摘要：本文通过海外某油田地面工程项目Incoloy825+X52 NS复合钢管道的焊接实例，分别从Incoloy825合金的材料特点、化学成分、物理性能、材料焊接性及复合钢焊接特点进行分析，系统介绍了焊接方法、材料选用、焊接技术、安全质量控制措施及焊接条件和过程中的安全注意事项，为同类材质的焊接提供一定的借鉴。
关键词：Incoloy825+X52 NS；复合钢；焊接技术；安全质量
执行的海外某油田地面工程项目，原油介质高含硫、高含盐、高含碱，腐蚀性高。原有石油耐酸X52NS PSL2级管道在投产运行一年的时间里产生了严重腐蚀的问题。对此强腐蚀性介质，管道改造工程采用了Incoloy825+X52 NS复合钢管道。因为复层金属Incoloy825镍基合金特殊的焊接性及复合钢的焊接问题，给施工带来了较大的难度。
在高腐蚀介质的苛刻使用条件下，焊接质量好坏直接关系到管道能否长期安全稳定运行，Incoloy825+X52 NS复合钢管道焊接是该工程施工的关键。由于焊接性特殊，焊接操作难度大，焊接质量要求极高，因此，Incoloy825+X52复合钢管道的焊接要求采用先进合理的焊接工艺、良好的管理以及全方位的安全质量过程控制措施。
1 Incoloy825镍合金性能及化学成分
Incoloy 825合金是全奥氏体镍铁铬合金，并添加了铜和钼，高镍成份使合金具有有效的抗应力腐蚀开裂性，在氧化和还原环境下都具有很好的抗酸和碱金属腐蚀性能。Incoloy825镍合金的化学成分和力学性能见表1。
表1 Incoloy825镍合金的化学成分和力学性能
2 Incoloy825镍合金的焊接性及复合钢焊接特点
2.1 Incoloy825合金焊接时，焊缝金属易产生热裂纹。热裂纹通常以弧坑裂纹和焊道裂纹的形式出现，有时也在焊缝及热影响区以显微裂纹出现。裂纹的产生是冶金杂质和应力共同作用的结果。在焊接过程中硅（Si）和氧等形成复杂的硅酸盐，在晶界间形成一层脆的硅酸盐薄膜，在焊缝金属凝固过程中或凝固后的高温区，形成高温低塑性裂纹。因此S、P、Si是Incoloy825合金中最有害的元素。Incoloy825合金导热性差，焊接热量不易散，出现容易过热，造成晶粒粗大，使晶间夹层增厚，减弱了晶间结合力，还能使焊缝金属的液固存在时间加长，促进了热裂纹的形成。
2.2 复合钢的焊接不仅包括基层和复层的焊接，而且在基层和复层焊缝的交界处还需要进行过渡层的焊接。基层X52和复层Incoloy825镍合金在物理性能、化学成分上存在较大差异。复合钢板焊接接头不但要保证力学性能，而且还要保证所要求的耐蚀性能等。但基层和复层交界处的焊接属于异种金属的焊接，并且形成的过渡层焊缝成分、组织更加复杂。并且由于导热系数、热膨胀系数差异较大，焊接接头在冷却过程中，复层Incoloy825镍合金比基层金属收缩变形大，而基层金属却强烈束缚着过渡层金属的收缩。因此复合钢焊接的有着较大的难度。焊接裂纹是复合钢焊接最主要的缺陷，解决焊接裂纹问题是复合钢焊接的关键。
3 Incoloy825+X52镍合金复合钢管道焊接技术
3.1焊接方法
本管道改造工程应用的管道主体规格为φ406×9.53+3mm，管径较大，管道较厚，为了充分保证焊缝质量、性能及焊接效率，复层和过渡层采用钨极氩弧焊焊接，基层采用焊条电弧焊方法。
过渡层的焊接属于异种材料焊接。它是保证复合钢管道焊接质量的关键，也是焊接难度较大的区域。焊接过渡层时，要在保证熔合良好的情况下尽量减少基层金属的熔入量，为此采用过渡层氩弧焊封焊的方法，封焊后再进行管道的焊接
3.2焊接材料选用
焊材的正确使用是保证高温合金钢Incoloy825+X52镍合金复合钢管道焊接质量的前提。一般情况下，焊接材料分别按基层、复层来选择。因管道的管径主要为406mm，只能先焊接复层，再依次焊接过渡层和基层。为了保证焊缝的组织性能，焊材均选用了镍基材料，焊丝为ERNiCrMo-3，焊条为ERNiCrMo-3。
焊接材料验收合格并标识后入库储存，焊材库必须干燥通风，库房内不得存放有害气体或有腐蚀性介质，焊接材料应放在架子上，架子离地面高度和离墙面距离应不小于300mm，焊材库内应设温度计、湿度计，库内温度不应低于5℃，相对湿度不超过60%。
焊条使用前应按产品说明书要求进行烘干，焊条烘干时，焊条摆放应有利于均匀受热；焊条烘干时应防止骤冷骤热而导致药皮开裂或脱落，烘干的温升速度应有利于药皮潮气排放干。烘好的焊条领出后应放在保温筒中，随用随取。焊条在保温筒中放置时间超过4h，应重新进行烘干，但烘干次数不得超过两次。
3.3焊接工艺评定
为了充分验证所拟定的焊件焊接工艺的正确性，保证焊缝的抗腐蚀性能，焊前进行了焊接工艺评定。除了常规的机械试验外，增做了化学成分、硬度、金相等试验，特别进行了硫化物应力腐蚀（试验SSC）、氢致开裂试验（HIC）。
3.4 焊接坡口
坡口形式和尺寸要满足易于保证焊接接头的质量、填充金属量少、便于操作等原则。现场采用了U型坡口如图1，为了保证接头质量和尺寸上的要求，复合管的坡口采用机械加工工艺。
图1 坡口形式
3.5焊前清理
焊前，将管接头端边缘不少于40mm处范围内及焊丝表面的油污、水分、氧化膜及其他赃物清理干净。以上经处理的管端及焊丝表面，都应用洁净的白绸布蘸用不含硫的丙酮擦净脱脂处理。焊接时，焊接中水分、油脂、油污、氧化物及其他杂质会严重影响焊接接头的质量，因此焊丝、焊接坡口及其附近区域必须清理干净，清理的洁净程度要比不锈钢、铝的焊前清理要严格。
3.6焊接操作
3.6.1 对于Incoloy825+X52 NS镍合金管道复层的焊接，氩气保护至关重要。为防止氩弧焊时背面焊道表面氧化而降低焊缝质量影响耐腐蚀性能，打底焊缝及第一层填充焊道背面必须采取充氩保护措施。充氩保护可采用整体充氩或部分充氩两种方法，尽可能采用部分充氩，以免造成浪费。焊接前，管内提前充氩，并保持微弱正压和流动状态，确认管内空气被清除干净后方可焊接。焊接时氩气流量应适当降低，保持平稳，以免焊缝背面因氩气吹托在成型时出现凹陷。正确选择焊接工艺参数是保证焊接质量的关键，焊接时采用小电流、高焊速的焊接规范，层间温度不得大于200℃。
3.6.2 Incoloy825高温合金在焊缝液态金属流动性很差，焊缝不像碳钢那样，焊缝金属容易湿润展开，即使增大焊接电流也不能改进焊缝金属的流动性，反而起到反作用。由于Incoloy825合金液态焊缝金属的流动性差，不易流到焊缝两边，因此具有良好的焊缝形貌。在焊接时，需要采用摆动工艺，但是应该是小幅度摆动，摆动距离不能超过焊条及焊丝直径的2.5倍。
4 质量控制
在焊接过程特中应注意清洁保护。坡口加工后用塑料薄膜包裹，避免污染。焊接前用丙酮清洁复层坡口及其附近区域，并用丙酮对焊丝、钨极进行清洗擦拭，去除油脂、油漆、灰尘和其他杂质，防止大量气孔的产生。
预制和焊接过程中，施工人员的手套、衣服等用品要保持清洁，以免发生污染，影响焊接质量。施焊场地要尽量设置在室内或专用的焊接预制场，严禁涂漆作业，环境应保持清洁，干燥，室温不应低于5℃，并严格控制空气的对流，以免影响保护气体的保护效果。室外焊接时必须搭设防风棚。
5 安全控制
焊接分为地面、高空、受限空间等多种状态下的施焊作业。先将安全作业环境作为焊接前的首要考虑因素，因此要进行作业前的危害因素辨识和分析评估，地面焊接要清除周围杂物，焊接物件和管道处于固定状态，周边的作业状态对施焊人员不造成直接影响。对于长输管道的焊接有就位后的固定口焊接，其安全条件要求高，应保证安全人员在下沟作业的所有安全措施，包括沟坑满足放坡要求，不会构成坍塌风险，机械设备应远离到坑道的安全距离以外，不得在施焊人员附近，沟内受限空间施焊作业应按照要求办理动火作业许可，现场配备足够的消防器材和安排专人进行旁站监护。受限空间内焊接作业，还要提前进行气体检测等措施，安全措施落实后才能实施。总之，在焊接作业前应充分考虑和注意对人的保护，必须具备安全的长输管道焊接作业环境和作业条件。
6 结语
实践证明：在进行Incoloy825+X52 NS复合钢管道焊接时，充分考虑材料的焊接性及安全的作业环境和平台，选择合适的焊接方法和焊材，认真执行焊接工艺，加强对焊接清理、气体保护等细节上控制，才能确保焊接质量满足产品使用要求，确保人员焊接作业过程中的人身安全。本工程焊接实例为以后Incoloy825+X52 NS复合钢的焊接及类似复合钢的焊接积累了经验。
参考文献：
[1]郭会民，13CrMoR+ Incoloy825复合板的焊接工艺，《火箭推进》，2010年8月，第36卷第4期，53-53页
论文作者:孙怀飞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/29
标签：作业论文; 裂纹论文; 焊条论文; 合金论文; 金属论文; 质量论文; 管道论文; 《基层建设》2019年第14期论文;