双金属复合管自动焊技术现状及展望

姚学全，闫 臣，郭静薇，杨 叠

（中国石油天然气管道科学研究院有限公司，河北廊坊065000）

0 前言

随着对能源需求的增加，油气田开发逐渐转向深层、高温、高压、高腐蚀性等恶劣环境。传统碳钢材料腐蚀严重，给油气田安全生产运行带来严重威胁。使用耐蚀合金与碳钢复合而成的双金属复合管是解决油气开采及运输过程中腐蚀问题一个安全又经济的选择。双金属复合管是管壁由两层具有各自特性的金属材料通过特定的工艺手段结合成一体的具有综合特性的新型钢管，覆层金属一般根据腐蚀环境选择，基层金属选择能保证力学性能的碳钢或合金钢材料。

1 双金属复合管的国内外应用现状

1.1 国外应用现状

国外对双金属复合管的研究开展较早，大部分已有先进成熟的制造工艺。美国石油协会（API）已经制定了抗腐蚀合金复合钢管或衬管规范（API 5LD）。世界上最早进行双金属复合管开发制造的公司是德国Butting公司，也是目前最知名的双金属复合管制造企业，其产品成熟，技术完善，尤其是机械复合管制造处于世界领先地步，并且在液压胀接法及复合板焊接中也占有主导地位，目前该公司生产的复合管已有上千km应用于世界各国的海底和陆上油气管道。日本长野工业公司采用UOE工艺制造的Cu-Ni合金复合管具有优良的耐海水腐蚀性和可焊性，广泛用于海水淡化系统的海水引入管等。日本山阳特殊钢公司和日本新日铁公司的复合管则主要通过粉末冶金法制备。英国的PROCLAD公司生产的双金属复合管也在全球许多国家得到应用。维尔汉姆公司在江苏苏州的工厂有堆焊复合管试验产品，由于技术垄断，价格极其昂贵[1-2]。

1.2 国内应用现状

经过20年的发展，国内的双金属复合管凭借其竞技性和优良的耐蚀性能在油气田用管材领域迅速成长。目前主要的双金属复合管制造企业有西安向阳航天材料股份有限公司、河北新兴铸管、四川惊雷科技、浙江久力等。国内累计应用双金属复合管为2 000 km。近年来四川油建在牙哈成功焊接双金属复合管、大庆油建在迪那成功焊接气田双金属复合管以及中石化十建在普光成功焊接双金属复合管的实例，都说明我国在双金属复合管焊接领域已取得重大技术突破[3]。

1.3 双金属复合管的焊接

复合管的焊接属于异种钢焊接，由于两种材质物理化学性能不同，焊接接头中容易产生应力、气孔、夹渣等焊接缺陷。另外熔敷金属的合金成分浓度梯度变化较大，后一道焊接稀释了前一道熔敷金属，导致焊接接头淬透性增大，易产生裂纹等缺陷。在焊接时需防止耐蚀层的合金元素和碳钢层的Fe、C等元素发生扩散，造成合金元素的稀释，降低焊接接头的耐蚀性。焊接时不仅要考虑焊接热输入量，还要保证不同材料之间的冶金关系，通过合金元素的控制来获取理想的微观组织。

目前，国内多以小管径的内衬不锈钢机械复合管为主，焊接方法主要采用钨极氩弧焊和焊条电弧焊。焊接时，重点考虑覆层的根焊以及覆层与基层相邻部分的过渡层的焊接。覆层选用与其成分相同的焊接材料作为填充材料，过渡层通常采用合金成分高一级别匹配的模式，基层焊材与基层管强度匹配。对于镍基复合管，中原油建曾在四川普光气田工程中采用了直径小于等于219mm的小管径镍基机械复合管，焊接方法为手工钨极氩弧焊。国外已有大口径金属复合管施工业绩，且已开发出相应的自动焊焊接设备和工艺，选用与覆层成分相同或者高一个级别的焊接材料填充整个对接焊缝[4-7]。

2 双金属复合管自动焊技术的发展

双金属复合管的自动焊焊接技术主要有钨极氩弧焊自动焊焊接工艺，可用于根焊、填充、盖面的焊接。例如MAGNATEC公司研制的热丝TIG自动焊焊接设备、AIR-LIQUIDE WELDING公司推出的TIP TIG焊接工艺以及钨极氩弧自动焊等。国外最近开始采用CMT焊、等离子焊重熔等进行根焊。为提高焊接效率，国外已经开发出MIG焊用于填充和盖面，例如法国SERIMAX已经将此类方法成功应用在镍基复合管的管道施工中。

2.1 热丝TIG自动焊焊接技术

热丝TIG焊是在焊丝进入熔池前，将焊丝通电加热到一定温度后进入熔池，熔化焊丝只需消耗很少的电弧能量，电弧能量主要用于熔化母材，这样可以达到焊缝熔深好、焊丝熔化速度快的效果。既保留了氩弧焊本身热输入小、焊接质量高、降低母材稀释率等特点，又提高效率，降低焊工操作难度，解决了管道焊接中焊接速度和焊接质量之间的矛盾。目前，热丝TIG焊已经应用于碳钢、低合金钢、不锈钢和镍基合金等材料的焊接[8-9]。李东[10]采用热丝TIG焊焊接L360QS/N08825双金属复合管，分析研究焊接接头的显微组织和性能。焊接接头的力学性能能够满足使用要求。

2.2 TIP TIG自动焊

TIP TIG在常规TIG焊基础上增加了高频振动的自动送丝机构，使向前送给的焊丝同时具备高频线性振动功能，通过高频振动的焊丝搅拌熔池，有效破坏金属熔池及熔滴表面张力，大幅度提高熔敷速率，使熔池中产生的气体、杂质容易逃逸。并使焊丝在被送入熔池前加热至临近熔化状态，减少焊丝对电弧能量的吸收。由于同时独立控制焊丝预热的能量和焊接电弧的能量，调整了焊接熔池的热输入[11]。杨帆[12]针对中海油某油田铺设的X70/316L双金属复合海管进行了全自动TIP TIG焊接工艺开发。结果表明，工艺效率较高，焊接接头的力学性能和耐晶间腐蚀性能良好，达到使用要求。目前，该项技术已经成功应用到崖城13-4项目、南海番禺35项目、东海平北黄岩项目等海底天然气开发工程所用双金属复合管焊接中，焊接一次合格率最高可达90%以上[13]。

2.3 脉冲钨极氩弧自动焊

脉冲钨极氩弧焊是利用可控的脉冲电流加热熔化工件，每一个脉冲会形成一个点状熔池。它可以精确控制对工件的热输入和熔池尺寸，提高焊缝抗烧穿和熔池的保护能力，易获得均匀的熔池，特别适用于薄板、全位置焊和单面焊双面成形，减小焊接热影响区和焊接变形。焊接过程中熔池金属冷凝快，高温停留时间短，可减小对热量特别敏感材料焊接时产生裂纹的倾向。刘立永[14]采用直流脉冲钨极氩弧焊根焊及热焊焊接工艺，减小了焊接过程中的热输入，减小晶粒组织变大几率，提高焊缝金属的组织稳定性、塑性和韧性。王富铎[15]采用加拿大TIP公司生产的全位置脉冲钨极氩弧焊机对L360QS/316L复合管进行堆焊焊接工艺评定，结果表明，该堆焊工艺在双金属复合管管端堆焊中可获得优质堆焊层，该工艺可应用于双金属复合管管端堆焊领域。在双金属复合管的管端处理方面具有一定的指导意义。

2.4 冷金属过渡焊接技术

冷金属过渡焊接技术（Cold metal transfer）是指将熔滴过渡过程与送丝运动进行数字化协调，当熔池与熔滴发生短路时，短路信号会反馈给CMT焊机的处理器，焊机根据短路信号自动切断电流，同时将信号反馈给送丝机，送丝机根据反馈信号自动抽回焊丝，迫使熔滴与焊丝分离。由于熔滴是在切断电流的状态下“冷”过渡，因此最大程度上消除了飞溅现象。电弧在这种过渡方式下焊接热输入量非常少，可以大大减小焊接变形量，另一方面也减小了合金元素的稀释。堆焊层在2.5mm厚度处，铁含量可控制在2%～5%[16]。因此CMT工艺可以用于双金属复合管的根焊中。在哈萨克斯坦卡沙干“里海”镍基复合管焊接施工中，法国SERIMAX公司使用STX09焊机，采用CMT进行根焊，保护气体为φ（CO2）2%+φ（He）30%+φ（Ar）68%，根焊质量良好。

2.5 无丝自熔

新兴铸管股份有限公司研究院叶丙义院长针对16MnV/Alloy825采用无丝自熔方法进行根焊，即在焊接时不填充焊丝，仅靠钨极的电弧热量将覆层（Alloy825）熔透，保证内层焊缝金属的纯净度，避免焊缝金属与母材的化学成分差异引起的电化学腐蚀，使焊缝的防腐蚀性能与母材一致。缺点是焊接工艺参数范围较窄，对焊接坡口的要求比较苛刻。

2.6 熔化极气体保护焊

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。胡伟[17]以L360QS+N08825镍铁合金复合管为例，采用气体保护焊工艺设计，J型坡口，依次采用TIG焊接工艺完成耐蚀层和过渡层，MAG焊接工艺完成基层的焊缝金属填充。探讨了复合管焊接气孔、氧化、热裂纹、层晶间腐蚀、点蚀等施工问题的影响因素及解决方案，为气保焊工艺的生产应用及施工管理提供参考。张志万[18]介绍普光气田Q245R/N08825镍合金复合管施焊过程中，通过改善坡口形式、控制碳含量熔入覆层，保证了覆层耐腐蚀能力，制定合理的复合层焊接工艺，采用TIG焊根焊、热焊，MIG焊填充盖面的焊接工艺，获得了满足使用性能的焊接接头。

2.7 等离子焊重熔

若采用熔化极脉冲MIG焊根焊，由于MIG焊本身焊接热输入大，熔敷系数高，熔深较浅，覆层熔池不易摊开，并且熔池温度过高，焊缝颜色容易变乌，会降低抗腐蚀性能，不能保证单面焊双面成形。为解决这一问题，在哈萨克斯坦卡沙干“里海”镍基复合管焊接施工中，意大利塞班公司采用脉冲MIG根焊、热焊，然后在内部采用无丝等离子焊重熔，改善MIG焊根焊成形差的问题，然后采用MIG焊进行填充、盖面，提高了焊接效率，焊缝质量良好。

3 结论

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应用。由于自动焊性能优良、高效率、高质量、自动化、智能化的焊接设备及焊接技术将是未来的双金属复合焊接的发展方向。

参考文献：

[1]Rommerskirchen I.New progress caps 10 years of work with bubi pipe[J].World Oil，2005，226（7）：69.

[2]曾毅智，杨斌，孙永兴，等.双金属复合管液压成型有限元模拟与实验研究[J].钻采工艺，2010，33（6）：78.

[3]郭宠晓，张燕飞，吴泽.双金属复合管在强腐蚀油气田环境下的应用分析及其在国内的发展[J].全面腐蚀控制，2010，24（2）：13.

[4]王新.双金属复合管焊接工艺研究与应用[J].电焊机，2011，41（7）：71-73.

[5]朱洪亮.机械式双金属复合管焊接质量控制[J].电焊机，2014，44（11）：52-55

[6]周声结，郭崇晓，张燕飞.双金属复合管在海洋石油天然气工业中的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2011，31（11）：115-116.

[7]赵晨光，彭爱华，马宏伟，等.双金属复合管焊接技术探讨[J].焊管，2013，36（1）：60-63.

[8]赖寿祝.核电站主回路大厚度不锈钢管道的焊接[J].焊接，2004（4）：27-29.

[9]汤建峰.热丝TIG焊在转炉气化冷却烟道制造中的应用[J].电焊机，2009，39（4）：141-143.

[10]李东，尹立孟，朱洪亮，等.825镍基复合管热丝TIG焊接接头组织与性能分析[J].电焊机，2017，47（5）：73-76，103.

[11]王东红，郭江涛，钟炜，等.双金属复合管全自动TT对接焊工艺研究[J].热加工工艺，2014，43（19）：216-217.

[12]杨帆，曹军，杨晓飞，等.X70/316L双金属复合海管全自动 TIP TIG 焊接工艺[J].电焊机，2014，44（11）：36-39.

[13]杨专钊，王高峰，闫凯.双金属复合管环焊工艺及接头强度设计现状与趋势[J].油气储运，2017，36（3）：241-248.

[14]刘立永，唐元生，杨永强.镍基合金复合管道脉冲氩弧焊打底焊接工艺[J].金属加工（热加工），2017（14）：46-48.

[15]王富铎，梁国萍，陈博.脉冲钨极氩弧焊技术在双金属复合管中的应用[J].焊管，2016，39（1）：27-30.

[16]胡刚.CMT焊接技术在复合板换热器法兰堆焊中的应用[J].中国设备工程，2017（1）：123-125.

[17]胡伟，高永杰.镍铁合金复合管气体保护焊工艺研究[J].石油化工建设，2015，37（2）：70-73.

[18]张之万.镍合金复合管道熔化极（脉冲）MIG焊接操作工艺[J].金属热加工，2016（12）：32-34.