Q245R+N08825鎳基合金復(fù)合鋼管焊接技術(shù)

張魯濱

（中原油田普光分公司工程管理部，四川達(dá)州 635000）

0 引言

N08825合金具有較好的耐H2S腐蝕性能和防止Cl-應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，但因?yàn)槌杀景嘿F限制了其應(yīng)用。Q245R+N08825復(fù)合管有效降低了使用成本，擴(kuò)大了使用范圍。Q245R+N08825復(fù)合管是由兩種不同金屬（基層與復(fù)層）通過(guò)爆炸焊結(jié)合在一起，再卷制成復(fù)合鋼管，基層采用Q245R優(yōu)質(zhì)低碳鋼，具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性，焊接性能良好，主要作用是承受介質(zhì)的壓力，復(fù)層N08825具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。

1 N08825鎳基合金耐蝕原理

N08825鎳基合金屬于Ni-Fe-Cr-Mo-Cu系列合金。N08825鎳基合金的優(yōu)良耐腐蝕性能主要在于其表面形成的致密的鈍化膜，減緩了基體與腐蝕介質(zhì)的接觸，從而起到保護(hù)基體的作用。Ni、Cr、Mo等合金元素作為鈍化膜的基本組成元素，對(duì)鎳基合金的耐腐蝕性能起重要作用。鎳基合金中鎳自身電極電位較高，鈍化能力強(qiáng)，而且對(duì)防止Cl-應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂有很好的效果；而鎳基合金中加入Cr、Mo、Cu等元素提高了材料耐不同介質(zhì)腐蝕的能力，如Cr使合金具有承受氧化介質(zhì)和硫化物腐蝕的能力，Mo具有限制點(diǎn)蝕的作用。鎳基合金高溫時(shí)，沿晶界形成Laves相和G相，造成貧Ni、Cr、Mo區(qū)是應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和晶間腐蝕的主要因素。2.5%～3.5%鉬的加入，可以有效抑制Laves相和G相形成。

2 焊接工藝

鎳基復(fù)合鋼管的焊接比同種鋼管焊接困難和復(fù)雜，既有因不同母材之間和母材與填充金屬之間相互作用不同而帶來(lái)冶金上的困難，又有因物理性能上存在差異帶來(lái)焊接工藝上的困難，特別是基層與復(fù)層復(fù)合界面附近，易發(fā)生基層中合金元素向復(fù)層和復(fù)層中碳元素向基層擴(kuò)散，從而降低基層焊縫中合金元素的含量，導(dǎo)致焊縫耐腐蝕性能降低。選擇焊接工藝時(shí)，應(yīng)充分考慮這兩種因素的影響。原則上，為保證復(fù)合鋼管原有優(yōu)良的綜合性能，通常是對(duì)基層和復(fù)層分別進(jìn)行焊接，把復(fù)合鋼管接頭的焊接分為：基層的焊接、復(fù)層的焊接和基層與復(fù)層交界處過(guò)渡區(qū)的焊接。

2.1 焊接方法

Q245R+N08825鎳基合金復(fù)合鋼管焊接采用鎢極氬弧焊打底，脈沖半自動(dòng)MIG（Melt Inert-Gas welding，熔化極惰性氣體保護(hù)焊）焊填充蓋面的組合焊接方法，該焊接方法焊接效率高、焊接熱輸入量小、焊縫成型好，且融合比小、稀釋率低，可得到綜合性能優(yōu)良的焊接接頭。

2.2 焊材選擇

復(fù)層焊接選用ERNiCrMo-3Φ2.4 mm焊絲，過(guò)渡區(qū)和基層焊接選用ERNiCrMo-3Φ1.14 mm焊絲。焊接選用超低碳高合金型焊材，64%Ni，22.6%Cr，8.9%Mo，有利于焊縫表面形成鈍化膜。64%Ni能提高防止抗Cl-應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力；22.6%Cr提高焊縫濕硫化氫環(huán)境下抗腐蝕能力；8.9%Mo還能提高焊縫區(qū)的抗點(diǎn)蝕能力，抑制Laves相和G相形成；同時(shí)焊材合金含量高于母材合金含量，可有效降低母材對(duì)合金元素的稀釋和補(bǔ)償焊接時(shí)合金元素的燒損。

2.3 焊接接頭設(shè)計(jì)及坡口加工

焊接接頭設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)鎳基合金復(fù)合鋼管焊接接頭時(shí)，應(yīng)充分考慮分別對(duì)基層、復(fù)層及過(guò)渡區(qū)的焊接施工和避免或減少?gòu)?fù)層根焊時(shí)被稀釋的問(wèn)題。常用坡口型式有：X形坡口、V形坡口和帶臺(tái)階的V形坡口。采用X形坡口雙面焊時(shí)，先焊基層，再焊過(guò)渡區(qū)，最后焊復(fù)層，以保證復(fù)層焊縫具有較好的耐蝕性能。當(dāng)焊接位置受限，需單面焊時(shí)，可用單面V形坡口，先焊復(fù)層，再焊過(guò)渡區(qū)，最后焊基層，使復(fù)層中少融入基層成分。

本次焊接管道規(guī)格為Φ508×（24+3）、Φ610×（28+3）、Φ711×（32+3）。因直徑較小，無(wú)法進(jìn)行雙面焊接，所以不選用X形坡口；帶臺(tái)階的V形坡口比傳統(tǒng)V形坡口加工困難，但可有效降低母材對(duì)復(fù)層及過(guò)渡區(qū)焊道的稀釋作用，綜合考慮管道介質(zhì)的特殊性和工程安全性，選擇帶臺(tái)階的V形坡口型式。

2.4 焊接工藝要點(diǎn)

（1）首先用99.999%的氬氣置換管道內(nèi)空氣，氣體流速10～25 L/min，氧含量低于4×10-4時(shí)方可進(jìn)行焊接。應(yīng)先進(jìn)行試焊，通過(guò)觀察焊道色澤來(lái)判斷充氬置換和氣體保護(hù)的質(zhì)量。如果焊縫區(qū)、熱影響區(qū)金屬呈銀白、金黃色，說(shuō)明氣體保護(hù)效果好，為合格焊縫；如果焊縫區(qū)、熱影響區(qū)金屬呈紫、深藍(lán)色或灰色，說(shuō)明氣體保護(hù)效果不好，為不合格焊縫。只有在確認(rèn)充氬置換和外部氣體保護(hù)質(zhì)量達(dá)到要求后方可進(jìn)行正式焊接。在復(fù)合管線第三層焊縫金屬焊接完成之前不得去除氣體置換裝置。

（2）N08825鎳基合金復(fù)層焊接采用鎢極氬弧焊，選用Φ2.0～3.2 mm WCe，伸出長(zhǎng)度3～5 mm，噴嘴孔徑6～12 mm，焊縫不預(yù)熱，控制層間溫度低于80℃。焊接保護(hù)氣體為99.999%氬氣，氣體流速10～15 L/min。采用較小的焊接工藝參數(shù)，復(fù)層焊接厚度不超過(guò)3 mm，嚴(yán)格控制焊接熱輸入，最大線能量不大于8.7 kJ/cm。

（3）過(guò)渡區(qū)焊接選用與復(fù)層焊接相同的焊接方法。采用較小的焊接工藝參數(shù)，采用多道焊縫進(jìn)行焊接，嚴(yán)格控制焊接熱輸入，最大線能量不大于8.7 kJ/cm。焊接時(shí)管道內(nèi)應(yīng)充氬保護(hù)，以防根部焊道氧化。焊接過(guò)渡區(qū)時(shí)，應(yīng)盡量減小稀釋率，如用窄焊道，采用合金元素含量比復(fù)層更高的填充金屬，以備稀釋。焊完過(guò)渡區(qū)，應(yīng)進(jìn)行滲透檢測(cè)，合格后方可進(jìn)行下步工序。

（4）基層焊接，采用脈沖半自動(dòng)MIG焊，選用噴嘴孔徑10～20 mm，焊絲伸長(zhǎng)15～25 mm，焊縫不預(yù)熱，控制層間道間溫度低于80℃。焊接保護(hù)氣體為Ar+20%He，氣體流速15～25 L/min。采用小電流、多層多道、短弧焊、擺動(dòng)4～10 mm、快速焊工藝，使焊接熔池受熱盡可能小，最大線能量不大于20.9 kJ/cm，然后進(jìn)行下道焊縫焊接，每層焊縫接頭相互錯(cuò)開(kāi)。不在非焊部位起弧，收弧要填滿弧坑，有條件的盡量使用引弧板和收弧板。

3 焊接缺陷分析

3.1 未融合

未融合分為根部未熔合、層間未融合和坡口未融合。造成未融合的原因主要有：

（1）組對(duì)錯(cuò)邊是鎳基合金復(fù)合管根部未熔的重要原因。焊接前，應(yīng)對(duì)其尺寸公差、橢圓度進(jìn)行檢查，優(yōu)選公差較小的兩管口進(jìn)行組對(duì)，確保管道內(nèi)部錯(cuò)邊量符合施工規(guī)范。橢圓度較大的鋼管，應(yīng)對(duì)管內(nèi)N08825鎳基合金復(fù)層進(jìn)行堆焊、打磨修補(bǔ)，經(jīng)超聲波檢測(cè)合格后方可使用。當(dāng)對(duì)焊根部焊道進(jìn)行修補(bǔ)時(shí)，應(yīng)經(jīng)射線檢測(cè)合格后使用。

（2）過(guò)渡區(qū)和基層焊接時(shí)，采用多層多道、短弧焊、不擺動(dòng)或小擺動(dòng)、快速焊工藝時(shí)，容易片面追求減小熱輸入，造成層間未熔和坡口未熔，應(yīng)在保證焊道熔透的前提下盡量減少熱輸入。

3.2 氣孔

對(duì)焊縫中氣孔的生成起主要作用的是氫和氮。氫主要來(lái)自是焊絲和工件表面的鐵銹、油漆、油脂、水分，氬氣中含有的水分及空氣中的水分；氮主要來(lái)自空氣。為防止氣孔的產(chǎn)生，焊前應(yīng)將坡口附近的鐵銹、油污和水分清理干凈；檢查氬氣中的含水量，含水量超標(biāo)禁止使用；加強(qiáng)氬氣保護(hù)和焊接環(huán)境風(fēng)速、濕度的監(jiān)控，當(dāng)不滿足焊接條件時(shí)，采用有效防護(hù)措施后再進(jìn)行施焊；焊接時(shí)采用短弧焊。

3.3 裂紋

由于鎳基合金復(fù)合管結(jié)構(gòu)的特殊性，比普通鋼管更易出現(xiàn)裂紋，且裂紋多出現(xiàn)在過(guò)渡區(qū)。由于鎳基合金熱膨脹系數(shù)與碳鋼相差較大，而熱導(dǎo)率只有碳鋼的1/4，焊道在冷卻過(guò)程中將產(chǎn)生應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)將引發(fā)裂紋。為減少應(yīng)力產(chǎn)生，特別是在寒冷天氣（氣溫低于0℃），應(yīng)對(duì)焊口進(jìn)行預(yù)熱和保溫，溫度80℃，從而減小焊口周?chē)鷾囟忍荻?，抑制裂紋生成；同時(shí)，為減小熔合比，坡口角度宜大些，采用小電流快速焊，收弧時(shí)要填滿弧坑，以防裂紋產(chǎn)生。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)Q245R+N08825鎳基合金復(fù)合鋼管焊接工藝研究，使工程焊接一次合格率達(dá)到99.17%，提高了施工效率，保證了施工質(zhì)量。

（1）分析了N08825鎳基合金耐蝕性原理，控制晶界Laves相和G相形成，可有效提高其耐蝕性。

（2）針對(duì)復(fù)合鋼的特點(diǎn)設(shè)計(jì)焊接工藝，采用GTAW+GMAW的復(fù)合焊接方法，坡口采用帶臺(tái)階的V形坡口，確定了復(fù)層、過(guò)渡區(qū)、基層的焊接順序，并闡述了不同區(qū)域的焊接要點(diǎn)。

（3）分析焊接過(guò)程中易產(chǎn)生焊接缺陷的原因，并提出解決方法。