镍基合金复合厚壁管的FCAW焊接工艺研究

2023-02-02伍道亮张辉陈学雷师金凤

金属加工(热加工) 2023年1期

伍道亮，张辉，陈学雷，师金凤

1.招商局重工（江苏）有限公司江苏南通 226116

2.招商局邮轮制造有限公司江苏南通 226116

1 序言

近年来，国内的海洋油气开发进入高速发展期，在油气开发装置建造过程中，高压油气输送管道是关键部件之一，由于其涉及H2S、Cl-等各种酸性介质，管道耐蚀性要求高，因此与流体接触的管内壁通常采用Inconel 625镍基合金。而油气输送管道一般设计压力较大，设计壁厚一般超过50mm，为了节省材料成本，同时保证管材强度，通常采用低合金钢管内壁堆焊镍基合金的复合管形式。

根据调研，目前行业内镍基合金复合管通常采用氩弧焊进行焊接，有利于保证焊缝质量、焊接接头力学性能及耐腐蚀性能[1-5]。但考虑到厚壁管的焊接，氩弧焊的焊接效率过低，难以满足项目生产周期，因此为提高焊接效率，本文对镍基合金复合厚壁管的FCAW焊接工艺进行研究，并完成了相关焊接工艺评定试验。

2 试验母材及焊接性分析

试验用管材基层为ASTM A694 F65锻钢材质，管内壁堆焊3mm厚的镍基合金Inconel 625，复合管规格为φ273mm×（54.15+3）mm。ASTM A694 F65锻钢和镍基合金Inconel 625的化学成分见表1，力学性能见表2。

表1 试验管材的化学成分（质量分数）（%）

从表2可看出，镍基合金Inconel 625和F65锻钢材质成分及性能差别很大，而且两者物理性能差异较大（常温条件下，Inconel 625的导热系数为80～90W/m·K，热膨胀系数为8.1×10-6/℃；F65的导热系数为40～50W/m·K，热膨胀系数为12.3×10-6/℃），焊接过程中热量扩散不均匀，导致焊缝组织不均匀，焊接接头产生较大的内应力。同时，镍基合金Inconel 625焊接时，S、Si元素容易在焊缝中偏析形成低熔点共晶体，这些低熔点共晶体汇集于晶界处形成液态薄膜，在应力的作用下容易产生焊接热裂纹。而且，镍基合金Inconel 625合金元素含量高，焊接熔池流动性差，焊缝成形不易控制，易产生夹渣、气孔等焊接缺陷。

表2 试验管材的力学性能

3 焊接工艺

3.1 焊接方法及焊接材料选择

本项目镍基合金复合管壁厚57.15mm，焊接量大，如采用行业内常规的氩弧焊方法，则焊接效率太低。经过多次试验，最终选定氩弧焊（GTAW）打底，药芯焊丝气体保护焊（FCAW）填充、盖面的焊接方法，可大幅提高焊接效率。

根据镍基合金复合管的特点，G TAW 选用ERNiCrMo-3焊丝，FCAW选用ENiCrMo3T1-4药芯焊丝，焊接材料熔敷金属的化学成分见表3。

表3 焊接材料熔敷金属的化学成分（质量分数）（%）

3.2 坡口设计

为减少厚壁管的焊接量，对焊接接头进行坡口优化设计，如图1所示。优化后的坡口形式，可节省30%的焊接工作量。复合管的下料及坡口采用冷加工完成，保证焊前坡口质量。

图1 焊接坡口形式

3.3 焊接参数

打底焊道采用GTAW工艺，保证单面焊双面成形，填充至8mm深度后，更换为FCAW工艺，焊接过程采用多层多道焊，具体焊接参数见表4。

表4 镍基合金复合管焊接参数

3.4 焊接过程注意事项

由于镍基合金复合厚壁管焊接时拘束应力大，因此为避免出现冷裂纹，焊前对接头进行预热，预热温度≥65℃，整个焊接接头预热均匀，焊接过程中的层间温度不低于预热温度。同时在打底和热填充焊道完成前，焊接过程应连续进行，不得中止焊接。

为保证根部焊接质量，防止管内壁的镍基合金堆焊层氧化，影响耐腐蚀性能，焊接前对管内壁进行充氩保护，氧气含量≤100ppm（1ppm＝10-6）时，方可开始焊接。焊接过程中需对背保护气体的氧气含量进行实时监测，在完成8mm深度后，才能停止充氩。

另外，因为镍基合金的合金含量高，焊接熔池流动性差，所以FCAW焊接时容易出现未熔合、夹渣等缺陷。为保证焊接质量，应对焊工进行专项焊接培训，确保熟练掌握焊接操作技能。盖面焊道应采取小热输入、小摆幅焊接，盖面的最后焊道应在焊缝中心位置完成[6-10]。

为了消除镍基合金复合厚壁管的焊接应力，同时满足NACE MR0175：2015《用于石油及天然气工业含H2S腐蚀环境的材料规范》要求的接头硬度值，焊后需进行焊后热处理，热处理温度为580～600℃，保温2～3h。

通过以上焊接工艺优化，焊接一个φ273mm×（54.15+3）mm的镍基合金复合管的对接接头，焊接时间由原42h缩短为24h，大幅度提高了焊接效率。

4 试验结果及分析

4.1 宏观分析

焊后48h对焊缝进行MT+PAUT检测，结果合格，未发现未熔合、裂纹、气孔及咬边等缺陷。对焊接接头进行宏观腐蚀试验，其宏观照片如图2所示。从图2可看出，焊缝坡口两侧熔合良好，焊接接头成形良好。

图2 焊接接头宏观照片

4.2 力学性能分析

对焊接接头进行力学性能试验，拉伸试验为室温拉伸，取样2组，试验标准参照ISO 6892-1：2019《金属材料拉伸试验，第一部分：室温拉伸试验方法》；冲击试验采取-46℃低温冲击，取样位置分别为焊缝表面及根部的焊缝（WM）、熔合线（FL）、熔合线+2mm（FL+2）、熔合线+5mm（FL+5），试验标准参照ISO 148-1：2016《金属材料缺口冲击试验方法》；硬度试验参照NACE MR0175：2015《用于石油及天然气工业含H2S腐蚀环境的材料规范》要求，进行各个区域的硬度试验。焊接接头各项力学性能的试验结果见表5～表7。

表5 拉伸试验结果

表6 冲击试验结果

表7 硬度试验结果（HV10）

根据试验结果可知，拉伸试验时断裂于母材，证明焊接接头的抗拉强度大于母材强度；焊接接头在-46℃的冲击试验结果均满足验收要求（≥45J）；接头硬度试验结果满足NACE MR0175：2015《用于石油及天然气工业含H2S腐蚀环境的材料规范》要求。

以上结果表明，此镍基合金复合厚壁管焊接接头具有良好的力学性能。

4.3 耐腐蚀性能分析

根据ASTM G48：2011《使用三氯化铁溶液做不锈钢及其合金的耐麻点腐蚀和抗裂口腐蚀性试验的标准方法》中方法 A要求，对复合管堆焊层的焊接接头进行取样，先在60℃的20%HNO3+5%HF溶液中酸洗5min，干燥称重，放置于90g FeCl3·6H2O +900mL去离子水中，保温40℃，浸泡24h后，对失重率进行测量，试验结果见表8。由表8可知，所有试样的失重率均＜4g/m2，满足标准要求。所有试样在20倍放大镜下观察，表面无可见明显腐蚀点。试验结果表明，复合管堆焊层的焊接接头具有良好的耐腐蚀性能。