CN103331327A

CN103331327A - 一种双金属复合管环焊缝焊接方法

Info

Publication number: CN103331327A
Application number: CN2013102013035A
Authority: CN
Inventors: 李为卫; 刘亚旭; 许晓锋; 方伟; 贾君君; 杨扬; 徐婷
Original assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-05-27
Also published as: CN103331327B

Abstract

本发明公开了一种双金属复合管环焊缝焊接方法，属于金属材料焊接技术领域。该方法对双金属复合管的不锈钢复层和碳钢基层进行封焊，形成封底焊缝；对不锈钢复层打底焊缝，形成复层焊缝；随后在复层焊缝上焊接不锈钢过渡层焊缝，在不锈钢过渡层焊缝上采用微碳纯铁焊材进行隔离层焊缝焊接，形成隔离层焊缝，使不锈钢复层和所述碳钢基层完全隔离，最后对碳钢基层进行焊接，形成基层焊缝。本发明克服现有双金属复合管焊接技术采用碳钢或低合金钢焊材在不锈钢过渡层上焊接产生的淬硬性层，降低成本，提高焊缝的质量，保证焊接接头的耐蚀性能和管道的安全可靠运行，是一种经济、有效、方便、灵活的复合管焊接技术。

Description

一种双金属复合管环焊缝焊接方法

技术领域

本发明属于金属材料焊接技术领域，特别涉及一种双金属复合管环焊缝焊接方法。

背景技术

外壁管为碳钢、内衬管为不锈钢的双金属复合管可以经济、有效地解决油气输送、炼油、化工等工业部门管道的腐蚀问题，具有愈来愈广泛的用途。复合管的现场焊接技术难度大，在焊接基层时，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，虽然节约了贵重的不锈钢焊接材料，降低了成本，但这种技术存在明显的技术缺陷。从理论分析，过渡层焊接采用390或309Mo型不锈钢焊材，而碳钢焊材焊缝的含碳量约为0.12%甚至更高，这就形成约0.12%C-2.4%Cr-1.3%Ni成分的焊缝金属（忽略碳含量的稀释），而这种成分的金属在焊接快速冷却条件下容易形成高硬度的马氏体组织，影响接头的塑性、韧性，严重时还可能产生冷裂纹。

从实际情况来看，某油田施工现场采用该技术焊接的双金属复合管环焊缝，在现场进行X射线探伤时发现有缺陷，在进行解剖试验不但发现有未熔合缺陷，还有微裂纹缺陷，裂纹就位于与过渡层相邻的基础上，其硬度高达400Hv，而含硫化氢油气输送管道焊缝的最高硬度标准要求不得超过250Hv。

从焊接冶金原理和国内外异种钢焊接文献看，一般不允许采用碳钢焊材在不锈钢上进行焊接，这是异种钢焊接的一条基本原则，该专利技术违反了这一原则。

而对于在容器衬里层的焊接技术，但是容器衬里层的焊接技术与双金属复合管的现场焊接有类似之处，可采用相同的焊接原理，但是，其结构、材料、尺寸方面有很大的不同，因此焊接工艺有一定的区别。

德国BUTTING公司是双金属复合管研究和应用的著名国际公司，该公司推荐全用不锈钢焊接材料，同时现有文献也采用全用不锈钢焊接材料。这种技术对较小壁厚的双金属复合管道比较合适，而对较高管径、较大壁厚的双金属复合管道，采用不锈钢材料进行全部焊道焊接的缺点如下：

一是经济性不好，奥氏体不锈钢焊接材料的价格是碳钢焊接材料的十倍左右，压力、管径、厚度较大的双金属复合管大规模应用需要的焊接材料较多；

二是不锈钢焊缝与基层母材的熔合区存在一个成分、组织、性能梯度较大的过渡区，高温下出现碳元素迁移，碳钢母材侧形成一个脱碳层和软化区，不锈钢焊缝侧形成一个增碳层和硬化区，在高温下长期运行容易产生开裂；

三是焊缝与母材的热膨胀系数差异也较大，焊接过程及长期使用过程容易出现焊接质量问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种双金属复合管环焊缝焊接方法，解决了现有技术中碳钢焊材在不锈钢过渡层上焊接产生的淬硬性层和采用不锈钢焊材焊接基层母材存在成分、组织与性能差异较大的过渡区的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种双金属复合管环焊缝焊接方法，包括如下步骤：

对双金属复合管的不锈钢复层和碳钢基层进行封焊，形成封底焊缝；

对所述不锈钢复层打底焊缝，形成复层焊缝；

在所述复层焊缝上焊接不锈钢过渡层焊缝；

在所述不锈钢过渡层焊缝上采用微碳纯铁焊材进行隔离层焊缝焊接，形成隔离层焊缝，使所述不锈钢复层和所述碳钢基层完全隔离；

通过碳钢焊接材料对所述碳钢基层进行焊接，形成基层焊缝。

进一步地，所述微碳纯铁焊材的熔敷金属化学成分按质量百分比计如下：

C：0.013%，Si：0.43，Mn：0.39，P：0.012%，S：0.010%，其余为铁。

进一步地，所述微碳纯铁焊材的厚度为2.0mm-3.0mm。

进一步地，所述形成隔离层焊缝的方法为焊条电弧焊。

进一步地，所述不锈钢复层的厚度大于等于2.0mm，所述碳钢基层的厚度大于等于10mm。

本发明提供的双金属复合管环焊缝焊接方法，通过在不锈钢过渡层之后，基层焊接之前，增加一层采用微碳纯铁焊材焊接的焊缝金属，将不锈钢与碳钢隔离开，随后基层焊接采用与基层母材强度匹配的碳钢焊接材料，这样难度小，技术成熟。另外，在不锈钢过渡层之后也没有过渡区，质量容易保证，克服现有技术采用碳钢焊材在不锈钢过渡层上焊接产生的淬硬性层，以及全部采用不锈钢焊材焊接基层母材与不锈钢焊缝存在成分、组织、性能差异较大的过渡区，并节约大量的焊接材料成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的双金属复合管环焊缝结构示意图；

图2为本发明实施例提供的双金属复合管环焊缝流程步骤图；

附图标记：

1、不锈钢复层，2、封底焊缝，3、复层焊缝，4、不锈钢过渡层焊缝，5、隔离层焊缝，6、碳钢基层，7、基层焊缝。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明实施例提供的一种双金属复合管环焊缝焊接方法，首先对双金属复合管的不锈钢复层1和碳钢基层6进行封焊，形成封底焊缝2；对不锈钢复层1打底焊缝，形成复层焊缝3；随后在复层焊缝3上焊接不锈钢过渡层焊缝4，最后通过碳钢焊接材料对碳钢基层6进行焊接，形成基层焊缝7，其中，在形成基层焊缝7前，在不锈钢过渡层焊缝4上采用微碳纯铁焊材进行隔离层焊缝焊接，形成隔离层焊缝5，使不锈钢复层1和碳钢基层6完全隔离。在本发明实施例中，以外径为

碳钢基层钢级为L360、厚度为12.6mm，不锈钢复层材料为316L、厚度为2.0mm的双金属复合钢管焊接为例说明，其中，各步骤具体材料参数特性见表1，具体方法包括如下步骤，参见图2：

表1焊接各焊层主要参数

步骤101：对双金属复合管的不锈钢复层和碳钢基层进行封焊，形成封底焊缝；

先对双金属复合管的基层管端进行坡口加工，使复层伸出基层2-3mm，采用焊条电弧焊（SMAW，用直径2.0mm或更细的焊条）或者钨极氩弧焊（TIG焊）方法对双金属复合管的不锈钢复层和碳钢基层进行封焊，形成封底焊缝，其中，不锈钢复层的厚度大于等于2.0mm，碳钢基层的厚度大于等于10mm。封焊后对坡口进行机械加工或者修磨，满足现场焊接工艺要求；然后组对焊接，在复合管基层管内部充氩气，待空气排除干净后，采用TIG焊进行两根复合管基层管的组对焊接，坡口组对间隙2～3mm；

步骤102：对不锈钢复层打底焊缝，形成复层焊缝；

采用TIG焊方法，在复合管基层管内部充氩保护的状态下，对不锈钢复层打底焊缝，形成复层焊缝；

步骤103：在复层焊缝上焊接不锈钢过渡层焊缝；

在复合管基层管内部继续充氩保护的状态下，在双金属复合管的复层焊缝上焊接不锈钢过渡层焊缝，焊接方法采用TIG焊或者焊条电弧焊；

步骤104：在不锈钢过渡层焊缝上采用微碳纯铁焊材进行隔离层焊缝焊接，形成隔离层焊缝，使不锈钢复层和所述碳钢基层完全隔离；

在不锈钢过渡层焊缝上采用微碳纯铁焊材通过焊条电弧焊进行隔离层焊缝焊接，形成隔离层焊缝，该方法可以低热输入焊接参数，尽量减少摆动，使不锈钢复层和碳钢基层完全隔离，其中，微碳纯铁焊材熔敷金属的化学成分按质量百分比见表2，该微碳纯铁焊材的厚度为2.0mm-3.0mm，焊缝的强度可以依靠其它焊道强度的富裕量补偿，保证整个环焊缝接头的强度不低于标准的规定，在本发明实施例中，微碳纯铁焊材为J350焊条；

表2微碳纯铁焊材的熔敷金属的化学成分（重量百分比）

C	Si	Mn	P	S	Fe
						0.013	0.43	0.39	0.012	0.010	其余

采用微碳纯铁焊缝金属在不锈钢复层和碳钢基层焊缝之间隔离，由于该隔离层焊缝的碳含量很低（小于0.02%），没有合金元素，考虑前面不锈钢焊道对该焊道的稀释率按10%计算（忽略碳含量的稀释），0.02%C-2.4%Cr-1.3%Ni成分的焊缝为铁素体组织，硬度低，塑韧性及抗裂性良好，而不会形成淬硬的马氏体组织。

步骤105：通过碳钢焊接材料对碳钢基层进行焊接，形成基层焊缝；

采用与基层强度匹配的碳钢焊条（如E5015）对碳钢基层进行焊接，形成基层焊缝，焊接方法采用焊条电弧焊，微碳纯铁隔离层以后的焊接，采用与基层母材同类型的焊材焊接，不会产生淬硬组织，技术成熟，质量容易保证。

本发明实施例提供的方法，对于压力较高、管径较大的双金属复合管道环焊缝的焊接，特别是对于不锈钢复层的厚度大于等于2.0mm，基层的碳钢的厚度大于等于10mm更加适用。

与现有技术采用碳钢焊材在不锈钢过渡层上焊接，随后采用碳钢焊材完成焊接相比，采用微碳纯铁焊缝金属在不锈钢和碳钢焊缝之间隔离，由于该隔离层焊缝的碳含量很低（小于0.02%），没有合金元素，考虑不锈钢焊道对该焊道的稀释率按10%计算（忽略碳含量的稀释），0.02%C-2.4%Cr-1.3%Ni成分的焊缝为铁素体组织，硬度低，塑韧性及抗裂性良好，而不会形成淬硬的马氏体组织。微碳纯铁隔离层以后的焊接，采用与基层母材同类型的焊材焊接，不会产生淬硬组织，技术成熟，质量容易保证。

该发明技术克服现有技术采用碳钢或低合金钢焊材在不锈钢过渡层上焊接产生的淬硬性层，以及全部采用不锈钢焊材焊接基层母材与不锈钢焊缝存在成分、组织、性能差异较大的过渡区，并节约大量的焊接材料成本，降低成本，提高焊缝的质量，保证焊接接头的耐蚀性能和管道的安全可靠运行，是一种经济、有效、方便、灵活的复合管焊接技术。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种双金属复合管环焊缝焊接方法，包括如下步骤：

对所述不锈钢复层打底焊缝，形成复层焊缝；

在所述复层焊缝上焊接不锈钢过渡层焊缝；

2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述微碳纯铁焊材的熔敷金属化学成分按质量百分比计如下：

C：0.013%，Si：0.43，Mn：0.39，P：0.012%，S：0.010%，其余为铁。

3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述微碳纯铁焊材的厚度为2.0mm-3.0mm。

4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述形成隔离层焊缝的方法为焊条电弧焊。

5.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述不锈钢复层的厚度大于等于2.0mm，所述碳钢基层的厚度大于等于10mm。