海外油氣田N08825鎳基復(fù)合管施工技術(shù)要點(diǎn)

劉振干

中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)有限公司 河南洛陽(yáng) 471023

1 工程概況

近年來(lái)，根據(jù)海外油氣資源硫含量較大，腐蝕性較強(qiáng)的特點(diǎn)，新型復(fù)合材料如N08825 復(fù)合管以其特殊的抗腐蝕性能，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)有限公司承接的某海外油氣田項(xiàng)目中，為了保障油氣田管線的安全運(yùn)行，提高油氣田管線的運(yùn)行壽命，全線采用N08825 復(fù)合材料管線。該管線全長(zhǎng)63km，采用埋地管線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)壓力230bar，管線材質(zhì)采用API5LX60 管線鋼作為基層，用冶金復(fù)合方式堆焊825 鎳合金管作為復(fù)層金屬，管線直徑6in,壁厚 9.53mm+3mm， 部 分 穿 越 路 段 厚 度10.97mm+3mm。

N08825 復(fù)合管是一種特殊的雙金屬工程材料，它既有常規(guī)碳鋼管道優(yōu)質(zhì)的力學(xué)性能及工程經(jīng)濟(jì)性，又具備鎳基合金的抗腐蝕性能，在海外油氣田建設(shè)過(guò)程中越來(lái)越多地被應(yīng)用到酸性及濕H2S 等抗腐蝕要求高的場(chǎng)合。但由于對(duì)復(fù)合材料制造的要求較高，目前國(guó)內(nèi)尚未普遍使用。

2 焊接方法優(yōu)化優(yōu)擇

N08825 復(fù)合管道主要施工難點(diǎn)是如何保證焊接質(zhì)量，保證復(fù)合層不被碳鋼污染，降低碳鋼層對(duì)高合金的稀釋性，熔接好過(guò)渡層，提高一次焊接合格率。由于該管線材質(zhì)特殊，質(zhì)量要求高，施工工期緊，項(xiàng)目部特別對(duì)焊接可行性方案進(jìn)行了分析優(yōu)選。

2.1 手工氬弧焊+ 焊條電弧焊

手工氬弧焊+ 焊條電弧焊（以下簡(jiǎn)稱手工焊）是傳統(tǒng)的管道焊接方法，應(yīng)用范圍廣、施工經(jīng)驗(yàn)豐富。但是存在焊接效率低，受焊接操作工人水平影響大，以及質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。

2.2 半自動(dòng)熱絲氬弧焊

半自動(dòng)熱絲氬弧焊（以下簡(jiǎn)稱半自動(dòng)TIG）又叫TIPTIG 焊，是一種新興的先進(jìn)焊接工藝方法，采用動(dòng)態(tài)振動(dòng)自動(dòng)送絲系統(tǒng)，并加入了熱絲系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)氬弧焊手工送絲效率低的缺點(diǎn)，綜合了傳統(tǒng)MAG 焊自動(dòng)送絲焊效率高及TIG 焊飛濺小、質(zhì)量穩(wěn)定的雙重優(yōu)點(diǎn)。一方面，它采用動(dòng)態(tài)振動(dòng)自動(dòng)送絲技術(shù)破壞熔滴及熔池的表面張力，提高熔敷效率，細(xì)化晶粒，便于熔池中氣體的溢出，改善熔敷金屬性能及外觀成型；另一方面，熱絲系統(tǒng)在焊絲送入熔池前要對(duì)焊絲進(jìn)行加熱，進(jìn)一步提升焊絲的熔敷效率，降低了熱輸入量，提升了焊縫的冶金性能。

2.3 全自動(dòng)熱絲氬弧焊

全自動(dòng)熱絲氬弧焊（以下簡(jiǎn)稱全自動(dòng)TIG）是在半自動(dòng)熱絲氬弧焊的基礎(chǔ)上，增加控制機(jī)頭，實(shí)現(xiàn)全位置焊接自動(dòng)控制、焊接自動(dòng)操作的焊接方法。它涵蓋了半自動(dòng)TIG 焊的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制，進(jìn)一步提高了施工效率，增大了該種焊接方法的機(jī)械化、智能化水平。不足之處在于機(jī)械化程度高，對(duì)焊接環(huán)境要求高、設(shè)備設(shè)施復(fù)雜、成本較高、維修難度高。

綜合上述3 種焊接方法的特點(diǎn)進(jìn)行綜合對(duì)比分析，結(jié)果見表1。

表1 N08825 復(fù)合管焊接方法對(duì)比表

由于本次長(zhǎng)輸管線是在野外施工的集輸管線，焊接機(jī)組需要考慮焊接效率、焊接質(zhì)量，同時(shí)綜合考慮機(jī)組保障便利性、操作靈活性、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性等。根據(jù)優(yōu)選分析結(jié)果，認(rèn)為半自動(dòng)TIG 焊接工藝方法綜合性能更好，更適合本次野外集輸管線的焊接。

3 焊接工藝試驗(yàn)

為了驗(yàn)證半自動(dòng)TIG 是否能夠獲得優(yōu)良的焊接接頭，對(duì)該焊接方法進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。

3.1 母材的選擇

試驗(yàn)?zāi)覆倪x用與工程材料一致的API5LX60，9.53+3mmCRA825 材質(zhì)，該母材采用冶金復(fù)合的辦法制備?；鶎幽覆牡牧W(xué)性能及CRA825 復(fù)合層的化學(xué)成分見表2。

表2 API5LX60，9.53+3mm CRA825 復(fù)合管力學(xué)性能及化學(xué)成分

3.2 焊材的選擇

根據(jù)復(fù)合管母材的基層碳鋼強(qiáng)度及復(fù)合層化學(xué)成分，選用ERNiCrMo- 3（N06625）焊材作為填充金屬，焊絲直徑為0.9mm。焊絲采用國(guó)際著名特殊合金品牌美國(guó)Specialmetal（以下簡(jiǎn)稱SPME）。ERNiCrMo- 3焊材的化學(xué)成分見表3。

表3 ERNICrMo- 3 焊絲的化學(xué)成分對(duì)比表 %

3.3 接頭的設(shè)計(jì)

根據(jù)半自動(dòng)TIG 焊接工藝特性，焊接接頭的坡口采用專用的“U 形”坡口，詳見圖1。

3.4 惰性氣體背保護(hù)裝置

由于鎳基合金焊接的特殊性，為了獲得優(yōu)良的根部焊縫，必須用惰性氣體對(duì)焊縫進(jìn)行背面保護(hù)，本次采用的是帶自動(dòng)背保護(hù)裝置的專用長(zhǎng)輸管道內(nèi)對(duì)口器，見圖2。該裝置集管道內(nèi)對(duì)口器功能及焊縫背面氣保護(hù)裝置于一體，通過(guò)氬氣管線和外部的氧含量自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀相連，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊縫背面氧含量濃度，起到了對(duì)口及接頭背面保護(hù)的雙重作用。

圖1 坡口形式圖及實(shí)際坡口圖

圖2 集對(duì)口及焊縫背面保護(hù)一體的內(nèi)對(duì)口器

3.5 焊接工藝要求

（1）焊接前應(yīng)對(duì)坡口及周邊的污物、基材銹蝕等進(jìn)行徹底清理，并用丙酮對(duì)復(fù)合層坡口表面、焊絲等進(jìn)行徹底清理。

（2）焊接采用小電流、多層多道焊、小熱輸入的方法，焊接熱輸入不超過(guò)2.0kJ/ mm，焊接工藝參數(shù)見表4。

（3）不預(yù)熱或者采用低于50℃的預(yù)熱溫度, 層間溫度控制在150℃以內(nèi)。

3.6 惰性氣體背面保護(hù)監(jiān)測(cè)

為了保證優(yōu)良的焊接效果，鎳基合金焊接要采用背保護(hù)氣，本次采用氬氣，純度為99.997%以上。焊接前，打開內(nèi)部充氬裝置對(duì)接頭根部進(jìn)行氬氣置換，氣流量14～30L/ min，沖氬2～3min，采用和內(nèi)對(duì)口器相連的氧含量測(cè)試儀對(duì)接頭背面氧含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，見圖3。為達(dá)到良好的背面保護(hù)效果，焊接前及焊接過(guò)程中，背面保護(hù)氣中氧氣含量要在0.1%以下，以不大于0.05%為最佳。

表4 焊接工藝參數(shù)

圖3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接頭背保護(hù)的氧含量

4 焊接接頭的無(wú)損檢測(cè)

焊接完畢待溫度降至室溫后，對(duì)焊接接頭進(jìn)行外觀及RT 檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)外部表面成型良好，無(wú)咬邊、焊瘤，焊縫表面圓滑、無(wú)表面缺陷。焊縫根部呈現(xiàn)銀色，局部為藍(lán)黃色，氧化顏色符合規(guī)范規(guī)定，RT 檢測(cè)100%合格。

5 焊接接頭的理化試驗(yàn)

5.1 焊接接頭的力學(xué)性能

對(duì)焊接接頭按照ASTMA370 進(jìn)行了拉伸和彎曲試驗(yàn)，以驗(yàn)證焊接接頭的力學(xué)性能，結(jié)果如表5 所示。從表中數(shù)據(jù)分析，焊縫力學(xué)性能良好，符合規(guī)范要求。

表5 焊接接頭的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

5.2 焊接接頭的宏觀及硬度試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證焊接接頭的熔合性，以更好地保證焊接接頭的耐酸性介質(zhì)的抗腐蝕能力，對(duì)焊接接頭進(jìn)行宏觀及硬度試驗(yàn)。宏觀試驗(yàn)照片見圖4，硬度值見表6。通過(guò)宏觀照片觀察可見，焊縫層間熔合良好，未發(fā)現(xiàn)任何層間夾雜及未熔合產(chǎn)生。由表6 可見，焊接接頭碳鋼部分硬度值均小于規(guī)范要求值248HV10, 焊縫金屬硬度值均小于340HV10，表明硬度指標(biāo)符合規(guī)范要求。

5.3 沖擊試驗(yàn)

為了驗(yàn)證接頭的低溫韌性，進(jìn)行V 型缺口夏比低溫沖擊試驗(yàn)，沖擊溫度執(zhí)行最低設(shè)計(jì)溫度- 20℃，沖擊試樣取樣位置（復(fù)層金屬去除掉）：焊縫金屬、熔合線、熔合線+2mm，熔合線+5mm。沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表6 焊接接頭的硬度值（HV10）

圖4 SPME焊材接頭宏觀照片

表7 焊接接頭的低溫沖擊吸收功值

5.4 接頭金相試驗(yàn)

對(duì)接頭經(jīng)過(guò)取樣制備金相試樣，在400X 光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖5 和圖6 所示。接頭部位熔合了碳鋼母材、825 堆焊層和625 填充金屬3 種材質(zhì)。由圖可見，焊縫為均勻奧氏體，呈枝狀發(fā)展，枝狀晶發(fā)展方向較一致；接頭母材及熱影響區(qū)均為細(xì)晶粒鐵素體及珠光體，晶粒分布均勻,無(wú)晶間化合物析出。

圖5 SPME 焊縫金屬微觀圖像

圖6 熱影響區(qū)金屬微觀圖像

5.5 焊縫金屬的化學(xué)成分

為了驗(yàn)證焊接過(guò)程中鎳基焊材稀釋性的影響，對(duì)焊縫金屬進(jìn)行化學(xué)成分分析，得到焊縫金屬的化學(xué)成分（表8）。由表可見，焊縫金屬的化學(xué)成分符合焊縫所用鎳基焊材的化學(xué)成分的要求。

表8 焊縫金屬化學(xué)成分分析表 %

5.6 晶間腐蝕試驗(yàn)

根據(jù)ASTM G28 方法A 對(duì)焊接接頭進(jìn)行硫酸-硫酸鐵環(huán)境下的晶間腐蝕試驗(yàn)。取樣部位位于焊縫根部，包括焊縫及熱影響區(qū)（去除基層碳鋼）。試驗(yàn)環(huán)境為25g 硫酸鐵融于600mL 硫酸形成的硫酸- 硫酸鐵溶液，加入試樣后，在沸騰狀態(tài)下連續(xù)沸騰120h。腐蝕后試樣見圖7，結(jié)論見表9。試驗(yàn)結(jié)論采用稱重法進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估結(jié)果表明腐蝕試驗(yàn)合格。

6 模擬現(xiàn)場(chǎng)焊工操作培訓(xùn)考試

為了保證焊接質(zhì)量，對(duì)采用熱絲半自動(dòng)TIG 焊接的焊接工人在模擬現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作培訓(xùn)考試。

表9 腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖7 ASTM G28 硫酸- 硫酸鐵腐蝕試樣

焊工操作培訓(xùn)主要包括新型半自動(dòng)TIG 焊接原理、操作技能手法、擺動(dòng)方法及技巧、根部熔合技巧和引弧及收弧方法等操作技能，以及焊機(jī)保養(yǎng)維護(hù)。同時(shí)，模擬現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)沙環(huán)境、焊接位置姿勢(shì)等對(duì)焊工帶來(lái)的影響。每個(gè)焊工焊接5 件管段，焊接后進(jìn)行100%外觀表面滲透PT、射線RT 檢測(cè)?？荚嚱Y(jié)果：所有人員的焊接100%合格，符合業(yè)主規(guī)范要求。

7 產(chǎn)品焊口的現(xiàn)場(chǎng)焊接及檢驗(yàn)

產(chǎn)品焊接要嚴(yán)格按照焊接工藝指導(dǎo)書進(jìn)行，只有評(píng)定合格的焊工才可以進(jìn)行產(chǎn)品焊接。

（1）焊接前對(duì)焊縫周邊25mm 范圍內(nèi)進(jìn)行清潔處理，徹底清除油污、銹蝕、重皮、水汽和油漆等所有外部污物、雜物和異物。

（2）組對(duì)、焊接必須在現(xiàn)場(chǎng)防風(fēng)棚內(nèi)進(jìn)行，管段放置在沙包上，距離地面至少300mm，以便提供有效的操作空間。

（3）組對(duì)時(shí)先進(jìn)行坡口處理，采用不銹鋼絲刷對(duì)坡口進(jìn)行打磨處理，并用丙酮擦拭坡口復(fù)合層，還要對(duì)組對(duì)錯(cuò)變量進(jìn)行檢測(cè)，保證錯(cuò)邊量不大于1mm，以保證根部焊縫熔合質(zhì)量。

（4）焊接前通過(guò)內(nèi)對(duì)口器專用氬氣管道對(duì)焊縫內(nèi)部進(jìn)行沖氬保護(hù)，使用便攜式氧含量測(cè)試儀對(duì)焊縫根部進(jìn)行氧含量測(cè)試，氧含量不大于0.05%才可以開始焊接。

（5）基于TIG 焊對(duì)風(fēng)速的敏感性，現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)要采取嚴(yán)格的防風(fēng)措施，控制風(fēng)速不大于2m/ s。

（6）焊接時(shí)，采用適當(dāng)?shù)碾娏飨孪捱M(jìn)行焊接，以減少焊接熱輸入；根層焊接厚度不允許超過(guò)復(fù)合層厚度；熱焊焊接要快速進(jìn)行，要求時(shí)間不大于10min，并且焊接要涵蓋復(fù)合層及碳鋼層，第一層填充焊接主要熔合母材碳鋼層。

（7）焊接層間溫度不要大于150℃，盡可能一次焊接完畢，不中斷焊接；若中斷焊接，先要進(jìn)行表面PT 檢查，確保無(wú)表面缺陷后方可進(jìn)行下一步焊接。

焊接后，對(duì)實(shí)際產(chǎn)品的焊接接頭進(jìn)行表面滲透檢測(cè)、射線檢測(cè)，綜合焊接一次合格率為99.2%。

焊接后，采用先進(jìn)的內(nèi)窺鏡對(duì)焊縫內(nèi)表面進(jìn)行氧化程度檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)表面氧化色為焊縫銀色，熱影響區(qū)呈現(xiàn)黃藍(lán)色，焊縫根部氧化程度符合規(guī)范要求。

8 結(jié)論

實(shí)踐證明，傳統(tǒng)的手工氬弧焊加焊條焊接已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)N08825 焊接施工需要，半自動(dòng)TIG 焊能在N08825 鎳基復(fù)合管焊接中獲得合格的、理化性能完全符合要求的焊縫。且半自動(dòng)TIG 焊施工效率是手工焊的1.5～2 倍，焊接一次合格率高，質(zhì)量穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)全位置操作；機(jī)動(dòng)靈活便利，野外施工現(xiàn)場(chǎng)可操作性強(qiáng)，非常適用于N08825 復(fù)合管的焊接，具有較強(qiáng)的適用性及推廣性。