工藝與設備

內襯復合鋼管管端封焊到堆焊的改進

楊勤祥

(上海海隆復合鋼管制造有限公司,上海 200949)

摘 要:為了避免管端封焊引起的刺漏事故,通過采用不同基體及焊接材料、不同坡口形式、不同焊接方法進行焊接試驗,并對焊后的管材及焊縫進行硬度測試。測試結果表明,采用不同基體及焊接材料、不同坡口形式、不同焊接方法焊后的硬度值存在很大差異。采用309L Mo 材料封焊,無論選用何種坡口形式,均存在硬度超標問題;采用NiCrMo-3 材料,無論選用封焊還是堆焊,母材、焊縫和熱影響區的硬度都能達到標準要求;堆焊相對于封焊,能夠減少焊接缺陷,避免應力集中,適用范圍更廣且有利于現場施工。建議內襯復合鋼管端部處理方式為管端堆焊。

關鍵詞:復合鋼管;封焊;堆焊;焊接材料;坡口形式;焊縫硬度

內襯復合鋼管作為一種有效的防腐蝕方法在石油、石化等行業已經被大量推廣使用。其管端處理方式最常用的有管端堆焊、封焊和加接純材管環3 種。2014 年前,陸地上復合鋼管端部普遍采用封焊形式,但是,這種方式處理后的內襯復合鋼管有些在使用幾年、甚至幾個月后,對接焊縫熱影響區會出現刺漏現象。經過分析和逐步改進,目前,塔里木油田分公司內襯復合鋼管大多數采用管端堆焊方式,堆焊和對接的焊材一般都采用625 焊材,使用狀況良好,未出現刺漏事故。本研究對內襯復合鋼管管端封焊和管端堆焊的優缺點進行了分析比較,對采用不同基體和焊接材料、不同坡口形式、不同焊接方法焊接后的硬度試驗數據進行了分析,希望對設計、施工及從業者有一定的參考價值。

1 內襯復合鋼管管端封焊工藝

1.1 改進前的封焊坡口形式及其優缺點

最初考慮到加工和裝配的方便,復合鋼管管端處理方式都是基管和襯管不倒坡口直接封焊。封焊完成后再進行30°的坡口加工,封焊坡口形式如圖1 所示。這種方法的優點是只加工一次,比較簡便。但是后來發現這種坡口在現場對接焊和探傷時存在以下問題:

(1)對接焊時封焊焊縫容易焊透,造成環焊縫氣孔。因為先封焊后加工坡口,為了保證坡口的角度,往往在加工過程中會把一部分焊肉去除掉,留下的焊縫焊腳高度會減小。一般加工后實際焊腳高度只有2 mm 左右。在現場對接時,操作人員有時為提高效率,往往不顧工藝規范,采用較大電流,很容易燒穿封焊焊縫,這樣使夾層中的氣體壓力釋放到對接焊縫中,造成氣孔。

(2)對接后射線探傷時出現一圈或不同長度的陰影。在2009 年前,因為內襯和內覆復合鋼管的標準SY/T 6623—2005 對封焊焊縫只要求做滲透探傷,不要求射線探傷。2009 年API 5LD改進后,在對封焊焊縫做射線探傷時,發現封焊焊縫根部有陰影。這種陰影給現場探傷人員造成了很大的困擾,無法準確判斷造成陰影的原因和缺陷的種類。隨后經過切片宏觀檢查分析,發現這種陰影是基管與襯管之間的自然間隙造成的。因為內襯復合鋼管屬于機械結合,無論兩層之間貼合多么緊密,兩層之間總是有間隙的。由于封焊時坡口角度為零,根部熔深很淺,而對接時封焊焊腳接近環焊縫的中心線,所以很難判斷是由于焊工操作造成的未熔合還是封焊的根部間隙。

圖1 封焊坡口形式

1.2 改進后的封焊坡口形式及其優缺點

為了避免以上問題,后期對封焊坡口的工藝做了改進,具體方法是在封焊前先加工30°的V形坡口,然后施焊。改進后的封焊坡口形式如圖2所示,其優點是:因為是先加工坡口,后封焊,焊后對管端坡口表面不再加工,保證了焊角的高度和厚度;同時,焊接層數改為2 層,這樣有效避免了封焊焊縫焊穿的問題。在焊接之前把坡口加工成30°,根部容易熔透,在封焊后做射線探傷,沒有發現陰影。

圖2 改進后的封焊坡口形式

這種坡口不足之處是對接時填充量大,焊接成本稍高。

1.3 改進后的封焊焊縫存在的問題

對于內襯316L 的復合鋼管,后期的封焊工藝基本都按先倒坡口后封焊的方式。現場封焊工藝為:ATS-309L 藥芯焊絲封焊,ATS-316L 藥芯焊絲打底,ATS-309MoL 實心焊絲過渡,AES-309MoL或J507 焊條填充蓋面。改進后射線探傷的問題解決了,但是早期的這種接頭的復合鋼管在施工和使用過程中出現了刺漏事故,圖3 為復合鋼管現場刺漏照片,鋼管規格為Φ114.3 mm~Φ508 mm,基管鋼級L245/L415,襯管為316L。

圖3 復合鋼管現場刺漏照片

通過對存在問題鋼管的宏觀形貌、X 射線探傷、掃描電子顯微分析及開裂區能譜分析,可以看出,此失效復合管環焊縫起裂于襯管與基管封焊處。裂縫沿封焊層和封焊層與過渡層的結合面擴展,并穿過封焊層和過渡層,在填充層的熔合區止裂,環焊縫宏觀形貌如圖4 所示。

圖4 失效復合鋼管環焊縫宏觀形貌

針對鋼管失效的原因,油田建設單位會同管道施工單位及管道設計院從設計、焊接工藝、現場施工、生產制造、環境因素、實驗室分析等方面進行了綜合分析[1]

(1)經過強度校核,設計材質及壁厚等滿足工況壓力要求。

(2)現場焊接工藝采用 ATS-F316L 根焊、ATS-F309MoL 過渡、CHE507 填充和蓋面,強度足夠,但有可能由于Cr、Ni 元素擴散產生馬氏體區域。另外,自保護焊絲打底效果不良,產生內焊縫表面局部氧化。

(3)現場施工存在許多不規范現象,如間隙過窄、砂輪混用、焊前未按規定清洗焊縫處油污、焊后未及時回填等。

(4)生產制造方面主要有制造廠家復合工藝本身局限造成的基管與襯管之間夾層的水氣及其他雜質在封焊前殘留在內,使端口封焊以及對接焊過程中容易產生缺陷(如氣孔、夾渣、咬邊、圓缺、條缺和未融合等),甚至誘發氫脆型延遲裂紋。同時在管材防腐時容易造成管材鼓包、塌陷問題。另外,由于管口為封焊方式,內壁不加工,內徑橢圓度較大,容易造成對口時錯邊量較大,引起應力集中。

(5)環境因素方面主要是新疆地區晝夜溫差較大,焊口未做保溫處理又未及時回填,導致短期內復合管承受較大的熱脹冷縮蠕變應力,復合管回填地勢不平,焊接接頭將產生一定的彎曲應力。兩種應力共同作用,焊接接頭及熱影響區出現裂紋或開裂。

(6)通過實驗室對現場焊接接頭的分析,發現局部出現馬氏體,造成焊接接頭硬度超高。

1.4 封焊硬度試驗及結果分析

管線在服役過程中,硬度是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學性能的綜合指標,硬度的高低直接影響材料應力開裂的敏感性。為了從產品制造方面分析原因,采用不同基管材料、不同坡口形式、不同焊接材料等,針對管材和焊縫的硬度做了大量的試驗,并對試驗結果進行分析。

1.4.1 封焊硬度試驗

隨著材料屈服強度的提高,應力腐蝕的臨界應力和屈服強度的比值下降,即應力腐蝕敏感性增加,材料的斷裂大多出現在硬度大于22HRC(相當于250HV10) 的情況下。大量研究表明,絕大多數鋼的硬度級別越高,其抗H2S 腐蝕性能越差[2]。破壞性事故和試驗數據分析表明,材料的HRC 值越大,臨界應力值與斷裂時間越低。NACE[3]推薦,在含 H2S 介質環境中,所用材料硬度須滿足≤22HRC,若焊縫硬度超過22HRC 時,應采取必要的措施[4]。API 1104[5]附錄 B 和 CSA Z662[6]都表明,服役中的管道焊接HAZ 硬度大于350HV10 時,應當針對氫致開裂做出評價,AS2885.2[7]則明確指出服役中管道的HAZ 硬度不得超過350HV10。為了分析不同基管材料采用不同的封焊材料和工藝后發生的硬度變化,筆者分別采用 L245、L360 和 L415 基材,焊材采用藥芯和實芯 309L(309L 采用不同的含 Mo 量)及NiCrMo-3 分別焊接;工藝上采取焊前預熱和不預熱,開一次坡口和二次坡口 (如圖5 所示) 等措施,焊后對焊縫、熱影響區進行了硬度比較。硬度測試采用HV-10B 小負荷維氏硬度計,加載l0 kg,加載時間 15 s,試驗結果見表 1~表3。

圖5 封焊區硬度試驗用坡口形式

表1 L245 基材,封焊區硬度試驗測試結果 HV10

注:①采用圖2 坡口形式,選用 GTS-309MoL(w(Mo)=2.24%)封焊兩層;
②采用圖2 坡口形式,選用 ATS-F309L(w(Mo)=0.01%)封焊兩層。

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表2 L360 基材,封焊區硬度試驗測試結果(根部不開坡口) HV10

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表3 L415 基材,封焊區硬度試驗測試結果 HV10

注:①坡口加工為 30°,選用 GTS-F309L(w(Mo)=0.01%)封焊兩層;
②坡口加工為 30°,選用 ATS-309L(w(Mo)=2.88%藥芯)封焊兩層;
③焊前預熱150~180 ℃,選用309MoL 焊絲封焊兩層;
④焊前預熱 150~180 ℃,選用 GTS-F309L(w(Mo)=0.01%)焊絲封焊兩層。

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通過表1~表3 可以看出:

(1)選用 309MoL 實芯焊絲封焊,開單次坡口,材質 L245+316L,焊縫、熱影響區硬度都沒有超過 250HV10;選用 L360+316L 進行封焊,復合管焊縫、熱影響區硬度在250HV10 邊緣;而選用L415+316L 進行封焊,試驗結果顯示焊縫區的硬度完全超過了250HV10,焊縫區硬度達到500HV10 以上。

(2)選用 309MoL 藥芯焊絲封焊,無論基管采用L245 還是L360/L415,焊縫區的硬度都遠遠超過250HV10

(3)采取預熱 150~180 ℃后,焊縫區硬度有所下降,但變化不明顯。

(4)如果先開 30°的 V 形坡口,再在根部開5°反向坡口,采用兩層焊,依據 L245 材料數據結果來看,焊縫區的硬度變化不大。

(5)提高焊絲中 Mo 含量,焊縫硬度有所上升。

(6)雙層焊或者單層焊對硬度影響不大。

(7)選用鎳基合金 NiCrMo-3 進行封焊,不需要預熱,也不用在基襯結合點根部開反向坡口,基管材料采用 L245、L360/L415 或 L450 中的任何一種,焊縫區和熱影響區硬度基本都可以控制在270HV10 之內。

1.4.2 結果分析

通常對于封焊材料來說,為了封焊時不降低內襯材料的耐蝕性,一般選用的材料不僅要有利于碳鋼與不銹鋼異種材料的焊接,而且要保證襯層的化學成分受到焊縫金屬的稀釋率盡可能低。對于內襯316L 的復合鋼管,從材料的匹配來講,常規工藝一般選用含Mo 的309L 材料進行封焊,為了保證襯層中Mo含量不降低,有時要求焊材中w(Mo)>2.45%,以防止襯層 Mo 元素的稀釋[8]。所用焊絲材料有藥芯和實芯之分。藥芯可以穩弧,改善操作性能,起保護作用。藥芯焊絲與實心焊絲相比飛濺小、作業性能優,其價格比實心焊絲貴,熔敷效率稍低于實心焊絲,但是熔敷速度比實心焊絲快得多。

對于不同鋼級的管線管材料,按照英國焊接研究所Pargeter 等學者的研究成果,其硬度與屈服強度存在以下關系,即

由此推算,L245、L360、L415 材料的最小 HV10硬度分別為 131HV10、168HV10、185HV10

從計算和實際測量結果來看,L245 的硬度相對于L360 和L415 是最低的,由于 L245 母材硬度偏低,同時其碳當量和冷裂紋系數相對于L360 和L415 也低,所以封焊時,焊縫金屬的硬度雖然相對于母材有所提高,但采用309MoL 焊絲焊接時焊縫金屬的硬度相對于L360 和L415較低。而母材為L360 和L415 的焊縫金屬由于其本身的屈服強度提高,引起母材區域的硬度增大,焊后焊縫和熱影響區硬度局部超過511HV10,而局部的硬點成為應力集中的根源。

對于先開坡口后進行封焊的方法,這種坡口形式夾角大于90°,易焊透,不易出現未熔合。但是由于氬弧焊焊接時因為焊槍角度與水平面夾角成45°,鎢極尖端正對碳鋼(否則易燒穿襯管),這樣熔池中大部分為碳鋼成份,熔池中碳鋼的熔合比遠大于襯層不銹鋼的熔合比,使得第一道熔池內的Cr、Ni 含量遠低于奧氏體不銹鋼而高于碳鋼的水平,其含碳量又接近于碳鋼水平的特殊成分帶,根據不銹鋼舍夫勒組織圖,其焊縫的Cr、Ni 當量落在馬氏體區域,因此不可避免地要出現脆硬的馬氏體組織[9]

采用309L 藥芯焊絲焊接時,雖然可以提高熔敷率和探傷通過率,但是由于Mo 含量很低(w(Mo)=0.01%),焊縫中不能形成鐵素體,從而加大了其轉化為馬氏體傾向;而采用高Mo 的F309L,因Mo 含量高,則相應地提高了焊縫處的碳當量,促成馬氏體的產生。

焊前預熱降低了焊縫接頭的冷卻速度,減小了焊縫熱輸入量,可以從溫度轉變方面防止熱影響區馬氏體的產生,但是封焊過程中由于特殊的坡口形式造成焊縫中Cr、Ni 當量不合適形成的馬氏體,通過預熱是無法改變的,所以難以降低其硬度。

先開 30°的坡口,再開 5°坡口,焊接時熔池中減少了夾角處的碳鋼,從理論上可以保證碳鋼和不銹鋼的熔合比相差不大,但是在焊接第二層時存在與單坡口同樣的問題,只是馬氏體區域轉移位置而已。

NiCrMo-3(N06625)材料屬于鎳基合金,其w(Ni)≥58%。該材料具有優良的耐腐蝕性能和焊接性能。從綜合抗腐蝕性評價,625>825>2205>316L>304[10]。NiCrMo-3 既可以焊接鎳基合金825 和625 等材料,也可以焊接碳鋼與不銹鋼、鎳基合金等異質材料[11]。采用鎳基合金NiCrMo-3材料來封焊時,因為鎳含量較高,Ni 是形成奧氏體的主要元素,此時焊縫的組織為全奧氏體。有資料表明,如果單獨使用Ni 作為不銹鋼合金元素,質量分數達到24%就可以得到全奧氏體組織[12]。結合本次試驗結果,采用 NiCrMo-3 材料來封焊,無論基材采用 L245,還是 L360、L415、L450,其焊縫和熱影響區硬度基本都可以控制在API 5LD[11]或SY/6623 標準要求之內。而其接頭的力學性能及沖擊韌性都不低于母材,完全符合標準要求。

但是一般項目施工中,考慮經濟成本,沒有大量使用NiCrMo-3 來封焊。

2 內襯復合管管端堆焊工藝

2.1 堆焊坡口形式及焊接設備

管端堆焊坡口形式如圖6 所示。

圖6 管端堆焊坡口形式

內襯復合鋼管管端封焊,即使選用625 材料封焊,雖然能夠解決硬度超標問題,但是仍然不能解決封焊本身存在的其他問題,如管端橢圓度和應力集中等。為了解決這些問題,在項目實踐中,將管端封焊改成堆焊,管端封焊過程中出現的許多問題迎刃而解,得到了比較理想的試驗結果。

采用N06625 材料堆焊時,DNV 標準明確規定Fe 的稀釋率必須控制在10%以下[13],所以試驗設備采用POLYSOUDES.A.S 公司的雙鎢極氬弧焊機。資料表明[14],與傳統單鎢極氬弧焊相比,雙鎢極氬弧焊電弧的電弧壓力顯著下降,在滿足相同電弧壓力的前提下,可以選擇更大的電流,使得電弧的產熱量大大提高,進而獲得了比較高的焊絲熔敷率。同時,在同樣的焊接工藝參數下,與常規鎢極氬弧焊相比,雙鎢極氬弧焊電弧壓力小,焊縫熔深淺,深寬比小[15],可以降低焊縫的稀釋率。

2.2 硬度測試結果

試驗選用強度較高的X65 作為基管,直徑219.1 mm,基管壁厚 12.7 mm,襯管材質316L,管端堆焊 NiCrMo-3,焊材執行標準AWS A5.14。焊接過程中,通過外壁加水冷卻,保證焊接區域溫度不大于250 ℃。試驗后通過對母材、焊縫及熱影響區進行彎曲試驗、腐蝕試驗、力學性能、宏觀及微觀金相測試等,各項指標都達到API 5LD 或SY/6623 標準要求,母材硬度低于248HV10,焊縫和熱影響區硬度低于345HV10。堆焊硬度測試位置如圖7 所示,硬度試驗結果見表4。

圖7 堆焊硬度測試位置

表4 堆焊區及過渡區硬度打點位置及測試結果 HV10

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2.3 管端堆焊的優缺點

管端封焊改成堆焊,碳鋼、襯管和焊接材料三者過渡區向后移至距管端30~100 mm 位置處,具有以下優點:

(1)現場對接時管端為冶金結合,無基襯管間隙,避免了對接焊接燒穿焊縫而產生缺陷。

(2)避免了過渡區、一次熱影響區二次受熱,產生馬氏體脆硬的幾率減小。

(3)減小了對接焊縫及熱影響區的應力集中,避免產生應力腐蝕和刀狀腐蝕等。

(4)采用鎳基合金材料堆焊有效避免了焊縫區域的硬度升高。

(5)避免了對接焊縫探傷時由于基襯管夾層的間隙對探傷結果的判定。

(6)管端堆焊后,內壁進行加工,可以有效控制管端內徑及橢圓度公差,減小對接錯邊量,保證耐蝕合金的有效厚度。

(7)管端堆焊后,內壁經過加工內徑尺寸一致,有利于現場使用對口器和內部探傷設備。

(8)管端堆焊的形式幾乎不限材質,使用范圍更廣。

唯一的不足是堆焊成本比封焊高,另外對基管的壁厚要求不小于5 mm。

3 結論及建議

根據以上試驗結果及分析,對于內襯復合鋼管,采用管端封焊的形式,無論基管材料選用L245、L360、L415 還是 L450,襯管 316L,封焊材料為309MoL,無論選用實心焊絲還是藥芯焊絲,坡口為何種形式,在焊縫和熱影響區都會出現硬度超高點而降低管線服役壽命。而采用NiCrMo-3 材料封焊,無論母材、焊縫和熱影響區硬度都能達到標準要求。但是,更換封焊材料后雖然能夠解決硬度超高問題,封焊普遍存在的問題依舊存在,比如焊縫處的應力集中、管端內徑控制不良導致的對接時錯邊量加大等。而且,如果管端封焊采用NiCrMo-3,對接時,焊接材料從強度、腐蝕性、異種材料的焊接性等方面考慮,也必須選擇NiCrMo-3,幾乎沒有其他選擇,焊接成本較高。

而堆焊相對于封焊,更具有優越性。采用封焊形式能夠減少焊接缺陷、避免應力集中、有利于現場施工,且使用范圍更廣。

為了徹底提高焊接質量,提高復合管的服役壽命,建議內襯復合鋼管端部處理方式為管端堆焊。

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Improvement of the Sealing to Surfacing of Lined Steel Pipe End

YANG Qinxiang
(Shanghai Hilong CRA-Lined Steel Pipe Manufacture Co., Ltd., Shanghai 200949)

Abstract: In order to avoid the piercing-caused leakage of pipe end sealing, the welding tests are carried out by using different groove types and welding methods for different base metals and welding materials, and the hardness of welded pipe and weld are tested.The test results show that the hardness of base metals and welding materials with different groove forms and different welding methods are very different.Using 309L Mo for sealing, no matter which groove form is chosen, the hardness exceeds the standard; using NiCrMo-3 material, the hardness of base weld and heat affected zone can meet the standard requirements, no matter it is used for sealing or surfacing, the hardness of base matel, weld and heat affected zone can meet the standard requirements, no matter it is used for sealing or surfacing; compared with sealing, surfacing can reduce welding defects, avoid stress concentration, had wider application and be conducive to site construction.It is suggested that the end of lined composite steel pipe should be surfacing.

Key words: lined steel pipe; sealing; surfacing; welding material; groove forms; weld hardness

中圖分類號:TG441.2

文獻標識碼:B

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2019.8.007

作者簡介:楊勤祥(1965—),大學本科,工程師,長期從事復合鋼管的研究及工藝開發工作。

收稿日期:2018-11-28

編輯:羅 剛

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