nèi)部焊縫氧化。充氬裝置如圖3所示。

（4）焊接參數(shù)的選擇 為了滿足焊接施工的質量要求，獲得成形良好、性能優(yōu)良的焊接接頭，必須采用合適的焊接參數(shù)。具體焊接參數(shù)如表3所示。

（5）焊接工藝要點 為了保證焊接質量，除了要選擇合適的焊接材料外，嚴格的焊接工藝是控制復合管焊接接頭質量的關鍵。

在試驗過程中，要注意以下幾點：

第一，由于鉛、硫、磷和某些低熔點元素能增加Inconel625焊接熱裂紋傾向，所以焊接前必須嚴格清理坡口兩側各25mm內(nèi)的油、漆、銹、垢及毛刺等雜質。焊絲應用酒精或丙酮擦拭，保證清潔。

圖2

圖3 充氬裝置示意

表3 焊接參數(shù)

第二，覆層的焊接質量要求高，如果覆層出現(xiàn)焊接問題，返修時會十分困難。為了保證覆層的質量，采用焊接質量高的鎢極氬弧焊進行焊接。焊接由下向上，注意觀察熔池形狀和溫度，保證內(nèi)部焊縫成形。為減少熱裂紋，在保證焊接質量的前提下，盡量采用小熱輸入，電流一般控制在90~120A。焊完一段焊縫后，用手電筒觀察根部焊縫表面顏色，若呈灰色或黑色，說明根部氧化，應檢查充氬裝置密封性是否良好及調整焊接參數(shù)。覆層的焊接如圖4所示。

第三，過渡層是復合管熔敷金屬合金成分最為復雜的焊層，如果焊接參數(shù)選擇不當，容易造成熔敷金屬合金濃度梯度過大，從而影響接頭的防腐性能。為防止過多的碳進入到覆層，焊接過渡層時要采用小電流、快速焊的方法，以利于減少熔深，使基層和覆層的交界處有一定的鐵素體組織，提高焊接接頭的抗裂性能和耐蝕性能。

3. 焊接試驗

（1）無損探傷 焊縫外觀檢查合格后，依據(jù)JB/T4730.2—2005標準，對復合鋼管對接焊縫進行X射線探傷，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷，達到標準中I級要求。

圖4 覆層焊接

（2）力學性能試驗 根據(jù)NB/T47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》附錄C復合金屬材料焊接工藝評定的要求，對試樣進行拉伸、彎曲、低溫沖擊試驗。

拉伸試驗：取2塊試樣進行，試驗結果如表4所示。結果表明，焊接接頭的力學性能良好，抗拉強度滿足標準要求。

彎曲試驗：取4塊試樣進行側彎試驗，試驗結果如表5所示。焊接接頭沒有出現(xiàn)裂紋，試驗結果合格。

沖擊試驗：復合管焊接接頭按標準要求取樣，進行沖擊試驗，試驗結果如表6所示。結果表明，焊縫中心是焊接接頭沖擊性能較低的部位，但是滿足標準試樣沖擊吸收能量平均值≥24J，焊縫及熱影響區(qū)沖擊韌度均保持在較高水平。

4. 結語

通過對20+Inconel625復合管進行焊接工藝試驗，制定了相應的焊接工藝評定報告，形成了一套合理的焊接工藝，并利用其指導現(xiàn)場焊接，焊縫一次合格率達98%，焊接質量得到了良好的控制，同時為我公司復合管的焊接積累了一定經(jīng)驗。

表4 拉伸試驗結果

表5 彎曲試驗結果

表6 沖擊試驗結果

[1] 呂志軍，陸傳航，王體剛，等. Inconel625合金+低溫碳鋼的焊接工藝研究[J].中國造船，2011，52（2）：258-263.