镍铁合金复合管气体保护焊工艺研究

胡 伟 高永杰

中国石油天然气第七建设公司 山东胶州 266300

随着全球能源开采领域向海洋深处或高含H2S CO2 CL-等强腐蚀介质油气田延伸，应用双金属复合管可有效解决单一金属材料的工程腐蚀问题，发挥其在苛刻腐蚀介质环境下的“安全、经济”优势，如我国海洋油气工程、新疆牙哈气田工程、迪那气田工程及四川达州普光气田工程近年均开始应用镍合金复合管。双金属复合管将在日益成熟的工程材料研发技术下广泛推广。研究镍合金复合管气体保护焊技术，对提高焊接自动化水平和施工生产效率具有积极意义。

1 材料焊接性

试验用镍铁合金复合管（L360QS+ N08825）规格为273 mm×(7.1+3)mm，基层L360QS 钢属低微合金调质抗酸钢，具有高强度、高韧性、抗脆断及抗低浓度H2S 腐蚀的能力；内复3mm 厚N08825 合金层采用离心铸造和挤压工艺成型，具有优于一般不锈钢的高温抗氧化性能和抗腐蚀性能，主要功能是隔离腐蚀介质对管道的破坏，设计安全服役期内保证管道功能的完好性。L360QS+ N08825 冶金复合管理论化学成分见表1，力学性能见表2。

基层L360QS 材料温度敏感性强，焊接易产生延迟裂纹，焊前预热、层间温控、消氢热处理和消应力热处理工艺要求严格。N08825 属Ni- Fe- Cr 系耐蚀合金，室温组织为奥氏体，材料20～100℃线胀系数接近于奥氏体不锈钢，约是碳钢的1.2 倍，导热性较钢材差（导热率约为碳钢的1/ 4、不锈钢的1/ 2）。因为复合管管径及构造特殊性的限制，普遍采用单面焊双面成型的施焊工艺，依次完成耐蚀层、过渡层和基层的焊缝金属填充。结晶裂纹、合金氧化、过热区晶粒粗大、晶间腐蚀、点蚀是焊接主要问题，尤其是过渡层的铁、碳及其他有害元素的扩散，将提高根焊层晶间腐蚀和点蚀几率，降低焊接接头有效耐蚀厚度，缩短工程材料安全服役寿命。

2 焊接工艺设计

2.1 焊接方法

表1 L360QS+N08825冶金复合管理论化学成分（质量分数）

表2 L360QS+N08825冶金复合管力学性能

表3 焊接保护气特性

利用气体作为电弧介质并保护焊接区域的气体保护焊具有电弧和熔池可见性好、焊接效率高的优点。虽然钨极惰性气体保护焊和熔化极气体保护焊都能进行薄壁构件的焊接（焊接厚度1mm 材料），但根据复合管施焊次序及镍合金材料焊接线能量输入要求，焊接接头根部及热焊（过渡）层采用操控简单、热输入小，且高频引弧及电流衰减收弧技术成熟的钨极氩弧焊（TIG），以保证焊缝金属的优良质量和性能；基层坡口的填充及盖面采用生产效率高的熔化极惰性气体保护焊（MIG）。

2.2 焊接保护气

保护气类型对焊接接头质量起着关键作用。根据材料焊接特点、焊丝种类及焊接电源特性的不同，保护气划分为单一组分保护气和混和保护气两类。单一组分保护气主要包括氦气、氩气、二氧化碳，焊接过程发挥惰性或活性的保护作用；混和保护气是对氩气、氦气、氧气、氢气、CO2等气体进行不同摩尔数的组合，焊接过程发挥从属气体的活性或还原性作用。各种焊接保护气特性见表3。

镍铁合金材料与奥氏体不锈钢具有相近的焊接特性，但适合奥氏体不锈钢焊接用的活性气体保护焊工艺不能用于镍铁合金材料，原因是：氧化性气体烧损大量合金元素，降低焊接接头性能；镍合金熔池的氧化物降低液态金属的流动性和浸润性；二氧化碳气体导致焊缝中碳原子含量增加，生成Cr23C6化合物；高熔点氧化物电位高，易导致原电池反应的点蚀发生；镍合金液态熔池金属流动性差，药芯焊丝适用性差。因此，镍铁合金材料不宜采用氧化性气体作为焊接保护气。

2.2.1 氩气

氩气高温不发生分解或吸热物理反应，焊接电弧稳定，弧柱电位梯度低，利于镍合金焊接采用脉冲弧焊电源。氩气可有效隔离空气，保护材料合金元素在焊接高温下不被氧化或烧损，且促使熔化极气保焊丝金属呈稳定的轴向射流方式过渡。氩气难溶于液态金属，不产生气孔缺陷。

2.2.2 氦气

相同电弧长度下，氦气的电弧电压和电弧温度均高于氩气，据资料介绍，钨极氦弧焊速度高于钨极氩弧焊近两倍。氦气密度相对氩气小，纯氦保护气下的焊接电弧不稳定（不适于脉冲电源），并生成大量飞溅物。利用氦气可具有提高电弧电压及高温收缩的特性，在氩气中混合10～15%的氦气制取具有优点共存的惰性保护气，较好改善液态金属浸润性和边缘熔合不良的状况，通过降低焊丝直径或采用脉冲电源，可进一步提高镍合金焊丝的操控性，但价格昂贵的混氦惰性气体，需要综合考虑施工成本及气体来源的便捷性。

2.2.3 氮气

来源广泛且具有惰性气体特质的氮气相对氩气成本更低，其可以作为奥氏体管材焊接背部保护气。氮会降低Cr 在钢中的扩散系数，阻碍碳化物形核及长大，从而提高晶界的铬浓度。采取氮气背部保护的镍铁合金焊接接头的外观检查、RT 检测、理化试验及腐蚀试验结论均能符合设计及规范要求。氧气密度大于氮气，水平管道焊口双点（10 点和2 点）同步排气法较高点（12点）排气法更能利用氮气的物理特性将氧气置换干净，垂直管道焊口的背部保护气则应选择惰性气体。

2.2.4 氢气

氢气能与熔池中的氧化镍发生反应：NIO+2H→NI+H2O↑，作为背部保护气可使根焊道内表面色泽明亮。氢气具有提高电弧电压、热功率及高温收缩的特性，氩气中混和2～5%的氢气可增加焊缝金属熔深和熔宽尺寸，国内核电工程的镍合金材料焊接较多应用。氢在面心立方晶格奥氏体钢的溶解度大于体心立方晶格铁素体+ 珠光体钢的溶解度，所以，混氢保护气仅适用奥氏体材料或镍铁合金根焊焊枪保护或根焊背部保护，基层材料焊接严禁采用混氢保护气，避免铁素体钢出现氢脆危害。镍合金由液态向固态转变过程，H2溶解度大大降低，试验数据表明，氢气的存在可抑制CO 气孔的生成，含量大于5%的混合保护气容易引起焊缝气孔。

2.3 焊接材料

根据异种钢焊接工艺规程及设计文件要求，焊接接头全部选用熔敷金属具有优良焊接工艺性和综合机械性能的ERNi-CrMo- 3 焊丝（化学成分代号NiCr22Mo9Nb）。焊材理论化学成分及力学性能见表4。

表4 ERNiCrMo-3焊丝理论化学成分及力学性能

如果非海洋工程应用，异种钢焊接接头的电位差点蚀问题不需考虑。所以气田工程选择ERNiCrMo- 3 实心焊丝具有以下优点：

(1) 熔敷金属塑性良好，可消减镍铁复合管基层和复层材料因线胀系数差异而产生的焊接应力；

(2) 铁、碳元素含量低，可提高复层焊接接头抗晶间腐蚀和点蚀能力；

(3) 有益合金元素高含量，较好解决基层MIG 焊高热输入的合金元素烧损和稀释问题；

(4) 替代基层材料焊后热处理方案，避免复层焊缝金属在低敏化温度区间晶界析出Cr23C6化合物；

(5) 无需考虑镍合金高粘度熔池的脱渣问题。

2.4 焊接坡口

镍合金材料焊接熔深一般只有低碳钢的50%左右，奥氏体钢的60%左右，纯材管通常采用大角度V 型坡口保证焊缝金属熔透，而镍铁合金复合管焊接关键是保证焊接接头质量，严格防止基层铁碳元素向根焊层金属扩散，所以设计的J 型坡口根部为鸭舌状，基层为20°窄V 型结构，无间隙组对。J 型坡口结构及焊接顺序见图1。

图1 J型坡口结构及焊接顺序

精度要求高的复合管J 型坡口可一次机加工成型，通过验证具有以下优点：底部鸭舌状结构保证根部焊透且耐蚀层厚度最大化；根焊加强高与鸭舌坡口形成的大夹角结构保证热焊熔透；过渡层圆弧结构便于根焊操作及根焊缝质量目视检查；基坡口利于焊缝金属侧熔及减少熔敷金属填充量；无间隙组对作业效率高，背部保护气对液态熔池成型影响小。

2.5 焊接参数

镍铁合金与奥氏体不锈钢焊接工艺要求相近，但镍基合金熔池表现为更差的浸润性和流动性，熔融金属马拉贡尼特性导致的浅熔深还不能通过提高焊接电流的方式改善，因为高热输入导致过度偏析、碳化物沉淀或其他有害冶金现象发生，更容易引起热裂纹或降低耐蚀性。严格控制焊接过程的杂质来源，采用“小规范、单道快速焊”的技巧控制焊接层间温度，防止基层铁碳元素扩散及合金元素氧化的措施可有效提高焊接接头质量，杜绝内复层焊接接头晶间腐蚀和点蚀发生。

表5 焊评试验标准

3 焊评试验及缺陷控制

通过大量试件制取、试验及工艺改进，有效解决镍基复合管焊接过程中明显的晶间腐蚀、点蚀、裂纹，氧化及气孔等问题，按工艺制取的焊评试样通过设计检验标准，焊评试验标准见表5。

3.1 气孔

镍合金在液态下大量溶解氧、氢、CO 等气体，镍合金由液态转变为固态的溶解度下降和熔池速凝是气孔产生的主要原因。

应对措施：焊前清净坡口内外两侧50mm 范围内的油垢、油漆、水分等；焊接环境风速大于2m/ s 时加设防风措施；禁止在湿度大于80%的环境下施焊；温度低于0℃的母材坡口两侧100mm 区域加热至15～20℃；氩气体纯度不低于99.99%，含水率小于0.005%；采用聚乙烯塑料管替代橡胶管输送保护气。

3.2 未熔合

镍合金熔池具有“浸润性差、流动性差、熔深浅”的特点，采用小焊接规范作业易形成熔合不良缺欠。

应对措施：采用脉冲电源增加焊缝熔深及电弧挺度；延长焊缝边缘电弧停留时间；采用较细焊丝提高焊接操控性；适当增加坡口角度；焊工岗前培训，提高技能水平。

3.3 结晶裂纹

镍合金固态为单项奥氏体组织，有害杂质铅、硫、磷、锌和某些低熔点元素生成低熔点共晶物，焊缝或热影响区在焊接应力和温度作用下导致开裂。应对措施：焊前清除坡口及其附近的油污、油漆等杂质；严格控制焊材有害元素含量；严格控制焊接现能量及层间温度；采用小电流快速焊方式减少焊接热输入；管道无应力组对；清洁空气中的金属粉尘。

3.4 耐蚀失效

根焊缝高电位合金氧化物、沉淀碳化物及热焊金属稀释等因素均导致根焊金属抗点蚀、晶间腐蚀能力和时效下降。

应对措施：严格焊接工艺纪律，杜绝基层铁碳元素过渡到根焊金属层；与焊缝接触的作业工具为奥氏体不锈钢材质；焊接环境、仓储环境做好防铁碳污染措施；机械法清除焊缝层间氧化物及焊枪端部氧化焊丝；采用高纯度焊接保护气，背部保护气在热焊后方可停气；热焊采用小电流、浅熔深、快速单道焊方式完成；管道内壁错变量控制在0.25mm 以内；根焊及热焊尽可能采用热丝TIG 工艺；控制镍合金材料及焊材的含碳量；超标根焊缝缺陷采取割口方式返修。

3.5 焊缝氧化

试验证明，层间温度大于110℃、保护气体纯度低于99.99%或背气氧含量超过500ppm，焊缝表面氧化变色或渣化，同时力学性能可能变差。

应对措施:采取提前送气、滞时停气的保护措施；焊枪喷嘴后侧辅加保护气体拖罩；采用经验证的高纯度保护气；控制背部保护气氧量不大于300ppm；做好施焊环境的防风措施；根焊及热焊层厚度合计大于6mm，方可撤除背氩保护。

4 结束语

复合管基层和复层材料属于异种金属，焊接接头既要保证内复层焊缝耐蚀性，又要保证基层焊缝力学性能，相比单一材质管线焊接施工难度大的主要原因是我国双金属复合管产品应用较晚，施工单位接触复合管焊接时间短、数量少、经验缺，导致施工速度慢、焊缝合格率低的问题突出。通过焊接实践证明，镍基复合管采用气保焊工艺具有电弧在保护气压缩下热量集中、影响区窄、焊接效率高、焊接材料节省且利于焊接自动化技术推广的优点，随着科学技术的突飞猛进和现代工业的迅速发展，双金属复合管将在更多领域得到广泛应用，气保焊接技术将不是复合管施工技术发展的瓶颈。

1 SH/ T3611- 2012 酸性环境可燃流体输送管道焊接规程：8～11.

2 SH/ T3523- 2009 石油化工铬镍不锈钢、铁镍合金和镍合金焊接规程：6～8.

3 不锈钢焊接冶金（德）埃里希。福克哈德：15～30.

4 李超等，镍及镍合金耐腐蚀性分析及应用.1003- 3467（2011）14/ 16- 0018- 04.

5 吴伟,陈佩寅,张锐.镍基焊接材料高温失塑裂纹的研究现状及研究趋势[J].焊接,2005(5):5～8.

6 郑光明等，国外复合管的制造和施工技术（1）国外油田工程，2001（1）：24～25.