CN100525980C - 22Cr双相不锈钢管道焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种22Cr双相不锈钢耐蚀合金管道的焊接方法，采用在管子内部焊缝两侧≥100mm范围通99.995%的纯Ar、98～99%Ar+1～2%N₂混合气或90～95%N₂+5-10%H₂混合气，在氧含量≤50ppm时打底焊，填充和盖面焊，焊接填充金属熔敷组成按重量百分比为：C≤0.04、Cr为22.0-23.5、Ni为8.5-10.5、Mo为3.0-3.5、Mn为0.5-2.0、Si≤0.9、P≤0.04、S≤0.03、N为0.15-0.20、Cu≤0.75；得到铁素体和奥氏体平衡的金相组织，接头的拉伸性能和低温冲击韧性良好，耐氯离子点蚀、应力腐蚀和模拟环境介质的腐蚀性能优良。

Description

22Cr双相不锈钢管道焊接方法

技术领域

本发明涉及一种输送石油天然气的不锈钢合金管道的焊接方法。

背景技术

管道运输是一种安全、经济和不间断的大规模的石油天然气的输送方式，管道广泛用于石油天然气输送和化工等工业领域中，许多管道因腐蚀性要求需要采用耐蚀性材料。双相不锈钢于20世纪30年代开始在工程中应用，但由于材料、焊接等问题，一直没有大规模应用。直到20世纪70年代，随着冶金技术进步和发现氮元素对双相不锈钢的重要作用，开发了第二代新型的含氮双相不锈钢，材料的焊接性改善，才使双相不锈钢开始在国外大量在工业中应用，20世纪90年代开始在国内也开始逐步大量使用。22Cr是第二代双相不锈钢其中一种，用途最为广泛，主要的合金元素是Cr、Ni、Mo和N，其重量百分比为～22％的铬、～5％的镍、～3％的钼和～0.15％的氮，其显微组织为约50％的铁素体和约50％的奥氏体，具有优良的力学性能和耐蚀性能，在石油天然气输送、海洋工程、化学工业等行业具有广阔的应用前景，石油和天然气工业目前采用双相不锈钢材料铺设的油气输送管线长度已超过850公里，其中约400公里属于海上油田，绝大部分为22Cr。22Cr双相不锈钢的成分、组织和性能有很多特点，必须掌握才能更好、安全地使用。焊接是金属管道连接的主要形式，也是主要的工作，许多特点和关键技术需要在工程应用中引起重视。

中国发明专利(名称：双相不锈钢焊接工艺，编号：CN03140209.7)公开了一种双相不锈钢焊接工艺，采用钨极氩弧焊打底和热焊，药芯焊丝气体保护焊填充和盖面，并给出焊接设备型号、焊接材料牌号、保护气成分和流量、焊接工艺参数等细节。该技术的不足之处：1、该焊接工艺的打底焊和热焊(第二层)的熔池保护气采用纯氩，可能使焊接熔池在高温下脱氮，从而使焊缝金属的氮含量降低，而该种金属采用氮作为一种合金元素，对保证组织和耐蚀性能起非常重要作用；2、填充和盖面的焊接药芯焊丝气体保护焊方法，根据国外资料介绍，采用这种方法焊缝成型不良，操作难度大，容易产生焊接缺陷。该方法焊接时要加保护气体，焊接质量对风很敏感，在现场野外施工环境下，保证焊接质量的难度较大；3、未给出焊接温度下限要求，在现场低温环境中和管子厚度较大情况下，可能使焊接接头产生铁素体含量过高的显微组织，影响接头的力学性能和耐蚀性能；4、关于焊缝背面保护，只给出保护气流量和通气时间，未给出背面氧含量的控制要求，接头背面可能产生严重的氧化，影响耐蚀性能；5、焊接工艺参数给出了具体的电流、电压、焊速范围，但未限制焊接线能量参数，而线能量是焊接工艺很重要的参数，仅给出电流、电压、焊速范围并不能保证线能量参数符合要求；6、焊接工艺仅给出8～10mm和18～22mm材料厚度范围的工艺参数，未考虑其它材料厚度所用的工艺参数；7、即使控制很严格，由于各种因素，接触介质的内焊缝及热影响区也难免存在不同程度的氧化现象，影响材料的耐腐蚀性能，而该工艺未提出处理办法。

随着国民经济的发展，需要大量的能源，尤其是天然气清洁能源。随着“西气东输”天然气管道的建成，天然气资源成为迫切问题。新疆塔里木盆地克拉2气田含有丰富的天然气，但是天然气凝结水中含有浓度很高的腐蚀性介质，对管道有很强的腐蚀性，因此管道材料选用力学性能和耐蚀性良好的22Cr双相不锈钢材料。22Cr双相不锈钢在我国油气管道中应用还是首次，在国外如此大规模使用也极少见。天然气管道的施工，焊接是最主要、最关键的工作之一，尤其对这种新材料而言焊接难度大，有许多技术问题需要研究解决。

发明内容

本发明的目的是针对22Cr双相不锈钢管道的焊接关键，提出了一套技术方案，采用该技术方案，制定详细的施工工艺，保证管道施工质量。

该技术方案包括：

(1)采用单面V形坡口对接焊缝，坡口角度α：管子壁厚t小于等于6mm的为75±5°，管子壁厚t大于6mm为65±5°，坡口钝边p：1.0±0.5；组对间隙b：3.0±0.5mm；焊接位置为实际工程中遇到的各种位置。

(2)采用保护装置或可溶于水的纸在焊缝两侧形成密封小室，小室内部通99.995％的纯Ar，或98～99％Ar+1～2％N₂的混合体，或90～95％N₂+5-10％H2混合气作为焊缝背面的保护气体，用精度为10ppm的测氧仪测量，当氧含量低于50ppm(0.005％)时进行打底焊。打底焊完后进行填充和盖面焊，内部保护气一直通到焊缝厚度达到6mm以上才可取消。

(3)打底焊和热焊(第二层)采用的焊接方法为钨极惰性气体保护电弧焊(简称TIG)，焊枪所通的保护气体为Ar+1-2％N₂％的混合气体，保护气流量为8～15l/min。

(4)对壁厚小于等于6mm的管子，全用TIG焊焊满，对壁厚大于6mm的管子，其余焊层用手工电弧焊(简称SMAW)填充和盖面焊。

(5)TIG和SMAW所用焊接材料熔敷金属的的化学成分范围见表1。

表1  焊接填充金属熔敷金属的化学组成(重量百分比)

 

C	Cr	Ni	Mo	Mn	Si	P	S	N	Cu
										≤0.04	22.0-23.5	8.5-10.5	3.0-3.5	0.5-2.0	≤0.9	≤0.04	≤0.03	0.15-0.20	≤0.75

(6)焊接工艺参数焊接工艺参数通过线能量控制，焊接过程必须测量并控制。焊接线能量(计算公式：线能量(kJ/mm)＝60×电流(A)×电压(V)/焊速(mm/Min)/1000)要求根据管子壁厚而变化，对壁厚6mm及其以下，线能量范围为0.5～1.0KJ/mm；对壁厚7～10mm，线能量范围为0.7～1.5KJ/mm，对壁厚10mm以上，线能量范围为0.8～2.0KJ/mm。

(7)焊接预热和层间温度要求，一般情况不需预热，但是，当环境温度低于10℃时，对施焊部位100mm范围预热到50～80℃。焊接层间温度限制在150℃以下，但对壁厚12.7～19.1mm的管子，最佳的焊接层间温度为70～150℃。当管子壁厚超过20mm，焊前应对工件预热到100℃以上，层间温度控制在100～150℃范围。

(8)焊接完成后，尽量采用酸洗，去除内氧化层，并形成钝化膜。在酸洗不可能进行的情况下，对管径大于323的管道焊缝，采用爬行小车、电力或风力驱动的不锈钢丝轮进入管道内部对氧化层进行清理；对管径小于323的管道焊缝，在焊接过程中要严格控制内部保护气体的氧含量，并进行实时监测。

(9)除进行正常的X射线和液体渗透外，用铁素体仪对焊缝及热影响区的铁素体含量进行测定，焊缝铁素体含量控制在30～60％范围，热影响区铁素体含量控制在30～70％范围。

发明效果

22Cr双相不锈钢管道大规模在油气管道焊接应用是一项世界级的技术，焊接工艺十分复杂，工程质量要求非常严格。焊接一道焊口，要经过在管内安放气体保护装置，充入氩气，氧含量检测，氩弧焊打底和热焊，手弧焊填充和盖面，焊接温度测量，焊前、焊中和焊后清理等等十多道工序才能完成，焊缝须进行100％的探伤检查。

采用该技术进行22Cr双相不锈钢管道的焊接，可以得到铁素体和奥氏体平衡的金相组织(焊缝铁素体含量在30～60％之间，热影响区铁素体含量在30～70％之间)，接头的拉伸性能和低温冲击韧性良好，耐氯离子点蚀、应力腐蚀和模拟环境介质的腐蚀性能优良。

该技术用于塔里木油田克拉2气田地面工程管道建设，在22Cr双相不锈钢管道的焊接过程中工作进展顺利，焊缝探伤一次合格率达98％，焊接质量良好。该气田于2004年底建成投产，是西气东输工程主力气源，每天供气能力超过1000万立方米。运行2年多来，输送天然气约100亿方，创造了巨大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1焊接坡口示意图

t为管子厚度；

α为坡口角度；

p为坡口钝边

b为组对间隙

具体实施方式

以D508×15.9mm规格的2205双相不锈钢的焊接试验结果为例，说明该技术的实施方案。

焊缝按照发明内容的方案进行焊接，主要焊接试验条件见表2。焊后对焊缝进行了X射线探伤，结果符合SYJ4056—93《石油天然气钢质管道对接焊缝射线照相及质量分级》及Q/SY TZ0110-2004《2205双相不锈钢材料焊接施工及验收规范》要求。

探伤完毕后对焊缝解剖取样，进行理化性能检验，主要性能试验结果见表3，符合Q/SY TZ0110-2004《2205双相不锈钢材料焊接施工及验收规范》，焊缝具有良好的力学性能和抗腐蚀性能。

表2  D508×15.9管道环焊缝焊接试验条件

表3  D508×15.9管道环焊缝主要理化性能试验结果

Claims (1)

1、一种22Cr双相不锈钢管道焊接方法，其特征在于：

(1)采用单面V形坡口对接焊缝，坡口角度α：管子壁厚t小于等于6mm的为75±5°，管子壁厚t大于6mm为65±5°，坡口钝边p：1.0±0.5；组对间隙b：3.0±0.5mm；

(2)采用保护装置或可溶于水的纸在管子内部焊缝两侧≥100mm范围形成密封小室，小室内部通99.995％的纯Ar、98～99％Ar+1～2％N₂混合气或90～95％N₂+5-10％H₂混合气，当小室内氧含量≤50ppm时打底焊，打底焊完成后进行填充和盖面焊，内部保护气一直通到焊缝厚度≥6mm方可取消；

(3)打底焊和第二层热焊为钨极惰性气体保护电弧焊，焊枪所通的保护气体为98～99％Ar+1～2％N₂混合气，保护气流量为8～15l/min；

对壁厚≤6mm的管子，用钨极惰性气体保护电弧焊焊满，对壁厚≥6mm的管子，焊层用手工电弧焊填充和盖面焊；

焊接填充金属熔敷金属的化学组成按重量百分比分别为：C≤0.04、Cr为22.0-23.5、Ni为8.5-10.5、Mo为3.0-3.5、Mn为0.5-2.0、Si≤0.9、P≤0.04、S≤0.03、N为0.15-0.20、Cu≤0.75；

焊接的线能量参数控制：壁厚≤6mm，线能量范围为0.5～1.0KJ/mm；壁厚7～10mm，线能量范围为0.7～1.5KJ/mm；壁厚≥10mm，线能量范围为0.8～2.0KJ/mm；

焊接预热和层间温度：环境温度≤10℃时，施焊部位100mm范围预热温度为50～80℃；焊接层间温度≤150℃，对壁厚12.7～19.1mm的管子，焊接层间温度为70～150℃；当管子壁厚≥20mm，焊前应对工件预热到100℃以上，层间温度控制在100～150℃范围；

焊缝铁素体含量控制在30～60％范围，热影响区铁素体含量控制在30～70％范围；

(4)焊接完成后，采用酸洗，去除内氧化层，形成钝化膜，在酸洗不可能进行的情况下，对管径大于323mm的管道焊缝，采用爬行小车、电力或风力驱动的不锈钢丝轮进入管道内部对氧化层进行清理；对管径小于323mm的管道焊缝，在焊接过程中要严格控制内部保护气体的氧含量，并进行实时监测。

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