L245NCS/316L復(fù)合輸氣管道的焊接技術(shù)

周培山 楊 笠

L245NCS/316L復(fù)合輸氣管道的焊接技術(shù)

周培山1楊 笠2

1. 西南石油大學(xué)南充校區(qū) 2. 四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院

雙金屬?gòu)?fù)合管因其結(jié)構(gòu)的特殊性及對(duì)力學(xué)性能和耐腐蝕性能的雙重要求，使得其現(xiàn)場(chǎng)焊接施工遭遇諸多困難。為了保證高酸性氣田開(kāi)發(fā)集輸過(guò)程中所用L245NCS/316L雙金屬?gòu)?fù)合管的焊接質(zhì)量，針對(duì)其對(duì)接焊，采用了鎢極氬弧焊打底、手工電弧焊填充蓋面的方式，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，優(yōu)選了TGFA-309L（直徑為2.2 mm）、ATS-F316L（直徑為2.0 mm）、TGS-309MoL（直徑為2.4 mm）和CHE427（直徑為3.2 mm）為焊接材料，確定了焊接工藝參數(shù)，對(duì)焊接接頭進(jìn)行了X射線探傷、力學(xué)性能試驗(yàn)、微觀組織分析及晶間腐蝕傾向測(cè)試、失重腐蝕性能測(cè)試和抗Cl－應(yīng)力腐蝕性能測(cè)試，對(duì)抗Cl－應(yīng)力腐蝕試樣腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了XRD和SEM分析。結(jié)果表明：①焊接接頭X射線探傷檢測(cè)結(jié)果為Ⅱ級(jí)；②焊接接頭各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均合格；③焊縫區(qū)微觀組織主體為針狀鐵素體+粒狀?yuàn)W氏體+珠光體；④抗晶間腐蝕傾向測(cè)試與抗Cl－應(yīng)力腐蝕性能測(cè)試均未見(jiàn)裂紋，失重腐蝕測(cè)試氣相和液相平均腐蝕速率分別為0.022 3 mm/a和0.068 1 mm/a；⑤Cl－應(yīng)力腐蝕試樣X(jué)RD、SEM分析結(jié)果顯示腐蝕產(chǎn)物膜的主要成分為FeS，是四方晶系晶體，呈堆砌狀態(tài)，易穿透基體金屬表面腐蝕產(chǎn)物膜，對(duì)基體金屬會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的腐蝕。焊接接頭各項(xiàng)性能指標(biāo)表明，所擬定的焊接工藝方案對(duì)L245NCS/316L雙金屬?gòu)?fù)合管對(duì)接焊是可行的。

輸氣管道 雙金屬?gòu)?fù)合管 L245NCS/316L 管對(duì)接 焊接工藝 X射線探傷 XRD分析 SEM分析

雙金屬?gòu)?fù)合管是由兩種不同金屬（基層和覆層）采用各種加工技術(shù)緊密結(jié)合而成，又稱雙層管或包覆管[1]，其常用加工方法有冷加工成型法、熱加工成型法、離心成型法和電磁脈沖成型法等[2-4]。近年來(lái)，以碳鋼管為基層、以耐腐蝕不銹鋼合金材料為防腐覆蓋層的雙金屬?gòu)?fù)合管，因其具有優(yōu)良的耐蝕性和力學(xué)性能，在油氣田開(kāi)發(fā)中的使用量逐步增大[5-8]。

雙金屬?gòu)?fù)合管因其結(jié)構(gòu)的特殊性及對(duì)力學(xué)性能和耐腐蝕性能的雙重要求，使得其現(xiàn)場(chǎng)焊接施工具有諸多困難[9]。雙金屬?gòu)?fù)合管焊接施工不能像普通管道那樣進(jìn)行，焊接工藝很大程度上制約了其大規(guī)模的應(yīng)用。在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，雙金屬?gòu)?fù)合鋼管焊接易出現(xiàn)焊接缺陷，如跑邊、無(wú)法焊透、易出現(xiàn)裂紋和焊后易被腐蝕等[10-13]，進(jìn)而影響其使用。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有雙金屬?gòu)?fù)合管相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)30余項(xiàng)[14]，但仍在抗HIC和SSCC性能評(píng)價(jià)等方面存在缺失[15-16]。隨著高酸性氣田的不斷開(kāi)發(fā)，為了滿足高酸性氣田集輸用鋼管的特殊要求，新型雙金屬?gòu)?fù)合管得到廣泛應(yīng)用，要求相應(yīng)的焊接技術(shù)也應(yīng)適應(yīng)其發(fā)展[17]。筆者對(duì)輸氣管道用L245NCS/316L機(jī)械型復(fù)合管進(jìn)行了焊接技術(shù)研究，對(duì)L245NCS/316L復(fù)合管在高酸性氣田開(kāi)發(fā)集輸過(guò)程中的應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及焊接方法

試驗(yàn)用復(fù)合鋼管L245NCS（150 mm×10 mm）熱軋輸氣鋼管內(nèi)襯316L冷軋不銹鋼管復(fù)合而成，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1、2。焊接試件下件采用機(jī)械切割，保證管端面與管軸線垂直，切割后采用刮刀修整管口，嚴(yán)禁采用氣割等高溫切割工具切割雙金屬?gòu)?fù)合管。

試驗(yàn)采用鎢極氬弧焊進(jìn)行封焊、根焊和過(guò)渡層焊，采用手工電弧焊進(jìn)行填充和蓋面，通過(guò)多次工藝性試驗(yàn)，封焊、根焊和過(guò)渡層焊分別優(yōu)選天泰公司生產(chǎn)的不銹鋼焊絲TGFA-309L（直徑為2.2 mm）、ATS-F316L（直徑為2.0 mm）和TGS-309MoL（直徑為2.4 mm），填充和蓋面層采用大西洋公司生產(chǎn)的焊條CHE427（直徑為3.2 mm），焊材化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 L245NCS/316L復(fù)合管及焊材化學(xué)組分表

表2 L245NCS/316L復(fù)合管力學(xué)性能表

1.2 坡口加工及試驗(yàn)要求

焊接坡口應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定尺寸和形式，采用機(jī)加工方法進(jìn)行加工，如使用等離子切割，須用機(jī)加工方法去除切割熱影響，嚴(yán)禁采用火焰切割。接頭及坡口形式如圖1所示，對(duì)口間隙為2.0～3.0 mm，坡口角度為55°～65°。

圖1 坡口示意圖

采用手工組對(duì)方式，將試件水平固定在焊接工作臺(tái)上，采用上向焊。焊接過(guò)程中，環(huán)境相對(duì)濕度為58%～61%，封焊、根焊和過(guò)渡層焊的環(huán)境風(fēng)速小于2 m/s，填充層和蓋面層焊的環(huán)境風(fēng)速小于5 m/ s，要求錯(cuò)邊：覆層不大于0.5 mm、基層不大于1.6 mm，余高不大于2.0 mm，局部不超過(guò)2.5 mm且長(zhǎng)度不大于50 mm，焊縫層數(shù)為5～6層，蓋面焊縫寬度比坡口每側(cè)增加0.5～2.0 mm。

1.3 焊接工藝參數(shù)

焊前清理坡口兩側(cè)50 mm內(nèi)可能影響焊接接頭質(zhì)量的油污和雜質(zhì)，清理工具用動(dòng)力角向砂輪機(jī)或鋼絲刷；層間溫度均控制在150 ℃以下，當(dāng)層間溫度超標(biāo)時(shí)，應(yīng)讓其自然冷卻至規(guī)定值；焊接過(guò)程應(yīng)先對(duì)基襯間隙進(jìn)行封焊，后進(jìn)行打底焊，根焊層不得高于復(fù)合管封焊；背面保護(hù)氣體在施焊前10 min通入，且鋼管內(nèi)部氧含量小于200 mg/m3，當(dāng)多層焊不引起襯層氧化時(shí)方能去除保護(hù)裝置。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 焊接工藝參數(shù)表

2 X射線探傷及力學(xué)性能檢測(cè)

2.1 外觀檢測(cè)及X射線探傷

依據(jù)SY/T 4109—2005標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)焊接接頭進(jìn)行了外觀檢測(cè)和X射線探傷，焊縫余高為1.6～2.0 mm，焊縫寬度為20.0～22.0 mm，錯(cuò)邊量小于0.4 mm，背面余高為0.5～1.0 mm，無(wú)表面氣孔、裂紋、咬邊和表面夾渣等缺陷。X射線探傷檢測(cè)結(jié)果為Ⅱ級(jí)，檢測(cè)結(jié)果合格（圖2）。

圖2 X射線探傷圖

2.2 力學(xué)性能檢測(cè)

依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 4103—2006，對(duì)焊接接頭進(jìn)行了拉伸、彎曲、刻槽錘斷及低溫沖擊韌性測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：焊接接頭屈服強(qiáng)度為370 MPa，抗拉強(qiáng)度為500 MPa，距焊縫表面熔合線316L側(cè)33 mm，L245NCS側(cè)43 mm處拉斷；彎曲試驗(yàn)采用180°彎曲角度，面彎和背彎試驗(yàn)結(jié)果均合格；低溫沖擊試驗(yàn)采用“V”形試樣，試樣尺寸為5 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)溫度為-20 ℃，焊縫處平均沖擊功值為33.3 J，熔合線處平均沖擊功值為83 J，未見(jiàn)斷口缺陷；刻槽錘斷試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果合格。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 15156-2 2003對(duì)焊接接頭進(jìn)行了顯微硬度檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用HVS-1000數(shù)顯顯微硬度計(jì)，加載力為1 000 g，載荷保持時(shí)間為10 s，測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 硬度試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

測(cè)試結(jié)果如圖4所示，焊縫的硬度值比母材稍高，過(guò)渡層硬度值略高于封焊層硬度值。這是由于過(guò)渡層焊所用焊絲為ATS-309MoL，鉬的存在會(huì)促進(jìn)σ相和碳化物等脆性相的形成，使其硬度高于封焊層；近蓋面層硬度較高，結(jié)合微觀組織分析結(jié)果，近蓋面層逐漸產(chǎn)生粒狀貝氏體組織，故硬度較高。

3 微觀組織分析

圖4 硬度試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果圖

試驗(yàn)依據(jù)GB/T 13298—1991、GB/T 13299—1991對(duì)焊接試件進(jìn)行微觀組織分析（圖5）。焊縫：打底層為焊縫邊緣向晶內(nèi)生長(zhǎng)的枝晶奧氏體中心部位漸變?yōu)榱?，填充層底部和封焊層變化不大，中部為鐵素體＋珠光體，鐵素體呈細(xì)絲狀分布，至上層蓋面層時(shí)為胞狀晶，先共析鐵素體呈小塊狀沿原奧氏體晶界分布，晶內(nèi)為針狀鐵素體＋珠光體＋粒狀貝氏體。熱影響區(qū)：基層近焊縫為細(xì)小的等軸珠光體＋鐵素體，晶粒度逐漸增大，趨于帶狀分布，至母材覆層近焊縫由枝晶迅速過(guò)渡到母材奧氏體晶。母材：覆層為7級(jí)左右?jiàn)W氏體＋少量趨帶狀分布的鐵素體，基層為5級(jí)帶狀分布的珠光體＋鐵素體，鐵素體晶粒度8級(jí)。

圖5 焊接接頭微觀組織圖

4 抗腐蝕性能測(cè)試

4.1 晶間腐蝕傾向測(cè)試

4.1.1 實(shí)驗(yàn)溶液及裝置

將100 mL符合GB/T 665（化學(xué)試劑硫酸銅）的分析純硫酸銅（CuSO4·5H2O）溶解于700 mL去離子水中，再加入100 mL符合GB/T 625（化學(xué)試劑硫酸）的優(yōu)級(jí)純硫酸，用去離子水稀釋至1 000 mL，配成H2SO4—CuSO4溶液。試驗(yàn)采用容量為1 L的帶回流冷凝器的磨口錐形瓶及加熱裝置。

4.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果

每組按標(biāo)準(zhǔn)尺寸加工2個(gè)平行試樣，經(jīng)打磨、清洗和除油后，將其置于底部鋪有一層銅屑的錐形瓶中。倒入溶液，保持試樣間不接觸。將錐形瓶置于加熱裝置上并通以冷凝水，加熱溶液并保持微沸，實(shí)驗(yàn)持續(xù)24 h。試驗(yàn)結(jié)束后，讓其自然冷卻。取出試樣，用蒸餾水及酒精清洗后，用直徑為5 mm的壓頭分別將試樣沿焊縫彎曲180°（內(nèi)壁焊縫位于外側(cè)），并在放大鏡及顯微鏡下進(jìn)行觀察及拍照。

采用內(nèi)覆或襯里耐蝕合金復(fù)合管規(guī)范（SY/T 6623—2005）中的晶間腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)IGC-1、IGC-2、IGC-3、IGC-4、IGC-5和IGC-6這6組焊接接頭晶間腐蝕試樣進(jìn)行耐晶間腐蝕性能檢測(cè)，結(jié)果如圖6所示。檢測(cè)結(jié)果顯示：試件彎曲處（焊縫）完好，均未見(jiàn)裂紋。

4.2 失重腐蝕性能測(cè)試

4.2.1 試驗(yàn)參數(shù)

失重腐蝕試驗(yàn)依據(jù)GB 10124—1998進(jìn)行。溶液介質(zhì)Cl－含量為59 g/L，氣體介質(zhì)CO2摩爾分?jǐn)?shù)為0.35%，試驗(yàn)壓力為15 MPa，試驗(yàn)溫度為60 ℃，試驗(yàn)周期為120 h。

圖6 晶間腐蝕試樣試驗(yàn)后的外觀圖

4.2.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

每組加工6個(gè)掛片試樣，經(jīng)打磨、清洗和除油后，測(cè)量并記錄試樣尺寸和質(zhì)量。試驗(yàn)時(shí)向靜態(tài)高溫、高壓釜中倒入腐蝕介質(zhì)。每組將3個(gè)平行試樣置于液面以上，3個(gè)平行試樣置于液面以下，分別進(jìn)行液相和氣相試驗(yàn)。然后將高溫、高壓釜密封，通N2除氧4 h后，通入純度為99.9%的CO2至0.05 MPa。達(dá)到壓力后開(kāi)始緩慢升溫至試驗(yàn)溫度60 ℃，試驗(yàn)時(shí)間為120 h。

試驗(yàn)結(jié)束待釜體冷卻至室溫后，緩慢勻速降壓，在15～30 min內(nèi)降至常壓。取出試樣，經(jīng)酒精清洗后，用除膜液去膜，再經(jīng)清洗干燥后進(jìn)行稱重。根據(jù)試樣前后的質(zhì)量變化及表面積，分別計(jì)算出試樣在液相和氣相中的腐蝕速率。

試驗(yàn)取CR-1、CR-2、CR-3、CR-4、CR-5和CR-6這6組試樣，其焊接接頭失重腐蝕試樣在液相中的平均腐蝕速率分別為0.046 6 mm/a、0.063 5 mm/a、0.062 3 mm/a、0.066 7 mm/a、0.068 1 mm/a和0.038 4 mm/a；在氣相中的平均腐蝕速率分別為0.025 2 mm/a、0.027 8 mm/a、0.022 7 mm/a、0.028 6 mm/a、0.022 9 mm/a和0.019 4 mm/a。試驗(yàn)結(jié)果表明：氣相平均腐蝕速率為0.022 4 mm/a，液相平均腐蝕速率為0.068 3 mm/a。

4.3 抗Cl－應(yīng)力腐蝕性能測(cè)試

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10126—2002采用“U”形環(huán)法進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)試樣在Cl－濃度為59 g/L的水溶液、試驗(yàn)溫度為60 ℃、試驗(yàn)總壓力為15 MPa和CO2壓力為0.05 MPa的試驗(yàn)環(huán)境中，經(jīng)720 h后，試件均完好，無(wú)裂紋產(chǎn)生。試驗(yàn)對(duì)抗Cl－應(yīng)力腐蝕試樣腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了XRD分析及SEM觀察分析（圖7、8）。

圖7 腐蝕產(chǎn)物的XRD分析圖

圖8 焊接接頭的SEM分析圖

從2個(gè)抗Cl－應(yīng)力腐蝕試樣腐蝕產(chǎn)物的XRD分析結(jié)果可以得出，抗Cl－應(yīng)力腐蝕試樣腐蝕產(chǎn)物膜的主要成分為FeS，屬于四方晶系晶體。四方晶系FeS晶體，晶格點(diǎn)陣不完整，陽(yáng)離子擴(kuò)散速率高，易穿透基體金屬表面腐蝕產(chǎn)物膜，對(duì)基體金屬產(chǎn)生腐蝕，所以該腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)基體金屬的保護(hù)作用很弱。

從圖8可以看到，表面出現(xiàn)均勻分布的腐蝕產(chǎn)物，產(chǎn)物表面有凹坑；圖8-b為圖8-a的局部放大圖，圖8-b中腐蝕產(chǎn)物凹凸不平，分布不均勻；從圖8-c中看到腐蝕產(chǎn)物膜中出現(xiàn)了四方晶體，并且呈現(xiàn)堆砌狀態(tài)；從圖8-d中看到局部區(qū)域呈現(xiàn)較小空洞，并有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)。

這表明試驗(yàn)得到的腐蝕產(chǎn)物膜易碎且易脫落，同時(shí)有裂紋和微孔的地方最先遭受腐蝕，腐蝕產(chǎn)物膜主要為四方晶系FeS，其與低合金鋼基體構(gòu)成一個(gè)活性微電池，對(duì)鋼基體有繼續(xù)進(jìn)行腐蝕的作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

上述各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)充分說(shuō)明，試驗(yàn)在嚴(yán)格按照焊接技術(shù)要求進(jìn)行下，試樣各項(xiàng)指標(biāo)合格，所選擇的焊接工藝參數(shù)合理。試驗(yàn)適用于氣質(zhì)條件為：總壓力不大于15 MPa、CO2摩爾分?jǐn)?shù)不大于0.35%，Cl－含量為60 g/L的工作環(huán)境下。

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（修改回稿日期 2016-09-07 編 輯 何 明）

Welding technology for L245NCS/316L bimetal gas line pipes

Zhou Peishan1, Yang Li2
(1. Nanchong Campus of Southwest Petroleum University, Nanchong, Sichuan 637000, China; 2. Sichuan College of Architectural Technology, Deyang, Sichuan 610213, China)

Bimetal pipes are structurally special with dual requirements on mechanical property and corrosion resistance, so their field welding is faced with multiple difficulties. For guaranteeing the welding quality of L245NCS/316L bimetal pipes which is used for the development, gathering and transportation of high sour gas, its butt welding is carried out by performing tungsten argon-arc welding for scratch coat and manual arc welding for screen. Based on trial and error, TGFA-309L (?2.2 mm), ATS-F316L (?2.0 mm), TGS-309MoL (?2.4 mm) and CHE427 (?3.2 mm) were selected as welding materials, and welding parameters were determined. Then, the welding joints were tested by means of X-ray flaw detection, mechanical performance test, microstructure analysis, intercrystalline corrosion tendency test, weight-loss corrosion performance test and Cl-resistant stress corrosion performance test, and the corrosion product of Cl-resistant stress corrosion specimen was analyzed by using XRD and SEM. The X-ray flaw detection result shows that the welding joints are of level II; that mechanical performance indicators of welding joints are all qualified; that the microstructure of weld zone is mainly acicular ferrite, granular austenite and pearlite; that no cracking is observed on the specimens of intercrystalline corrosion tendency test and Cl-resistant stress corrosion test. The average corrosion rate of gas phase and liquid phase in weight-loss corrosion test is 0.022 3 mm/ a and 0.068 1 mm/a, respectively; and that the XRD and SEM test results of Cl-resistant stress corrosion specimen indicate that the main component of corrosion product film is FeS, which is the crystal of tetragonal system in the pattern of stacking and which can penetrate easily the corrosion product film on the surface of base metal to corrode the base metal. All performance indicators of the welding joints indicate that the proposed welding scheme is feasible for the butt welding of L245NB/316L bimetal pipe.

Gas pipeline; Bimetal pipe; L245NCS/316L; Butt joint; Welding process; X-ray flaw detection; XRD analysis; SEM analysis

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.11.013

周培山等.L245NCS/316L復(fù)合輸氣管道的焊接技術(shù).天然氣工業(yè)，2016, 36(11): 96-101.

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 11, pp.96-101, 11/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

西南石油大學(xué)自然科學(xué)基金項(xiàng)目“微合金管線鋼焊接接頭抗H2S應(yīng)力腐蝕性能研究”（編號(hào)：2012XJZ039）；南充市科技支撐項(xiàng)目“酸性介質(zhì)條件下微合金管線鋼焊接工藝研究”（編號(hào)：NC2015C045）。

周培山，1984年生，焊接工程師，講師，碩士；主要從事焊接技術(shù)與工程方面的教學(xué)與研究工作。地址：（637000）四川省南充市西南石油大學(xué)。電話：（0817）2642345。ORCID: 0000-0001-7652-4108。E-mail: swpulm@163.com