超級(jí)雙相不銹鋼S32750高效焊接組合坡口形式設(shè)計(jì)

顏丙鎖，仲繼彬，邢攸為，馮加亮，任廣新

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

前言

某項(xiàng)目水深1220-1560米，該項(xiàng)目管匯排布緊密，均為超級(jí)雙相不銹鋼材質(zhì)，且施工空間狹窄，受限空間對(duì)焊工技能和操作技巧均有很大挑戰(zhàn)，海底輸氣輸油管道內(nèi)部主要流體為液壓控制液與化學(xué)藥劑，具有一定的腐蝕性，對(duì)焊縫表面的耐蝕性能要求很高。

UNS S32750在普通雙相不銹鋼的基礎(chǔ)上，增加了鉬和氮微量元素的含量，相較于普通的雙相不銹鋼，具有更優(yōu)異的耐腐蝕性能，能夠在更惡劣的腐蝕環(huán)境中使用[1]。更多的合金元素和更低的碳含量，使材料在服役期間具有更較強(qiáng)的機(jī)械性能，在有高強(qiáng)度和高耐蝕性能需求的海底管道鋪設(shè)、船舶制造和海洋氣田開采的制造領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在那些含有氯離子、硫化氫介質(zhì)的壓力容器和換熱器等設(shè)備中[2]。

UNS S32750在焊接過(guò)程中，接頭的力學(xué)性能和耐蝕性能對(duì)熱輸入非常敏感，如果熱輸入過(guò)小，會(huì)因?yàn)閵W氏體轉(zhuǎn)化時(shí)間縮短而形成較少的鐵素體；如果熱輸入過(guò)大，會(huì)燒損熔池中的促奧氏體轉(zhuǎn)化元素鎳和氮等，冷卻速度也會(huì)較正常熱輸入時(shí)的慢，使焊縫組織最后形成過(guò)多的鐵素體，不平衡的雙相組織對(duì)材料的各項(xiàng)性能均造成影響[3]。且超雙管線內(nèi)部油氣控制液或者其他采集后的液體對(duì)內(nèi)部管壁使用壽命均是嚴(yán)格挑戰(zhàn)，因此焊縫根部質(zhì)量直接決定了產(chǎn)品的服役壽命，因此坡口設(shè)計(jì)以及管道焊接時(shí)的背部保護(hù)效果均是工藝設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)，項(xiàng)目組通過(guò)前期的大量試驗(yàn)摸索和方案優(yōu)選，展開對(duì)超雙焊接工藝開發(fā)與篩選工作，對(duì)焊接接頭進(jìn)行了坡口試驗(yàn)優(yōu)選和力學(xué)性能、點(diǎn)蝕性能等實(shí)驗(yàn)研究。

1 常用坡口推薦情況

常用的管道焊接坡口形式分別為：美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ASME氣體傳輸與分配管道系統(tǒng)規(guī)范B31.8-2018《Gas Transmission and Distribution Piping Systems》中推薦的坡口形式[4]見圖1；美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼管道和管焊接指南AWS D10.18-2018《Guide for Welding Ferritic/Austenitic Duplex Stainless Steel Piping and Tubing》中推薦的坡口形式[5]見圖2。

圖1 ASME規(guī)范中的坡口

圖2 AWS規(guī)范中的坡口

以項(xiàng)目中使用最多的2寸超雙管線為例，管線外徑60.3mm，壁厚8.74mm，對(duì)上述焊接坡口形式進(jìn)行工藝試驗(yàn)，填充的金屬量大，手工焊接使用契塊定位焊接后，在封底焊接過(guò)程磨去契塊時(shí)，異物掉入管線內(nèi)沒有及時(shí)清理的話，復(fù)雜的彎曲管路在最終的吹掃程序不能有效的清理全部雜物碎屑，對(duì)完工后的串洗試壓有影響；使用焊絲搭橋定位焊接坡口的話，需要焊工有過(guò)硬的搭橋技術(shù)，且坡口間隙的大小不一，打底后背透的根部余高也高低不平，即使最優(yōu)秀的焊工師傅也不能保證每次焊接獲得合格的焊縫，該傳統(tǒng)的V形坡口出具在WPS中，作為手工焊接的一種備用坡口形式。

且公司同時(shí)在開發(fā)保利蘇迪（Polysoude）焊機(jī)的軌道填絲鎢極氬弧焊工藝，上述坡口均不能滿足半自動(dòng)軌道焊接的精度要求，不能成批生產(chǎn)合格的焊縫，因此急需設(shè)計(jì)出一種更高效的坡口以滿足手工和半自動(dòng)軌道焊接的需求。

2 高效焊接組合坡口設(shè)計(jì)

在上述ASME和AWS標(biāo)準(zhǔn)中推薦的坡口的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出如圖3所示的組合坡口形式，以8.74mm厚的超雙管線為例，對(duì)設(shè)計(jì)的坡口進(jìn)行工藝試驗(yàn)和焊接練習(xí)。

圖3 零間隙組合坡口

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)與焊接比對(duì)，焊工普遍反映鈍邊兩側(cè)的夾角在焊接時(shí)鐵水流動(dòng)緩慢，夾角處需要停留一段時(shí)間才能融合好，否則容易形成未熔合缺陷，需要反復(fù)練習(xí)才能熟練掌握熔合技巧，考慮到焊工練習(xí)投入較大，繼續(xù)優(yōu)化該組合坡口形式至圖4所示，將鈍邊與坡口斜邊的交界處加工出一個(gè)R1～2mm的小圓弧，這樣能明顯改善夾角處的未熔風(fēng)險(xiǎn)。圖4組合坡口使用Panasonic（YC-200BL3）氬弧焊機(jī)手工焊接時(shí)，在封底時(shí)焊槍擺動(dòng)小，不需要太大的擺動(dòng)就能把坡口的夾角熔合好，封底焊接的時(shí)間短，使用該坡口時(shí)操作簡(jiǎn)單，且容易獲得較好的根部成型，該坡口0間隙組對(duì)可以固化焊工的操作手法，容易掌握；且該組合坡口適用于寶利蘇迪（Polysoude）軌道填絲自動(dòng)焊焊機(jī)，滿足自動(dòng)焊機(jī)的高組對(duì)精度要求，能獲得批量的合格焊縫，對(duì)提高焊接效率起到促進(jìn)作用。

圖4 帶圓弧倒角組合坡口

傳統(tǒng)V形坡口，留間隙的坡口組對(duì)需焊工具有一定搭橋技巧，對(duì)焊工技能要求較高，封底焊在12點(diǎn)鐘方向，因背部充氣會(huì)有一個(gè)向上頂推的壓力，操作不慎會(huì)有根部?jī)?nèi)凹的風(fēng)險(xiǎn)如下圖5所示。高效焊接組合坡口在組對(duì)時(shí)只需直接0間隙對(duì)齊就行，節(jié)省了組對(duì)調(diào)整間隙時(shí)間，且閉環(huán)的坡口間隙避免了背部保護(hù)氣體外泄，提高了保護(hù)效率，如下圖6所示。

圖5 傳統(tǒng)V形坡口搭橋技術(shù)

圖6 高效焊接組合坡口0間隙組對(duì)

在后續(xù)的生產(chǎn)中，因?yàn)轫?xiàng)目上的管件和三通在來(lái)料時(shí)已經(jīng)加工好坡口，我們開發(fā)單邊V形和單邊組合坡口的組對(duì)，如下圖7所示，但是后續(xù)在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，該坡口對(duì)焊工的操作要求更嚴(yán)苛，因?yàn)樵撈驴谝粋?cè)帶直邊，一側(cè)不帶直邊，焊工在焊接時(shí)鐵水熔化控制更難操作，且在單V側(cè)需要停留時(shí)間更長(zhǎng)一點(diǎn)，易形成V形坡口側(cè)的熔合不足，焊接難度大，且對(duì)焊后拍片的評(píng)片增加難度如圖8所示，故最終舍棄圖5所示的組合坡口。

圖7 單V和帶直邊單J組合坡口

圖8 評(píng)片難度增大的組合坡口

3 焊接工藝及過(guò)程

帶圓弧倒角組合坡口最終成功應(yīng)用在項(xiàng)目中的手工焊接和軌道填絲自動(dòng)焊接種，現(xiàn)只選取自動(dòng)焊接的焊接工藝結(jié)果列出如下。

母材是超級(jí)雙相不銹鋼ASTM A790 UNS S32750管材，外部直徑60.3mm，壁厚6mm，焊材選用Sandvik25.10.4.L，因?yàn)槠淠塬@得優(yōu)秀的ASTM G48 Method A點(diǎn)蝕性能。焊接工藝為半自動(dòng)軌道填絲鎢極氬弧焊接，焊接位置為6G方向，焊接時(shí)背部充氣體保護(hù)，保證氧含量小于500ppm，根部不被過(guò)度氧化燒損[5-6]，背部保護(hù)氣體選擇純氮?dú)?，正面保護(hù)氣體選擇98%氬氣加2%氮?dú)獾母呒儦宓旌蠚鈁7]，焊前除濕，層間溫度設(shè)定最高為100℃，本次試驗(yàn)件的焊接按照標(biāo)準(zhǔn)ASME BPVCIX-2019[8]制作，參數(shù)如表1所示。

表1 軌道填絲鎢極氬弧焊Orbital GTAW(With Filler Metal)參數(shù)

4 無(wú)損檢驗(yàn)

試驗(yàn)件焊接結(jié)束后按照相關(guān)要求進(jìn)行外觀檢驗(yàn)（VT），滲透檢驗(yàn)（PT）和X射線探傷(RT)。各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果顯示，焊縫根部和表面成型良好，無(wú)氣孔、未熔合、裂紋、咬邊等缺陷，根部余高控制良好，焊接試樣滿足要求。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

焊接試件經(jīng)機(jī)加工后進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。

拉伸試驗(yàn)2件，其中一根抗拉強(qiáng)度為887MPa，斷裂于母材區(qū)域；另一根拉伸試樣抗拉強(qiáng)度875MPa，斷裂于母材區(qū)域，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度均滿足使用要求；

室溫下彎曲角度180°，彎輥直徑24mm的面彎和根彎各2片，結(jié)果均無(wú)任何缺陷產(chǎn)生，焊縫金屬塑性良好；

焊接接頭宏觀腐蝕結(jié)果合格，放大10倍的宏觀圖片如圖9所示，焊縫及熱影響區(qū)剖面完全熔合、無(wú)裂紋；

圖9 焊接接頭宏觀放大10倍

沖擊試驗(yàn)結(jié)果如下表2，沖擊韌性均滿足要求：

缺口位置試樣尺寸沖擊吸收功KV8 /J平均值焊縫中心線10×5×55 108，99，105 104熔合線97，103，115 105熔合線+2 71，65，65 67熔合線+5 126，142，144 137

焊接接頭維氏硬度測(cè)試結(jié)果均小于300HV10，滿足規(guī)格書要求。

5.2 點(diǎn)蝕試驗(yàn)

對(duì)焊接接頭按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM G48進(jìn)行點(diǎn)蝕試驗(yàn)，點(diǎn)蝕試驗(yàn)溫度為40±2℃。試驗(yàn)周期為24小時(shí)。試件表面無(wú)腐蝕坑，點(diǎn)蝕腐蝕率均小于4g/m2，氯化鐵點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

5.3 微觀金相檢測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)按照金相組織分析試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)粗磨、精磨、拋光、腐蝕。采用40% NaOH溶液電解腐蝕(電解電壓7-8V)，在光學(xué)顯微鏡下觀察組織并通過(guò)500X下光學(xué)顯微鏡拍照發(fā)現(xiàn)：母材、焊縫和熱影響區(qū)組織為奧氏體和鐵素體，且晶界清晰，沒有連續(xù)的沉淀物，碳化物、氮化物、金屬間相總和不超過(guò)0.5%。

5.4 鐵素體含量試驗(yàn)

鐵素體試樣經(jīng)過(guò)拋光后，用40%氫氧化鈉溶液電解浸蝕（7-8V）。然后觀察母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的金相組織，圖10。分別從母材區(qū)，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)選取10個(gè)區(qū)域進(jìn)行相比例計(jì)算，每個(gè)區(qū)域通過(guò)100個(gè)柵格點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，結(jié)果滿足35-65%要求。

圖10 焊接接頭鐵素體柵格圖-500X

6 結(jié)論

通過(guò)上文高效焊接組合坡口焊接試件，試件的根部成型良好，相關(guān)的焊接工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出如下3條結(jié)論：

（1）采用高效焊接組合坡口焊接試件，可以得到性能優(yōu)良的焊接接頭，抗拉強(qiáng)度、硬度和韌性均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（2）高效焊接組合坡口便于焊工在操作時(shí)控制焊縫根部成型厚度，降低焊工打底焊接操作難度，大量節(jié)省組對(duì)時(shí)間。

（3）該組合坡口熔敷金屬截面積小，焊材及保護(hù)氣體消耗較少，現(xiàn)場(chǎng)加工需要專用的坡口機(jī)，需要較強(qiáng)的坡口預(yù)制能力，合格的坡口形式能提高安裝效率，降低組對(duì)難度，適合于規(guī)?；┕?。