CN101462193B

CN101462193B - 薄层铁镍基合金碳钢复合管焊接方法

Info

Publication number: CN101462193B
Application number: CN2009100763280A
Authority: CN
Inventors: 魏斌; 白真权; 尹成先; 李发根; 赵新伟; 马秋荣; 冯耀荣
Original assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2029-01-09
Also published as: CN101462193A

Abstract

本发明涉及一种薄层铁镍基合金碳钢复合管焊接方法，在复合管端部加工台阶；在台阶表面采用氩弧焊堆焊和修磨堆焊层；加工坡口；采用钨极氩弧焊沿焊缝管周均匀点焊三点定位，采用钨极氩弧焊在根部打底焊；采用手工电弧焊在第二层打底焊上部进行填充焊接和盖面焊接；焊接材料化学成分重量百分比为C：0.02～0.1％，Si：0.2～1.0％，Mn：1.0～2.2％，Cr：20.0～31.5％，Ni：40.0～60.0％，Mo：8.0～14.5％，Cu：0.5～2.5％，Co：0～5.0％，Nb：0.3～4.2％，剩余量为Fe；焊缝具有对错边不敏感，耐蚀性好，强度高和塑韧性好特点。

Description

薄层铁镍基合金碳钢复合管焊接方法

技术领域

本发明涉及一种内衬层为薄壁铁镍基耐蚀合金与基层为碳钢的双金属复合管的环焊缝焊接方法。

背景技术

近年来开发的一种由碳钢材料作为外管，以铁-镍基耐蚀合金材料作为内衬管构成的双金属复合管可有效地解决了高含H₂S和CO₂、高含Cl^-和含有机硫等恶劣腐蚀环境油气输送管道的腐蚀问题，具有广泛的用途。本发明所述的铁-镍基耐蚀合金是指含镍重量百分比大于30％，且小于55％的合金材料。内衬层通常选取UNS N08028、UNS N08825、UNS N06985等铁-镍基耐蚀合金。内衬层厚度通常为0.3～3毫米。这类薄壁内衬层双金属复合管的现场焊接的技术难度大，经中国专利检索尚未发现以薄层铁镍基合金或镍基合金为内衬层的双金属复合管环焊缝焊接方法。现有针对以一般不锈钢为内衬层的双金属复合管的焊接技术焊接效率低，射线探伤合格率低，严重影响了双金属复合管的成功应用。

现有焊接技术有以下三种：第一种技术是中国专利公开号为CN1354061A的专利提供的三步焊接法，第一步是先进行内壁复层的焊接，第二步进行过渡层焊接，第三步是基层的焊接，焊接材料全部用不锈钢，该技术的缺陷有三点：(1)复层厚度较薄(小于2毫米)时，第一层焊接时容易产生烧穿内衬层，(2)焊接内衬层时，由于热收缩，导致内衬层与基层分离形成缝隙，在第二步过渡焊接时容易产生缺陷；(3)复层与基层之间存在的空气、水或其他杂物在过渡层焊接时有可能在焊缝中造成气孔缺陷。第二种技术是中国专利公告号为CN1267234C的专利提供的两步法焊接技术，焊缝分为过渡层焊缝和基层焊缝，两步焊接而成，无单独的不锈钢复合层焊缝，过渡焊缝的焊接材料采用不锈钢材料，低碳钢基层焊缝的焊条采用低碳钢焊条，该技术的主要缺陷有两点：(1)在第一步过渡层焊接时，制管过程中内衬层与基层之间存在的空气、水或杂物在过渡层焊接是可能造成气孔缺陷，从而造成焊缝的耐蚀性能的严重下降；(2)进行第二步基层焊缝焊接时，采用碳钢成分的焊接材料在不锈钢成分的过渡层焊道上焊接，复层焊区会二次受热，不仅容易产生热裂纹，而且会导致内衬层焊区铬的析出，形成淬硬的马氏体组织，影响接头的塑性、韧性和耐腐蚀性能。第三种技术是中国专利公告号为CN101100013A的专利提供的先封焊再多道焊接技术，该技术是在坡口靠近内衬层的钝边表面堆焊2～3层，堆焊的方法是钨极氩弧焊，堆焊封使用的材料为309型或309Mo型不锈钢气体保护焊焊丝。该项技术缺陷是封焊层较薄，封焊层与碳钢的界面处于复合管的横向，多道焊接，因反复受热会导致界面处金相组织和化学成分发生变化，封焊焊缝被基层碳钢稀释后容易产生一定量的马氏体淬硬不良组织，严重时还可能产生裂纹缺陷。

这三种技术还有一个共同的缺陷就是提供的焊接材料不适合以铁-镍基耐蚀合金或镍基合金材料为内衬层的双金属复合管的焊接。

发明内容：

本发明的目的是提供一种薄壁以铁-镍基耐蚀合金或镍基合金材料为内衬层与碳钢基层的复合管环焊缝焊接方法，克服现有焊接技术不适用于内衬层厚度小于2毫米的复合管焊接；封焊层与碳钢的界面处反复受热而导致金相组织和化学成分发生变化，产生裂纹的不足；焊接材料不适合以铁-镍基耐蚀合金或镍基合金材料为内衬层的双金属复合管的焊接。

实现本发明目的所采取的技术方案是：

(1)台阶加工：采用机加工方法将两根准备焊接的双金属复合管端部加工出一个台阶3(如图1所示)，台阶的宽度a为基管1壁厚1～8倍，台阶高度b为内衬层2厚度的2～8倍。台阶加工完毕，采用抛光机清除掉毛刺，并采用丙酮清洗掉台阶上的油污。

(2)封焊：在台阶3表面堆焊直至与内衬层齐平(如图2所示)，堆焊的方法是钨极氩弧焊，堆焊使用的材料为ENiCrMo型镍基合金气体保护焊焊丝，焊后采用抛光机修磨堆焊层。

堆焊时焊接电流为55～70安培，电压为10～15伏特。

(3)坡口加工：采用机加工方法在两根经封焊后的双金属复合管端部加工出角度为30～35°的外坡口5，坡口5靠近复层2的钝边6的厚度为2～5毫米。用砂轮打磨坡口5附近碳钢上的锈迹，采用丙酮清洗坡口5上的油污。

(4)组对：如图3所示，在双金属复合管内部充氩气，待空气排除干净后，两根准备焊接的双金属复合管坡口5组对，间距为2～3毫米，采用钨极氩弧焊沿焊缝管周均匀点焊三点定位，所用焊接材料与步骤(2)相同。

(5)根部打底焊：采用钨极氩弧焊方法，在管子内部充氩保护的状态下沿双金属复合管坡口5焊接。焊接的厚度2～3毫米，所用焊接材料与步骤(2)相同。

封焊和根部打底焊所用焊接材料为ENiCrMo型镍基合金气体保护焊焊丝，化学成份重量百分比为：C：0.02～0.1％，Si：0.2～1.0％，Mn：1.0～2.2％，Cr：20.0～31.5％，Ni：40.0～60.0％，Mo：8.0～14.5％，Cu：0.5～2.5％，Co：0～5.0％，Nb：0.3～4.2％，S和P含量均小于0.03％，剩余量为Fe。

根部打底焊时焊接电流为55～70安培，电压为10～15伏特。

(6)第二层打底焊焊接：在根部打底焊的上部，采用与步骤(5)根部打底焊同样的工艺进行第二层焊接。

(7)填充焊和盖面焊：采用手工电弧焊方法在第二层打底焊上部进行填充焊接和盖面焊接，焊接材料为ENiCrMo型镍基合金焊条。

填充焊和盖面焊所用焊接材料为ENiCrMo型镍基合金焊条，化学成份重量百分比为：C：0.02～0.1％，Si：0.2～1.0％，Mn：1.0～2.2％，Cr：20.0～31.5％，Ni：40.0～60.0％，Mo：8.0～14.5％，Cu：0.5～2.5％，Co：0～5.0％，Nb：0.3～4.2％，S和P含量均小于0.03％，剩余量为Fe。

填充焊和盖面焊时焊接电流为110～130安培，电压为14～18伏特。

本发明的优点是：1)封焊消除了坡口端部内衬层和基层之间存在的缝隙，避免了夹层存在的空气或杂物在过渡层焊接时可能造成气孔缺陷，(2)采用台阶式封焊增加了增加端部内衬层的有效厚度，不仅使焊接接头质量对错边不敏感，而且，由于封焊层与碳钢的界面处于复合管的轴向，多道焊接不会导致该界面处金相组织和化学成分发生变化，避免了淬硬马氏体不良组织的形成以及产生冷裂纹的可能性。(3)采用单种焊接材料，ENiCrMo型镍基合金焊接材料具有较高的Cr、Ni、Mo含量，焊缝具有比内衬层更好的耐蚀性，而且具有高的强度和良好的塑韧性，

本发明提供的技术不仅生产工艺简便，而且避免了常规焊接方法容易出现的气孔、夹渣、未焊透等缺陷，大大提高了焊接质量，使焊接一次射线探伤合格率达到98％以上。

附图说明：

图1是本发明完成台阶加工后的复合管一端剖面示意图。

图2是本发明完成封焊后加工坡口前的复合管一端剖面示意图。

图3是本发明复合管加工坡口后，组对焊接前的结构剖面示意图。

图中，1-基层，2-内衬层，3-台阶面，4-封焊层，5-坡口，6-钝边，a-台阶的宽度，b-台阶高度。

具体实施方式：

下面将结合实例进一步阐明本发明，但实例并不限制本发明的保护范围。

实施例1：

以外径为168毫米的双金属复合管相对焊接为例，进行说明。基层材质为L360NCS，基层厚度为16毫米，内衬层材质为UNS N08028，内衬层厚度为1.5毫米。

按照本发明所述的技术方案按以下步骤具体实施：

实施例1的具体焊接主要参数见表1。

(1)台阶加工：采用机加工方法将两根准备焊接的双金属复合管端部加工出一个台阶3(如图1所示)，台阶的宽度a为基层1壁厚2倍，即32毫米，台阶高度为内衬层2厚度的3倍，即4.5毫米。台阶加工完毕，采用抛光机清除掉毛刺，并采用丙酮清洗掉台阶上的油污。

(2)封焊：在台阶3表面堆焊直至与内衬层齐平(如图2所示)，堆焊的方法是钨极氩弧焊，堆焊使用的材料为ENiCrMo-11型气体保护焊焊丝，焊后采用抛光机修磨堆焊层4。

堆焊所用ENiCrMo-11型焊丝的化学成份重量百分比为：C：0.03％，Si：1.0％，Mn：1.5％，Cr：29.5％，Ni：36.5％，Mo：5.5％，Cu：1.8，Co：5.0％，Nb：1.0％，W：2.5％，Fe：余量，S和P含量均小于0.03％。

(3)坡口加工：采用机加工方法在两根经封焊后的双金属复合管端部加工出角度为30～35°的外坡口5，坡口5靠近复层2的钝边6的厚度为3毫米。用砂轮打磨坡口5附近碳钢上的锈迹，采用丙酮清洗坡口5和钝边6上的油污。

(4)组对：如图3所示，在双金属复合管内部充氩气，待空气排除干净后，两根准备焊接的双金属复合管坡口5组对，采用钨极氩弧焊沿焊缝管周均匀点焊三点定位。定位焊所用焊丝与步骤(2)相同，为ENiCrMo-11型焊丝。

(5)根部打底焊：采用钨极氩弧焊方法，在管子内部充氩保护的状态下沿双金属复合管坡口5焊接。焊接的厚度3毫米，打底焊所用焊丝与步骤(2)相同，为ENiCrMo-11型焊丝。

(7)填充焊和盖面焊：采用手工电弧焊方法在第二层打底焊上部进行填充焊接和盖面焊接，焊接材料为ENiCrMo-11型焊条。

所用ENiCrMo-11型焊条的化学成份重量百分比为：C：0.03％，Si：1.0％，Mn：1.5％，Cr：29.0％，Ni：37.0％，Mo：5.0％，Cu：1.8％，Co：5.0％，Nb：1.0％，W：2.5％，Fe：余量，S和P含量均小于0.03％。

实施例2：

以外径为为114毫米的双金属复合管相对焊接为例进行说明。基层材质为L360QC，基层厚度为12毫米，内衬层材质为UNS N08825，内衬层厚度为0.5毫米。

按照本发明所述的技术方案按以下步骤具体实施：

焊接主要参数见表2。

(1)台阶加工：采用机加工方法将两根准备焊接的双金属复合管端部加工出一个台阶3(如图1所示)，台阶的宽度a为基层壁厚3倍，即36毫米，台阶高度为内衬层厚度的6倍，即3毫米。台阶加工完毕，采用抛光机清除掉毛刺，并采用丙酮清洗掉台阶上的油污。

(2)封焊：在台阶3表面堆焊直至与内衬层齐平(如图2所示)，堆焊的方法是钨极氩弧焊，堆焊使用的材料为ENiCrMo-3型镍基合金的气体保护焊焊丝，焊后采用抛光机修磨堆焊层。

堆焊所用ENiCrMo-3型焊丝的化学成份重量百分比为：C：0.1％，Si：0.75％，Mn：1.0％，Cr：21.5％，Ni：56.5％，Mo：9.0％，Cu：0.5％，Nb：3.5％，Fe：余量，S和P含量均小于0.03％。

(3)坡口加工：采用机加工方法在两根经封焊后的双金属复合管端部加工出角度为30～35°的外坡口5，坡口5靠近复层2的钝边6的厚度为3毫米。用砂轮打磨坡口5附近基管上的锈迹，采用丙酮清洗坡口5和钝边6上的油污。

(4)组对：如图3所示，在双金属复合管内部充氩气，待空气排除干净后，两根准备焊接的双金属复合管坡口5组对，采用钨极氩弧焊沿焊缝管周均匀点焊三点定位，定位焊所用焊丝与步骤(2)相同，为ENiCrMo-3型焊丝。

(5)根部打底焊：采用钨极氩弧焊方法，在管子内部充氩保护的状态下沿双金属复合管坡口5焊接。焊接的厚度3毫米，打底焊所用焊丝与步骤(2)相同，为ENiCrMo-3型焊丝。

(7)填充焊和盖面焊：采用手工电弧焊方法在第二层打底焊上部进行填充焊接和盖面焊接，焊接材料为ENiCrMo-3型镍基合金焊条。

填充焊和盖面焊所用ENiCrMo-3型焊条的化学成份重量百分比为：C：0.1％，Si：0.75％，Mn：1.0％，Cr：22.0％，Ni：55.5％，Mo：9.0％，Cu：0.5％，Nb：3.5％，Fe：余量，S和P含量均小于0.03％。

实施例3：

以外径为为114毫米的双金属复合管相对焊接为例进行说明。基层材质为L360QC，基层厚度为12毫米，内衬层材质为UNS N06985，内衬层厚度为1.0毫米。

按照本发明所述的技术方案按以下步骤具体实施：

焊接主要参数见表3。

(1)台阶加工：采用机加工方法将两根准备焊接的双金属复合管端部加工出一个台阶3(如图1所示)，台阶的宽度a为基层壁厚3倍，即36毫米，台阶高度为内衬层厚度的4倍，即4毫米。台阶加工完毕，采用抛光机清除掉毛刺，并采用丙酮清洗掉台阶上的油污。

(2)封焊：在台阶3表面堆焊直至与内衬层齐平(如图2所示)，堆焊的方法是钨极氩弧焊，堆焊使用的材料为ENiCrMo-10型镍基合金的气体保护焊焊丝，焊后采用抛光机修磨堆焊层。

堆焊所用ENiCrMo-10型焊丝的化学成份重量百分比为：C：0.02％，Si：0.2％，Mn：1.0％，Cr：21.0％，Ni：55.0％，Mo：13.0％，Cu：0.5％，Fe：余量，V：0.35％，W：3.0％，S和P含量均小于0.03％。

(4)组对：如图3所示，在双金属复合管内部充氩气，待空气排除干净后，两根准备焊接的双金属复合管坡口5组对，采用钨极氩弧焊沿焊缝管周均匀点焊三点定位，定位焊所用焊丝与步骤(2)相同，为ENiCrMo-10型焊丝。

(5)根部打底焊：采用钨极氩弧焊方法，在管子内部充氩保护的状态下沿双金属复合管坡口5焊接。焊接的厚度3毫米，打底焊所用焊丝与步骤(2)相同，为ENiCrMo-10型焊丝。

(7)填充焊和盖面焊：采用手工电弧焊方法在第二层打底焊上部进行填充焊接和盖面焊接，焊接材料为ENiCrMo-10型镍基合金焊条。

填充焊和盖面焊所用ENiCrMo-10型焊条的化学成份重量百分比为：C：0.02％，Si：0.2％，Mn：1.0％，Cr：21.0％，Ni：55.0％，Mo：13.0％，Cu：0.5％，Fe：余量，V：0.35％，W：3.0％，S和P含量均小于0.03％。

对按此工艺进行的焊接试件的质量按照SY/T 4103-1995《钢质管道焊接及验收》标准进行评价，X射线探伤结果合格，拉伸、冲击、弯曲、刻槽锤断等力学性能试验结果合格，晶间腐蚀试验结果合格，金相组织检验未发现马氏体组织存在。

表1焊接工艺参数

表2焊接工艺参数

表3焊接工艺参数

Claims

1.一种薄层铁镍基合金-碳钢复合管焊接方法，其特征在于：所采取的焊接步骤是：

①台阶加工：采用机加工方法将两根准备焊接的双金属复合管端部加工出一个台阶，台阶的宽度(a)为基管壁厚1～8倍，台阶高度为内衬层厚度的2～8倍，台阶加工完毕，采用抛光机清除掉毛刺，并采用丙酮清洗掉台阶上的油污；

②封焊：在台阶表面堆焊直至与内衬层齐平，堆焊的方法是钨极氩弧焊，堆焊使用的材料为ENiCrMo型镍基合金的气体保护焊焊丝，焊后采用抛光机修磨堆焊层；

③坡口加工：采用机加工方法在两根经封焊后的双金属复合管端部加工出角度为30～35°的坡口，坡口靠近内衬层的钝边的厚度为2～5毫米，用砂轮打磨坡口附近碳钢上的锈迹，采用丙酮清洗坡口上的油污；

④组对：在双金属复合管内部充氩气，待空气排除干净后，两根准备焊接的双金属复合管坡口组对，间距为2～3毫米，采用钨极氩弧焊沿焊缝管周均匀点焊三点定位；

⑤根部打底焊：采用钨极氩弧焊方法，在管子内部充氩保护的状态下沿双金属复合管坡口焊接，焊接的厚度2～3毫米，打底焊所用焊丝为ENiCrMo型镍基合金气体保护焊焊丝；

⑥第二层打底焊焊接：在根部打底焊的上部，采用与步骤⑤根部打底焊同样的工艺和焊接材料进行第二层焊接；

⑦填充焊和盖面焊：采用手工电弧焊方法在第二层打底焊上部进行填充焊接和盖面焊接，焊接材料为ENiCrMo型镍基合金焊条；

2.根据权利要求1所述的薄层铁镍基合金-碳钢复合管焊接方法，其特征在于：钨极氩弧焊所用焊接材料为ENiCrMo型镍基合金气体保护焊焊丝，化学成份重量百分比为：C：0.02～0.1％，Si：0.2～1.0％，Mn：1.0～2.2％，Cr：20.0～31.5％，Ni：40.0～60.0％，Mo：8.0～14.5％，Cu：0.5～2.5％，Co：0～5.0％，Nb：0.3～4.2％，其余为铁。

3.根据权利要求1所述的薄层铁镍基合金-碳钢复合管焊接方法，其特征在于：手工电弧焊所用焊接材料为ENiCrMo型镍基合金焊条，化学成份重量百分比为：C：0.02～0.1％，Si：0.2～1.0％，Mn：1.0～2.2％，Cr：20.0～31.5％，Ni：40.0～60.0％，Mo：8.0～14.5％，Cu：0.5～2.5％，Co：0～5.0％，Nb：0.3～4.2％，其余为铁。

4.根据权利要求1所述的薄层铁镍基合金-碳钢复合管焊接方法，其特征在于：封焊时焊接电流为55～70安培，电压为10～15伏特。

5.根据权利要求1所述的薄层铁镍基合金-碳钢复合管焊接方法，其特征在于：根部打底焊时焊接电流为55～70安培，电压为10～15伏特。

6.根据权利要求1所述的薄层铁镍基合金-碳钢复合管焊接方法，其特征在于：填充焊和盖面焊时焊接电流为110～130安培，电压为14～18伏特。