銅鎳合金與低合金鋼焊接工藝及其應用

武保安，青 旭，梁立國，楊曉鵬

中國石油管道局工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

沙特哈拉德油氣田距沙特胡富夫市西南約150 公里，達曼西南270 公里。沙特阿拉伯哈拉德-哈維亞天然氣管道項目是沙特阿美公司哈拉德油田新規(guī)劃建設的一項重點工程，建成投產(chǎn)后，將促進哈拉德油田大幅提高產(chǎn)能。項目主要包括主線路施工約302 km，10 座站場、3 座閥室。沙特阿美標準規(guī)范中要求，在非酸性條件下，場站水管線上的放空閥和排污閥設計為銅閥門，連接閥門的銅鎳材質絲頭短節(jié)與低合金鋼母管之間聯(lián)接方式為焊接式聯(lián)接。

銅鎳合金與低合金鋼的焊接性主要困難是在焊縫及熔合區(qū)易產(chǎn)生裂紋和氣孔[1]。銅鎳合金與低合金鋼間焊接操作不易控制，控制好此類焊接，對于整個項目的焊接質量管控是具有重要意義的，同時可以為今后同類工程施工提供借鑒的焊接經(jīng)驗。

2. 可焊性分析

2.1. 銅鎳合金特性

銅鎳合金：銅鎳合金是以銅和鎳為主的合金。純銅加鎳能顯著提高強度、耐蝕性、硬度、電阻和熱電性，并降低電阻率溫度系數(shù)。因此銅鎳合金較其他銅合金的機械性能、物理性能都異常良好，延展性好、硬度高。

影響銅合金焊接性的工藝難點主要有四項元素：一是高導熱率的影響。銅的熱導熱率比碳鋼大7～11倍，當采用的工藝參數(shù)與焊接同厚度碳鋼差不多時，則銅材很難熔化填充金屬和母材也不能很好地熔合。二是焊接接頭的熱裂傾向大。焊接時，熔池內(nèi)銅與其中的雜質形成低熔點共晶物，使銅及銅合金具有明顯的熱脆性，產(chǎn)生熱裂紋。三是產(chǎn)生氣孔的缺陷比碳鋼嚴重得多，主要是氫氣孔。四是焊接接頭性能的變化。晶粒粗化，塑性下降，耐蝕性下降等[2] [3]。銅鎳合金C70600 的化學成分及力學性能如表1 和表2 所示。

Table 1. Chemical composition of C70600 表1. C70600 材料化學成份

Table 2. Mechanical property of C70600 表2. C70600 材料機械性能

2.2. 低合金鋼特性

A333-6 鋼屬于低合金鋼，一般采用正火或正火加回火狀態(tài)供貨。A333-6 鋼無縫鋼管的化學成分及力學性能如表3 和表4 所示。

Table 3. Chemical composition of A333-6 表3. A333-6 材料化學成份

Table 4. Mechanical property of A333-6 表4. A333-6 材料機械性能

由表3 和表4 中可知，A333-6 鋼在含碳量較低，因此淬硬和冷裂傾向都比較小，材質韌性和塑性較好，一般不易產(chǎn)生硬化和裂紋缺陷，可焊性好。

3. 焊接工藝及試驗結果

3.1. 焊接方法及選擇

3.1.1. 焊接方法

哈拉德場站的焊接執(zhí)行沙特阿美焊接標準SAES-W-011，同時執(zhí)行國際通用標準ASME SEC IX-2017、ASME B31.3-2016、ASME BPVC.II.C-2015。站內(nèi)的銅鎳合金與低合金碳鋼的公稱管徑全部小于等于50.8 mm，根據(jù)標準SAES-W-011 中要求，公稱管徑小于等于50.8 mm 的工藝管道的焊縫根焊必需采用氬弧焊方法，同時考慮到焊接的管徑小，焊縫的填充與蓋面也選用氬弧焊方法。

3.1.2. 氬弧焊

氬弧焊，是使用氬氣作為保護氣體的一種電弧焊方法。氬弧焊按照電極的不同分為熔化極氬弧焊和非熔化極氬弧焊(通常指鎢極氬弧焊)兩種。鎢極氬弧焊與熔化極氬弧焊相比，操作技術更易被掌握，對現(xiàn)場操作空間要求低，已經(jīng)廣泛應用于石油天然氣場站施工的管道焊接[4]。

3.1.3. 氬弧焊的優(yōu)點

1) 氬氣是惰性氣體，不與金屬產(chǎn)生化學反應，氬氣保護可隔絕空氣中氧氣、氮氣、氫氣等對電弧和熔池產(chǎn)生的不良影響，使高溫下被焊金屬中的合金元素不會氧化，減少合金元素的燒損，同時氬氣不溶解液態(tài)金屬，能有效保護熔池金屬，保護效果好，因此能獲得較高的焊接質量。

2) 氬弧焊的電弧燃燒穩(wěn)定，熱量集中，弧柱溫度高，焊接生產(chǎn)效率高，熱影響區(qū)窄，所焊的焊件應力、變形、裂紋傾向小。

3) 氬弧焊為明弧施焊，操作、觀察方便，操作技術易于掌握，而且焊縫成型美觀，質量好。

4) 氬弧焊幾乎能焊接所有金屬，特別是一些化學性質活潑的金屬和合金，如銅、鎂、鈦、鋁等及其合金。

5) 不受焊件位置限制，可進行全位置焊接。

6) 無焊渣，用于管道的根部焊接時，能保證管道內(nèi)部焊接的清潔度。

3.1.4. 焊接工藝確定

根據(jù)標準SAES-W-011 中要求，以及鎢極氬弧焊操作簡單，能夠適應現(xiàn)場復雜施工空間的特點，確定銅鎳合金C70600 與低合金碳鋼A333-6 的焊接工藝為鎢極氬弧焊。

3.2. 焊接材料

按與焊接管材化學成份及機械性能相匹配的原則，選擇焊接材料。與銅鎳合金C70600 管材最佳匹配的焊絲為銅鎳焊絲ERCuNi，但ERCuNi 焊接材料的機械性能低，與低合金A333-6 的機械性能不匹配；而且ERCuNi 焊材的抗裂性，無法滿足因低合金與銅合金的熱導熱率差距大而產(chǎn)生的裂紋傾向。所以選擇用機械性能高，抗裂性好的鎳銅焊絲ERNiCu-7 [5] [6]，焊絲直徑為2.0 mm，焊材化學成分詳見表5，機械性能見表6。

Table 5. Chemical composition of welding consumables 表5. 焊材化學成份

Table 6. Mechanical property of welding consumables 表6. 材料機械性能

3.3. 焊接工藝參數(shù)

焊接過程中采用多層多焊道，焊接工藝參數(shù)詳見表7。

氬氣流量25～30 L/min，背氬流量25～30 L/min。

Table 7. Parameter in WPS 表7. 焊接工藝參數(shù)

3.4. 焊接缺陷

銅鎳合金與低合金碳鋼焊接容易出現(xiàn)的缺陷有：裂紋，氣孔。

3.4.1. 裂紋的控制

選用硫，磷含量較低，鎳含量高的鎳銅焊絲ERNiCu-7，防止熔敷金屬中低熔點夾雜物產(chǎn)生，提高焊接接頭的抗裂能力；清理干凈焊縫坡口及兩側的污物、氧化層等雜質，防止雜質混入熔敷金屬中；控制熱輸入量與層間溫度，防止焊縫過熱及熱影響區(qū)過熱產(chǎn)生熱裂紋；控制焊接擺速與擺寬，防止銅合金熔池與低合金的導熱不同而產(chǎn)生的收縮冷裂紋；焊縫表面要均勻平整，圓滑過渡，防止超高或高低不平應力集中。

3.4.2. 氣孔的控制

焊接前焊件的坡口及兩側各至少25 mm 范圍內(nèi)的焊件表面附著雜物清理干凈；選擇合適的焊接噴嘴直徑，噴嘴與焊件間的距離在8～14 mm，控制鎢極端部突出噴嘴的伸出長度在3～4 mm，焊槍氬氣流量25～30 L/min，使焊接熔池處于氬氣的完全保護之中；做好環(huán)境防風措施，減少自然風對焊接過程的影響。

3.5. 質量檢查

3.5.1. 外觀檢查

根據(jù)阿美焊接檢驗標準SAES-W-011 要求，焊縫表面應無飛濺、裂紋、氣孔、咬邊、余高過高、凹陷等缺陷，寬窄均勻、圓滑過渡。

焊縫表面的飛濺、裂紋、氣孔、咬邊、余高過高等缺陷，采用打磨的方法進行處理；表面凹陷可采用補焊與打磨相結合的方法進行處理。

3.5.2. 無損檢測

焊縫內(nèi)部未熔合，夾渣、氣孔等焊接缺陷需要進行無損檢測。對接焊縫采用100%射線檢測RT (Radiography Testing)，角焊縫采用100%液體滲透檢測PT (Liquid Penetrant Test)，承插焊還需要進行10% RT 抽查檢測，檢測結果要符合ASME B31.3 中的要求。

檢測不合格的焊縫按返修工藝進行返修，同一不合格部位的返修次數(shù)不得超過2 次。

3.5.3. 機械性能試驗

焊接工藝評定試件按ASME B31.3-2016 射線檢測標準評定合格后，根據(jù)ASME SEC IX-2017 中QW-451 要求進行拉伸和彎曲試驗，并宏觀檢測，機械性能試驗要均符合規(guī)范要求[7] [8]。機械性能結果詳見表8，試件詳見圖1、圖2、圖3。

4. 返修工藝

根據(jù)ASME SEC IX-2017 中QW-202.1 的規(guī)定，在坡口試件上評定合格的焊接工藝可以作為坡口焊縫及角焊縫的返修焊接工藝。本文中銅鎳合金與低合金鋼的返修焊接工藝與其主焊接工藝為同一焊接工藝。

Table 8. Mechanical performance results 表8. 機械性能結果

Figure 1. Tensile test 圖1. 拉伸試驗

Figure 2. Bend test 圖2. 彎曲試驗

Figure 3. Macro test 圖3. 宏觀試驗

5. 應用

銅鎳合金與低合鋼焊接工藝在該項目HGP 站中得到實際應用。在應用過程中，通過采用有效管理控制措施，獲得了高質量的焊縫。

5.1. 材料驗收

銅鎳合金管材及焊材ERNiCu-7 嚴格按沙特阿美標準Inspection Requirements for Contractor Procured Materials and Equipment SAEP-115 進行驗收，重點驗收材料的外觀質量、出廠質量資料是否齊全，并按阿美標準Positive Material Identification SAES-A-206 進行材料化學分析PMI (Positive Material Identification)，經(jīng)過驗收合格后方可進場使用，確保施工材料的質量符合標準規(guī)范要求。

5.2. 焊前培訓

正式施焊前，項目部組織電焊工進行焊前培訓，對初期培訓焊接的10 道焊口進行RT 檢測，其中有5 道焊口不合格，全部為氣孔缺陷。經(jīng)過原因分析，改進行焊工操作手法及氬氣保護措施后，再培訓焊接的10 道焊口，經(jīng)檢測全部合格。焊前培訓為銅鎳合金焊接提供了合格的焊接操作人員。

5.3. 現(xiàn)場焊接管理

現(xiàn)場焊接過程中采取了以下管理措施：

1) 坡口清理：坡口及兩側各25～30 mm 范圍內(nèi)的焊件表面附著雜物清理干凈。

2) 氣體保護：控制焊槍氬氣流量在25～30 L/min 之間，使焊縫內(nèi)表面及外表面處于氬氣的完全保護之中，并做好防風措施，減少風對焊接過程的影響。

3) 控制焊接電流：因銅合金導熱率高，需要大焊接電流才能將其熔化；液態(tài)銅流動性好，焊接電流過大，熔池容易出流淌現(xiàn)象，所以焊接電流要控制在120～130 A 之間。

4) 控制焊接擺動：銅鎳合金一側母材導熱率高，焊接時不易完全熔合，在焊接擺動的時，銅鎳合金一側減緩焊接擺速，低合金一側保持正常焊接擺速。

5.4. 檢測結果

HGP 站中銅鎳合金與低合金鋼的焊口共30 道，外觀檢測100%合格，焊口RT 檢測全部合格，焊接一次合格率為100%。

6. 結論

1) 實踐證明，采用焊絲ERNiCu-7 焊接銅鎳合金與低合金鋼，其焊接工藝參數(shù)及坡口角度的選擇是正確的。

2) 銅鎳合金與低合金鋼的導熱率差距很大，焊接過程中易產(chǎn)生裂紋，相對銅與銅之間有色金屬焊接難度更大。通過合理控制焊接熱輸入量及層間溫度，能夠有效控制焊接裂紋。

3) 液態(tài)銅中氫的溶解度很大；凝固后，溶解度又降低。焊接時，焊縫冷卻很快，過剩的氫來不及逸出，容易形成氫氣孔。做好氣體防護措施，使焊接熔池處于氬氣的完全保護之中，可以避免焊縫產(chǎn)生氣孔缺陷。

4) 本文總結的銅鎳合金與低合金鋼焊接經(jīng)驗可以為同類工程施工提供借鑒。