海洋用CRA雙金屬復(fù)合管管端全自動(dòng)堆焊工藝改進(jìn)

王富鐸，梁國棟，王 斌，王 劍，梁國萍，趙 欣，王思恩，張 明，周琳琳

(1.陜西省金屬復(fù)合管道工程技術(shù)研究中心，西安 710065；2.西安向陽航天材料股份有限公司，西安710065)

海洋用CRA雙金屬復(fù)合管管端全自動(dòng)堆焊工藝改進(jìn)

王富鐸1，2，梁國棟1，2，王 斌1，2，王 劍1，2，梁國萍1，2，趙 欣1，2，王思恩1，2，張 明1，2，周琳琳1，2

(1.陜西省金屬復(fù)合管道工程技術(shù)研究中心，西安 710065；2.西安向陽航天材料股份有限公司，西安710065)

針對(duì)海洋用CRA雙金屬復(fù)合管薄壁基管堆焊過程中出現(xiàn)顯著的管端縮徑，機(jī)械加工后管端尺寸超差這一問題，設(shè)計(jì)了工藝革新及改進(jìn)方案。通過采用優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和調(diào)整管端機(jī)械加工工藝等措施，使得雙金屬復(fù)合管管端機(jī)械加工后的尺寸滿足了設(shè)計(jì)要求，同時(shí)Fe的稀釋率降低。堆焊后對(duì)堆焊層進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、硬度測(cè)試、金相組織觀察以及晶間腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明，堆焊層的力學(xué)性能良好，且具備較好的耐腐蝕性能。

焊管；雙金屬復(fù)合管；堆焊；管端縮徑；稀釋率

0 前 言

平北黃巖油氣田位于我國東海，在該地域開采的天然氣Cl-含量較高，對(duì)管道的腐蝕較嚴(yán)重，故對(duì)石油管線的要求也較高[1]。為了保證管道在安全運(yùn)行的前提下節(jié)約成本，平北黃巖一期油氣田開發(fā)項(xiàng)目(以下簡(jiǎn)稱PH1)設(shè)計(jì)采用內(nèi)襯不銹鋼雙金屬復(fù)合管，在保證耐腐蝕的情況下降低成本。PH1是繼YC13-4和PY35-1/35-2兩大海上氣田開發(fā)項(xiàng)目后的又一個(gè)國產(chǎn)雙金屬復(fù)合管項(xiàng)目。

管端縮徑是堆焊過程中出現(xiàn)的最嚴(yán)重問題。因?yàn)榭s徑導(dǎo)致機(jī)械加工后管端尺寸超差0.6mm以上，縮徑也導(dǎo)致堆焊層減薄，使得堆焊層主要化學(xué)成分含量中Fe的稀釋率也接近標(biāo)準(zhǔn)要求的上限，影響堆焊層質(zhì)量[2-3]。為了提高平北黃巖一期油氣田開發(fā)項(xiàng)目用雙金屬復(fù)合管的質(zhì)量，對(duì)現(xiàn)有的復(fù)合管管端堆焊工藝進(jìn)行了革新和改進(jìn)。

本研究主要是針對(duì)YC13-4和PY35-1/35-2開發(fā)項(xiàng)目中出現(xiàn)的問題，結(jié)合PH1項(xiàng)目的特點(diǎn)，通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和控制管端機(jī)械加工藝來解決管端縮徑的問題，提高管端堆焊質(zhì)量，以滿足項(xiàng)目的技術(shù)要求。

1 工藝革新方案

1.1 工藝試驗(yàn)用管

為保證工藝的適用性和可行性，本次工藝革新試驗(yàn)采用與PH1項(xiàng)目用管同規(guī)格、同材料的復(fù)合管進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

1.2 堆焊工藝參數(shù)

本研究首先對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行全面的優(yōu)化，堆焊參數(shù)的工藝革新思路是在保證總的堆焊厚度不變的基礎(chǔ)上，減少第一層堆焊的熱輸入量和堆高，增加第二層的堆高，在精加工尺寸不變的情況下，減少管端縮徑。

1.3 機(jī)械加工的控制

工藝試驗(yàn)在堆焊時(shí)距管端預(yù)留10～15mm不堆焊，之后按要求進(jìn)行坡口加工，在減少縮徑量的同時(shí)滿足管端坡口尺寸要求。

2 工藝試驗(yàn)過程

2.1 原材料的選擇和復(fù)驗(yàn)

2.1.1 原材料的選擇

本次試驗(yàn)原材料選擇與PH1同規(guī)格及材質(zhì)，規(guī)格為φ219.1mm×(11.1＋3)mm，材質(zhì)為API SPEC 5L PSL2，X65QO/ASTM A240 TP 316L，焊絲選用ERNiCrMo-3和ER309LMo實(shí)芯焊絲。

2.1.2 原材料復(fù)驗(yàn)

對(duì)本次試驗(yàn)用原材料的各項(xiàng)性能進(jìn)行了復(fù)檢，結(jié)果見表1～表4。復(fù)檢結(jié)果表明，本次試驗(yàn)所用原材料的各項(xiàng)性能均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 X65QO/316L力學(xué)性能

表2 X65QO/316L化學(xué)成分％

表3 ERNiMo-3的化學(xué)成分％

表4 ER309LMo化學(xué)成分％

2.2 坡口的加工與設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目要求管端的堆焊長(zhǎng)度不小于100mm，改進(jìn)前的管端機(jī)加形式為常規(guī)坡口，造成管端縮徑較為嚴(yán)重。改進(jìn)后，管端預(yù)留10～15mm不進(jìn)行堆焊，以減少管端的縮徑量。

2.3 堆焊工藝參數(shù)的調(diào)整

根焊及堆焊前基體表面采用丙酮進(jìn)行焊前清理，堆焊工藝參數(shù)調(diào)整結(jié)果見表5。

表5 改進(jìn)前后堆焊工藝參數(shù)對(duì)照表

3 工藝改進(jìn)前后試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

3.1 堆焊尺寸統(tǒng)計(jì)對(duì)比

管端尺寸測(cè)量位置如圖1所示。改進(jìn)工藝前后堆焊尺寸統(tǒng)計(jì)對(duì)比結(jié)果見表6。管端精加工尺寸要求內(nèi)徑189.2～189.8mm，外徑217.5～220.7mm，總壁厚12.99～16.21mm。改進(jìn)工藝前后精加工尺寸對(duì)比如圖2～圖4所示。

圖1 管端尺寸測(cè)量位置示意圖

表6 工藝改進(jìn)前后堆焊尺寸統(tǒng)計(jì)對(duì)比 mm

圖2 改進(jìn)前后精加工后內(nèi)徑對(duì)比

圖3 改進(jìn)前后精加工后外徑對(duì)比

圖4 改進(jìn)前后精加工后壁厚對(duì)比

以上結(jié)果說明在薄壁的碳鋼管上熔覆兩層鎳基合金后，由于材質(zhì)的收縮率不同，管端容易出現(xiàn)嚴(yán)重的縮口現(xiàn)象[4]，容易造成后續(xù)加工的復(fù)合管外徑和壁厚不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

工藝改進(jìn)前由于焊接熱輸入量大，同時(shí)管端沒有預(yù)留約束量，造成管端縮徑嚴(yán)重，堆焊層厚度過大，機(jī)械加工量増大，浪費(fèi)焊絲，生產(chǎn)效率較低。

采用堆焊時(shí)管端預(yù)留10～15mm，同時(shí)減小焊接熱輸入量的焊接工藝后，在保證堆焊層厚度的情況下，堆焊層總厚度減小0.6mm左右，節(jié)省焊絲10％，機(jī)械加工效率提高20％左右，第一層熱輸入量降低。同時(shí)管端預(yù)留10～15mm，管口尺寸滿足技術(shù)要求。

3.2 堆焊層Fe稀釋率對(duì)比

從堆焊層外表面取樣，試樣規(guī)格為50mm×50mm×2mm，采用直度光譜分析法對(duì)堆焊層進(jìn)行Fe含量測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表7。由于堆焊工藝的改進(jìn)，第一層的焊接熱輸入量降低，堆焊厚度減小，從而降低Fe的稀釋率。與改進(jìn)前的Fe含量對(duì)比，堆焊層的Fe含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。(≤5％)

表7 改進(jìn)前后堆焊層Fe含量對(duì)比

3.3 新工藝堆焊層其它性能測(cè)試結(jié)果

3.3.1 外觀檢驗(yàn)及無損檢驗(yàn)

根據(jù)堆焊檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，首先進(jìn)行堆焊外觀檢驗(yàn)，堆焊層表面呈規(guī)則魚鱗狀波紋，沒有咬邊，裂紋和氣孔，按DNV-OS-F101《海底石油管線》、黃巖項(xiàng)目《堆焊層無損檢驗(yàn)工藝規(guī)范》進(jìn)行了RT，PT和UT檢測(cè)，結(jié)果為Ⅰ級(jí)，合格。

3.3.2 力學(xué)性能

根據(jù)DNV-OS-F101以及BD-SPC-SPF-SP-2003REV(0A)要求進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表8。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，堆焊層基管斷裂于非堆焊層區(qū)域基層，堆焊層與襯層過渡區(qū)焊縫斷裂于襯層。

夏比沖擊試驗(yàn)的試樣規(guī)格為10mm×10mm×55mm，試驗(yàn)溫度-16℃，缺口類型KV8，試驗(yàn)結(jié)果見表9。檢測(cè)結(jié)果表明，采用新工藝的堆焊層的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表8 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表9 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.3.3 金相組織

復(fù)合管管端堆焊后的金相組織照片如圖5所示。從圖5(a)中可以看出，堆焊層與碳鋼母材在界面處形成致密的冶金結(jié)合，在堆焊層與碳鋼層結(jié)合的界面處未出現(xiàn)氣孔、裂紋以及熔合不良的冶金缺陷[6]。圖5(b)為堆焊層金相組織，可以看出，堆焊層晶?；境芍鶢罘植?。堆焊層金相組織為奧氏體與枝晶分布δ鐵素體組織，且組織細(xì)小、分布均勻，無氣孔、裂紋、未熔合及其他夾雜物，熔合良好。

圖5 復(fù)合管管端堆焊后的金相組織照片

3.3.4 晶間腐蝕

試驗(yàn)按照ASTM G28A硫酸鐵-硫酸方法取三個(gè)堆焊層試樣進(jìn)行120h晶間腐蝕試驗(yàn)。試樣從腐蝕溶液中取出后，用蒸餾水和去離子水進(jìn)行清洗、干燥、稱重，按照ASTM G28標(biāo)準(zhǔn)8.1公式計(jì)算試樣的平均腐蝕速率，結(jié)果為0.61mm/a，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

此外，依據(jù)ASTM A262方法E取堆焊層與襯層交接處3個(gè)試樣進(jìn)行24h晶間腐蝕試驗(yàn)，試樣從腐蝕溶液取出，清潔干燥后，分別進(jìn)行彎曲，放在10倍放大鏡下觀察，三個(gè)試樣外表面均無晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋，說明在焊縫接頭和堆焊層中不會(huì)發(fā)生晶間腐蝕，主要由于Cr，Ni和Mo等微量元素能有效防止晶間腐蝕的發(fā)生[7-10]。

3.3.5 硬度

對(duì)復(fù)合管的堆焊層進(jìn)行硬度分析，硬度檢測(cè)位置如圖6所示，檢測(cè)結(jié)果見表10。硬度檢測(cè)結(jié)果HV10≤250，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 復(fù)合管硬度檢測(cè)位置示意圖

表10 復(fù)合管硬度檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 語

通過對(duì)原有堆焊工藝的革新，管端縮徑量從3～3.5mm 減小到 1.8～2.3mm，F(xiàn)e稀釋率從4.34％降低到2.36％，堆焊層質(zhì)量得到了大幅提高。改進(jìn)后的工藝在PH1項(xiàng)目中的應(yīng)用得到了非常好的效果，一次堆焊合格率達(dá)到93％，相對(duì)于以往海管項(xiàng)目提高約3％。由于管端堆焊的高質(zhì)量，使得后續(xù)海上雙金屬復(fù)合管施工鋪設(shè)對(duì)接焊合格率達(dá)到99％，得到了業(yè)主、施工方、監(jiān)理公司的一致好評(píng)。

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Automatic Overlay Welding Procedure Improvement of the CRA Bimetal Lined Pipe Ends Used in Offshore

WANG Fuduo1，2，LIANG Guodong1，2，WANG Bin1，2，WANG Jian1，2，LIANG Guoping1，2，ZHAO Xin1，2，WANG Sien1，2，ZHANG Ming1，2，ZHOU Linlin1，2
(1.Shaanxi Metal Composite Pipeline Engineering Technology Research Center,Xi’an 710065,China;2.Xi’an Sunward Aeromat Co.,Ltd.,Xi’an 710065,China )

Aiming at the problem that pipe ends reduction occurred in CRA bimetal lined pipe overlay welding process,which caused pipe end dimension out-of-tolerance after mechanic processing,it designed technical innovation and improvement approach.By optimizing welding parameters and adjusting the mechanic processing technology of pipe ends,it made the dimension of bimetal lined pipe ends after machining meet the design requirements,and the dilution rate of iron element content decrease.The tensile test,impact test,hardness test,microstructure observation and intergranular corrosion test to overlaying layer were conducted.The results indicated that the overlaying layer performance is good,and are with better corrosion resistance performance.

welded pipe;bimetal lined pipes；overlaying；pipe end reduction；dilution rate

TE973

B

1001-3938(2015)03-0043-05

王富鐸(1987—)，男，碩士研究生，助理工程師，主要從事復(fù)合管焊接工藝研究。

2014-12-03

謝淑霞