雙金屬復合管自動焊技術(shù)現(xiàn)狀及展望

姚學全，閆 臣，郭靜薇，楊 疊

（中國石油天然氣管道科學研究院有限公司，河北廊坊065000）

0 前言

隨著對能源需求的增加，油氣田開發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向深層、高溫、高壓、高腐蝕性等惡劣環(huán)境。傳統(tǒng)碳鋼材料腐蝕嚴重，給油氣田安全生產(chǎn)運行帶來嚴重威脅。使用耐蝕合金與碳鋼復合而成的雙金屬復合管是解決油氣開采及運輸過程中腐蝕問題一個安全又經(jīng)濟的選擇。雙金屬復合管是管壁由兩層具有各自特性的金屬材料通過特定的工藝手段結(jié)合成一體的具有綜合特性的新型鋼管，覆層金屬一般根據(jù)腐蝕環(huán)境選擇，基層金屬選擇能保證力學性能的碳鋼或合金鋼材料。

1 雙金屬復合管的國內(nèi)外應用現(xiàn)狀

1.1 國外應用現(xiàn)狀

國外對雙金屬復合管的研究開展較早，大部分已有先進成熟的制造工藝。美國石油協(xié)會（API）已經(jīng)制定了抗腐蝕合金復合鋼管或襯管規(guī)范（API 5LD）。世界上最早進行雙金屬復合管開發(fā)制造的公司是德國Butting公司，也是目前最知名的雙金屬復合管制造企業(yè)，其產(chǎn)品成熟，技術(shù)完善，尤其是機械復合管制造處于世界領(lǐng)先地步，并且在液壓脹接法及復合板焊接中也占有主導地位，目前該公司生產(chǎn)的復合管已有上千km應用于世界各國的海底和陸上油氣管道。日本長野工業(yè)公司采用UOE工藝制造的Cu-Ni合金復合管具有優(yōu)良的耐海水腐蝕性和可焊性，廣泛用于海水淡化系統(tǒng)的海水引入管等。日本山陽特殊鋼公司和日本新日鐵公司的復合管則主要通過粉末冶金法制備。英國的PROCLAD公司生產(chǎn)的雙金屬復合管也在全球許多國家得到應用。維爾漢姆公司在江蘇蘇州的工廠有堆焊復合管試驗產(chǎn)品，由于技術(shù)壟斷，價格極其昂貴[1-2]。

1.2 國內(nèi)應用現(xiàn)狀

經(jīng)過20年的發(fā)展，國內(nèi)的雙金屬復合管憑借其競技性和優(yōu)良的耐蝕性能在油氣田用管材領(lǐng)域迅速成長。目前主要的雙金屬復合管制造企業(yè)有西安向陽航天材料股份有限公司、河北新興鑄管、四川驚雷科技、浙江久力等。國內(nèi)累計應用雙金屬復合管為2 000 km。近年來四川油建在牙哈成功焊接雙金屬復合管、大慶油建在迪那成功焊接氣田雙金屬復合管以及中石化十建在普光成功焊接雙金屬復合管的實例，都說明我國在雙金屬復合管焊接領(lǐng)域已取得重大技術(shù)突破[3]。

1.3 雙金屬復合管的焊接

復合管的焊接屬于異種鋼焊接，由于兩種材質(zhì)物理化學性能不同，焊接接頭中容易產(chǎn)生應力、氣孔、夾渣等焊接缺陷。另外熔敷金屬的合金成分濃度梯度變化較大，后一道焊接稀釋了前一道熔敷金屬，導致焊接接頭淬透性增大，易產(chǎn)生裂紋等缺陷。在焊接時需防止耐蝕層的合金元素和碳鋼層的Fe、C等元素發(fā)生擴散，造成合金元素的稀釋，降低焊接接頭的耐蝕性。焊接時不僅要考慮焊接熱輸入量，還要保證不同材料之間的冶金關(guān)系，通過合金元素的控制來獲取理想的微觀組織。

目前，國內(nèi)多以小管徑的內(nèi)襯不銹鋼機械復合管為主，焊接方法主要采用鎢極氬弧焊和焊條電弧焊。焊接時，重點考慮覆層的根焊以及覆層與基層相鄰部分的過渡層的焊接。覆層選用與其成分相同的焊接材料作為填充材料，過渡層通常采用合金成分高一級別匹配的模式，基層焊材與基層管強度匹配。對于鎳基復合管，中原油建曾在四川普光氣田工程中采用了直徑小于等于219mm的小管徑鎳基機械復合管，焊接方法為手工鎢極氬弧焊。國外已有大口徑金屬復合管施工業(yè)績，且已開發(fā)出相應的自動焊焊接設備和工藝，選用與覆層成分相同或者高一個級別的焊接材料填充整個對接焊縫[4-7]。

2 雙金屬復合管自動焊技術(shù)的發(fā)展

雙金屬復合管的自動焊焊接技術(shù)主要有鎢極氬弧焊自動焊焊接工藝，可用于根焊、填充、蓋面的焊接。例如MAGNATEC公司研制的熱絲TIG自動焊焊接設備、AIR-LIQUIDE WELDING公司推出的TIP TIG焊接工藝以及鎢極氬弧自動焊等。國外最近開始采用CMT焊、等離子焊重熔等進行根焊。為提高焊接效率，國外已經(jīng)開發(fā)出MIG焊用于填充和蓋面，例如法國SERIMAX已經(jīng)將此類方法成功應用在鎳基復合管的管道施工中。

2.1 熱絲TIG自動焊焊接技術(shù)

熱絲TIG焊是在焊絲進入熔池前，將焊絲通電加熱到一定溫度后進入熔池，熔化焊絲只需消耗很少的電弧能量，電弧能量主要用于熔化母材，這樣可以達到焊縫熔深好、焊絲熔化速度快的效果。既保留了氬弧焊本身熱輸入小、焊接質(zhì)量高、降低母材稀釋率等特點，又提高效率，降低焊工操作難度，解決了管道焊接中焊接速度和焊接質(zhì)量之間的矛盾。目前，熱絲TIG焊已經(jīng)應用于碳鋼、低合金鋼、不銹鋼和鎳基合金等材料的焊接[8-9]。李東[10]采用熱絲TIG焊焊接L360QS/N08825雙金屬復合管，分析研究焊接接頭的顯微組織和性能。焊接接頭的力學性能能夠滿足使用要求。

2.2 TIP TIG自動焊

TIP TIG在常規(guī)TIG焊基礎上增加了高頻振動的自動送絲機構(gòu)，使向前送給的焊絲同時具備高頻線性振動功能，通過高頻振動的焊絲攪拌熔池，有效破壞金屬熔池及熔滴表面張力，大幅度提高熔敷速率，使熔池中產(chǎn)生的氣體、雜質(zhì)容易逃逸。并使焊絲在被送入熔池前加熱至臨近熔化狀態(tài)，減少焊絲對電弧能量的吸收。由于同時獨立控制焊絲預熱的能量和焊接電弧的能量，調(diào)整了焊接熔池的熱輸入[11]。楊帆[12]針對中海油某油田鋪設的X70/316L雙金屬復合海管進行了全自動TIP TIG焊接工藝開發(fā)。結(jié)果表明，工藝效率較高，焊接接頭的力學性能和耐晶間腐蝕性能良好，達到使用要求。目前，該項技術(shù)已經(jīng)成功應用到崖城13-4項目、南海番禺35項目、東海平北黃巖項目等海底天然氣開發(fā)工程所用雙金屬復合管焊接中，焊接一次合格率最高可達90%以上[13]。

2.3 脈沖鎢極氬弧自動焊

脈沖鎢極氬弧焊是利用可控的脈沖電流加熱熔化工件，每一個脈沖會形成一個點狀熔池。它可以精確控制對工件的熱輸入和熔池尺寸，提高焊縫抗燒穿和熔池的保護能力，易獲得均勻的熔池，特別適用于薄板、全位置焊和單面焊雙面成形，減小焊接熱影響區(qū)和焊接變形。焊接過程中熔池金屬冷凝快，高溫停留時間短，可減小對熱量特別敏感材料焊接時產(chǎn)生裂紋的傾向。劉立永[14]采用直流脈沖鎢極氬弧焊根焊及熱焊焊接工藝，減小了焊接過程中的熱輸入，減小晶粒組織變大幾率，提高焊縫金屬的組織穩(wěn)定性、塑性和韌性。王富鐸[15]采用加拿大TIP公司生產(chǎn)的全位置脈沖鎢極氬弧焊機對L360QS/316L復合管進行堆焊焊接工藝評定，結(jié)果表明，該堆焊工藝在雙金屬復合管管端堆焊中可獲得優(yōu)質(zhì)堆焊層，該工藝可應用于雙金屬復合管管端堆焊領(lǐng)域。在雙金屬復合管的管端處理方面具有一定的指導意義。

2.4 冷金屬過渡焊接技術(shù)

冷金屬過渡焊接技術(shù)（Cold metal transfer）是指將熔滴過渡過程與送絲運動進行數(shù)字化協(xié)調(diào)，當熔池與熔滴發(fā)生短路時，短路信號會反饋給CMT焊機的處理器，焊機根據(jù)短路信號自動切斷電流，同時將信號反饋給送絲機，送絲機根據(jù)反饋信號自動抽回焊絲，迫使熔滴與焊絲分離。由于熔滴是在切斷電流的狀態(tài)下“冷”過渡，因此最大程度上消除了飛濺現(xiàn)象。電弧在這種過渡方式下焊接熱輸入量非常少，可以大大減小焊接變形量，另一方面也減小了合金元素的稀釋。堆焊層在2.5mm厚度處，鐵含量可控制在2%～5%[16]。因此CMT工藝可以用于雙金屬復合管的根焊中。在哈薩克斯坦卡沙干“里?！辨嚮鶑秃瞎芎附邮┕ぶ校▏鳶ERIMAX公司使用STX09焊機，采用CMT進行根焊，保護氣體為φ（CO2）2%+φ（He）30%+φ（Ar）68%，根焊質(zhì)量良好。

2.5 無絲自熔

新興鑄管股份有限公司研究院葉丙義院長針對16MnV/Alloy825采用無絲自熔方法進行根焊，即在焊接時不填充焊絲，僅靠鎢極的電弧熱量將覆層（Alloy825）熔透，保證內(nèi)層焊縫金屬的純凈度，避免焊縫金屬與母材的化學成分差異引起的電化學腐蝕，使焊縫的防腐蝕性能與母材一致。缺點是焊接工藝參數(shù)范圍較窄，對焊接坡口的要求比較苛刻。

2.6 熔化極氣體保護焊

氣保焊工藝具有電弧在保護氣壓縮下熱量集中、影響區(qū)窄、焊接效率高、焊接材料節(jié)省且利于焊接自動化技術(shù)推廣的優(yōu)點。胡偉[17]以L360QS+N08825鎳鐵合金復合管為例，采用氣體保護焊工藝設計，J型坡口，依次采用TIG焊接工藝完成耐蝕層和過渡層，MAG焊接工藝完成基層的焊縫金屬填充。探討了復合管焊接氣孔、氧化、熱裂紋、層晶間腐蝕、點蝕等施工問題的影響因素及解決方案，為氣保焊工藝的生產(chǎn)應用及施工管理提供參考。張志萬[18]介紹普光氣田Q245R/N08825鎳合金復合管施焊過程中，通過改善坡口形式、控制碳含量熔入覆層，保證了覆層耐腐蝕能力，制定合理的復合層焊接工藝，采用TIG焊根焊、熱焊，MIG焊填充蓋面的焊接工藝，獲得了滿足使用性能的焊接接頭。

2.7 等離子焊重熔

若采用熔化極脈沖MIG焊根焊，由于MIG焊本身焊接熱輸入大，熔敷系數(shù)高，熔深較淺，覆層熔池不易攤開，并且熔池溫度過高，焊縫顏色容易變?yōu)酰瑫档涂垢g性能，不能保證單面焊雙面成形。為解決這一問題，在哈薩克斯坦卡沙干“里海”鎳基復合管焊接施工中，意大利塞班公司采用脈沖MIG根焊、熱焊，然后在內(nèi)部采用無絲等離子焊重熔，改善MIG焊根焊成形差的問題，然后采用MIG焊進行填充、蓋面，提高了焊接效率，焊縫質(zhì)量良好。

3 結(jié)論

隨著科學技術(shù)的突飛猛進和現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，雙金屬復合管將在更多領(lǐng)域得到應用。由于自動焊性能優(yōu)良、高效率、高質(zhì)量、自動化、智能化的焊接設備及焊接技術(shù)將是未來的雙金屬復合焊接的發(fā)展方向。

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