CN105149788A - 一种陶瓷内衬复合钢管的激光焊接方法 - Google Patents

一种陶瓷内衬复合钢管的激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种陶瓷内衬复合钢管的激光焊接方法，对Al2O3陶瓷内衬复合钢管进行激光深熔焊和填粉焊。焊接前复合钢管样件开V型坡口，利用连续出光激光器，在氦气氛围中，先选定高激光功率对过渡层及陶瓷层进行深熔焊接，使过渡层及陶瓷层达到熔化对接，然后添加一种自熔性Ni基耐蚀合金粉末，在氩气的保护氛围中对V型焊接坡口进行激光填粉焊接，最终将坡口填平实现钢管的强度连接。所得焊缝特征：陶瓷层达到了1-5mm的熔化对接，部分区域完全熔化对接，且陶瓷焊缝背面可观测到明显的弧状焊接凸起；整圈过渡层实现了完全熔化对接，并且与填粉焊形成的Ni基合金焊缝冶金结合；V型焊缝中的Ni基耐蚀合金无气孔、裂纹缺陷，与两侧钢管冶金结合实现强度连接。

Description

一种陶瓷内衬复合钢管的激光焊接方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷内衬复合钢管领域，尤其涉及复合钢管在海底油气输送方面的应用。
背景技术：
近20年来，全球经济高速发展，人类对油气资源的需求不断增加。鉴于陆地石油资源的日渐枯竭，开发海洋石油资源，尤其是开发深海石油资源，已成必然趋势。海底油气管道是海洋油气田内部设施连接和开采油气资源外输的重要方式。海底管道作为海上油气田开发生产系统的主要组成部分，它是连续地输送大量油气最快捷、最安全和经济可靠的运输方式。由于石油天然气中含有大量H2S、CO2、Cl-，等腐蚀介质，尤其是海底油气田内部管道输送的净化前油气介质中的腐蚀成分含量高，有的甚至需要加热输送，内腐蚀问题十分突出，由于腐蚀问题引起的油、气、水等输送介质的泄漏往往会造成重大的经济损失、油气输送中断、人员伤亡以及环境污染随着对天然气需求量的增加,陶瓷材料具有良好耐磨损、极高抗腐蚀、抗氧化等优良性能，利用自蔓燃技术将陶瓷层内衬于钢管内表面制成的陶瓷内衬复合钢管，由于管道内壁陶瓷层的存在使其具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、且运行阻力小、重量轻，使得陶瓷内衬复合钢管成为油气输送的上佳管材。然而由于陶瓷的脆性大，缺乏金属所具有的延展性，加工性能极差。而我们只有能实现陶瓷的连接，才能将具备优异性能的陶瓷内衬复合钢管在油气工业中得到实际应用。由于陶瓷的熔点一般都很高，在2500度左右进行熔化对接需要3500度的高温才行，受温度制约传统的焊接方式无法对陶瓷进行直接的深熔焊接，激光聚焦后光点能量密度极高，温度甚至可达上万度，且陶瓷对激光的吸收率大，所以激光可作为理想热源无需附加材料对陶瓷进行深熔焊接。因此本发明提出一种激光焊接工艺方法对陶瓷内衬复合钢管进行焊接。
发明内容：
一种陶瓷内衬复合钢管的激光焊接工艺方法，使焊缝具有极高的耐蚀性能，将陶瓷内衬复合管道在油气输送中有实际性的应用。为解决以上技术问题，本发明设计了适合激光焊接的陶瓷层及过渡层，采用激光深熔焊实现陶瓷层与过渡层的熔化对接，然后采用添加自熔性Ni基耐蚀合金粉末的方式实施填粉焊接实现钢管的强度连接，具体的技术方案是：
复合钢管内衬陶瓷层的成分为：Fe6wt％-10wt％、Mn1wt％-3wt％、Cr2wt％-5wt％、Ni0.5wt％-1.5wt％、B1.5wt％-2.5wt％，Si2wt％-2.5wt％、余量为Al2O3，过渡层成分为：Al2O32wt％-3wt％、Mn1wt％-1.5wt％、Cr1wt％-1.5wt％、Ni0.2wt％-0.4wt％、余量为Fe，首先对开坡口的复合钢管在激光工艺参数为：激光功率2000W-4000W，离焦0-3mm，扫描速率1.2-2.5m/min，保护气氦气流量25-40L/min的条件下进行过渡层及陶瓷层的深熔焊接，然后在添加合金成分为：Cr15wt％-20wt％、Mo5wt％-10wt％、Fe6wt％-9wt％、W3wt％-6wt％、C0.1wt％-0.3wt％、Zr0.5wt％-1wt％、Nb0.2wt％-0.6wt％、Ti1wt％-1.5wt％、B1.5wt％-2wt％、Si2wt％-3wt％、余量为Ni的自熔性耐蚀合金粉末，施加激光填粉焊接，激光焊接工艺参数为：激光功率900W-1800W，离焦量40-80mm，送粉速率10-20g/min，扫描速率120-240mm/min，保护气氩气流量30-60L/min，搭接率20％-50％，将焊接坡口填平实现钢管间的强度连接。
利用此工艺方法所得焊缝特征：陶瓷层达到了1-5mm的熔化对接，部分区域完全熔化对接，且陶瓷焊缝背面可观测到明显的弧状焊接凸起；整圈过渡层都实现了完全熔化对接，并且与填粉焊形成的Ni基合金焊缝冶金结合；V型焊缝中的Ni基耐蚀合金无气孔、裂纹缺陷，与两侧钢管冶金结合实现强度连接。
附图说明：
图1：焊接工装图，其中注释：1.钢管、2.过渡层、3.Al2O3陶瓷层、4.保护气、5.氩气送粉、6.聚焦镜、7.T型螺母、8.粗螺杆、9.支撑螺母
图2：陶瓷内衬复合钢管结构图
图3：实例1所得熔化对接的陶瓷焊缝背面的弧状焊接凸起
图4：实例1所得Ni基合金焊缝渗透探伤结果
图5：实例1所得Ni基合金焊缝硬度测试位置示意图
图6：实例1所得Ni基合金焊缝维氏硬度测试分布图
图7：实例1所得Ni基合金焊缝与母材冶金结合界面图
图8：实例1、2、3、所得焊缝中的Ni基合金以及316L不锈钢在6wt％FeCl3中的动电位计划曲线
图9：实例1、2、3、所得焊缝中的Ni基合金以及316L不锈钢在模拟油气腐蚀环境中的动电位计划曲线，腐蚀环境为含有饱和CO2的0.03mol/LH2S，5wt％NaCl溶液
具体实施方式
实例1：
用CO2激光器对一种Al2O3陶瓷内衬复合钢管样件进行焊接，外层为L360QS钢管，厚度为10mm；中间Fe基过渡层厚度为2mm，成分为：Al2O32.7wt％、Mn1.1％、Cr1.2wt％、Ni0.3wt％、Fe余量；内层Al2O3陶瓷层厚度为5mm，成分为：Fe10wt％、Mn3wt％、Cr4wt％、Ni1wt％、Ca3wt％、B2wt％、Si2.3wt％、Al2O3余量；整个陶瓷复合管外径134mm，内径100mm。所设计的焊材粉末成分为Cr15wt％、Mo5wt％、Fe6wt％、W6wt％、C0.3wt％、Zr0.5％、Nb0.2wt％、Ti1wt％、B1.5wt％、Si2wt％、余量为Ni，标记为1#Ni。
焊接步骤如下：
截取两段长约40cm的管道样件，对管道样件开角度为45°的V型坡口，V型坡口底端开至过渡层距离下端陶瓷层1mm的位置，利用如图1所示工装对接管道样件，然后固定在转台上，调整好送粉喷嘴和相应的工装使焦点位置完全处于保护气范围内。
在工艺参数：激光功率4000W、离焦量2mm、扫描速率2.5m/min、保护气氦气流量25L/min的条件下对开坡口的复合钢管样件进行过渡层及陶瓷层的深熔焊接。
添加1#Ni，在工艺参数：激光功率1500W、离焦量60mm、送粉速率15g/min、扫描速率200mm/min、保护气氩气流量50L/min、搭接率30％的条件下对复合管样件进行激光填粉焊接并填平坡口实现钢管样件间的强度连接。
实例1所得焊缝特征：陶瓷层达到了1-5mm的熔化对接，部分区域完全熔化对接，且陶瓷焊缝背面可观测到明显的弧状焊接凸起；整圈过渡层都实现了完全熔化对接，并且与填粉焊形成的Ni基合金焊缝冶金结合；V型焊缝中的Ni基耐蚀合金无气孔、裂纹缺陷，与两侧钢管冶金结合实现强度连接。所得焊缝在FeCl36wt％以及含有饱和CO2的0.03mol/LH2S，5wt％NaCl溶液进行动电位极化测试，均能发生钝化，而316L只能在饱和CO2的0.03mol/LH2S，5wt％NaCl溶液中钝化，且焊缝腐蚀电位、钝化区间大于316L，自腐蚀电流、维钝电流小于316L。
实例2：
用半导体激光器对一种Al2O3陶瓷内衬复合钢管样件进行焊接，外层为X70管线钢，厚度为10mm；中间Fe基过渡层厚度为1.5mm，成分为：Al2O33wt％、Mn1.5％、Cr1wt％、Ni0.2wt％、Fe余量；内层Al2O3陶瓷层厚度为3mm，成分为：Fe8.1wt％、Mn2.2wt％、Cr2wt％、Ni1.5wt％、Ca2wt％、B1.5wt％、Si2.5wt％、Al2O3余量；整个陶瓷复合管外径130mm，内径101mm。所设计的焊材粉末成分为Cr17wt％、Mo7wt％、Fe7.5wt％、W4.5wt％、C0.2wt％、Zr0.75wt％、Nb0.4wt％、Ti1.2wt％、B1.8wt％、Si2.5wt％、余量为Ni，标记为2#Ni。其与实例1除以下步骤外均相同。
1.截取两段长约40cm的管道样件，对管道样件开角度为60°的V型坡口，V型坡口底端开至过渡层距离下端陶瓷层0.5mm的位置，利用如图1所示工装对接管道样件，然后固定在转台上，调整好送粉喷嘴和相应的工装使焦点位置完全处于保护气范围内。
2.在工艺参数：激光功率3000W、离焦量0mm、扫描速率1.8m/min、保护气氦气流量32L/min的条件下对开坡口的复合钢管样件进行过渡层及陶瓷层的深熔焊接。
3.添加2#Ni，在工艺参数为：1800W、离焦量40mm、送粉速率20g/min、扫描速率120mm/min、保护气氩气流量60L/min、搭接率20％的条件下对复合管样件进行激光填粉焊接并填平坡口实现钢管样件间的强度连接。
实例2所得焊缝特征：陶瓷层达到了1-3mm的熔化对接，一半以上区域完全熔化对接，且陶瓷焊缝背面可观测到明显的弧状焊接凸起；整圈过渡层都实现了完全熔化对接，并且与填粉焊形成的Ni基合金焊缝冶金结合；V型焊缝中的Ni基耐蚀合金无气孔、裂纹缺陷，与两侧钢管冶金结合实现强度连接。所得焊缝在FeCl36wt％以及含有饱和CO2的0.03mol/LH2S，5wt％NaCl溶液进行动电位极化测试，均能发生钝化，而316L只能在饱和CO2的0.03mol/LH2S，5wt％NaCl溶液中钝化，且焊缝腐蚀电位、钝化区间大于316L，自腐蚀电流、维钝电流小于316L。
实例3：
用光纤激光器对一种Al2O3陶瓷内衬复合钢管样件焊接，外层为20#钢，厚度为15mm；中间Fe基过渡层厚度为0.7mm，成分为：Al2O32wt％、Mn1.3％、Cr1.2wt％、Ni0.4wt％、Fe余量；内层Al2O3陶瓷层厚度为2mm，成分为：Fe6wt％、Mn1wt％、Cr5wt％、Ni0.5wt％、Ca2.5wt％、B2.5wt％、Si2wt％、Al2O3余量；整个陶瓷复合管外径115mm，内径79.6mm。所设计的焊材粉末成分为Cr20wt％、Mo10wt％、Fe9wt％、W3wt％、C0.1wt％、Zr1wt％、Nb0.6wt％、Ti1.5wt％、B2wt％、Si3wt％、余量为Ni，标记为3#Ni。其与实例1除以下步骤外均相同。
1.截取两段长约40cm的管道样件，对管道样件开角度为30°的V型坡口，V型坡口底端开至过渡层上沿位置，利用如图1所示工装对接管道样件，然后固定在转台上，调整好送粉喷嘴和相应的工装使焦点位置完全处于保护气范围内。
2.在工艺参数：激光功率2000W、离焦量3mm、扫描速率1.2m/min、纯氦气保护且保护气流量40L/min的条件下对开坡口的复合钢管样件进行过渡层及陶瓷层的深熔焊接。
3.添加成分为Cr20wt％、Mo10wt％、Fe9wt％、W3wt％、C0.1wt％、Zr1wt％、Nb0.6wt％、Ti1.5wt％、B2wt％、Si3wt％、余量为Ni的合金粉末，在工艺参数为：激光功率900W、离焦80mm、送粉率10g/min、扫描速率240mm/min、保护气氩气流量30L/min、搭接率50％的条件下对复合管样件进行激光填粉焊接并填平坡口实现钢管样件间的强度连接。
实例3所得焊缝特征：陶瓷层绝大多数区域完全熔化对接，且陶瓷焊缝背面可观测到明显的弧状焊接凸起；整圈过渡层都实现了完全熔化对接，并且与填粉焊形成的Ni基合金焊缝冶金结合；V型焊缝中的Ni基耐蚀合金无气孔、裂纹缺陷，与两侧钢管冶金结合实现强度连接。和316L一样所得焊缝在FeCl36wt％不能钝化，在饱和CO2的0.03mol/LH2S，5wt％NaCl溶液能够钝化，但所得焊缝的腐蚀电位、钝化区间大于316L，自腐蚀电流、维钝电流小于316L。

Claims (1)

1.一种陶瓷内衬复合钢管的激光焊接方法，其特征在于：复合钢管内衬陶瓷层的成分为：Fe6wt％-10wt％、Mn1wt％-3wt％、Cr2wt％-5wt％、Ni0.5wt％-1.5wt％、Ca2wt％-4wt％、B1.5wt％-2.5wt％，Si2wt％-2.5wt％、余量为Al2O3，过渡层成分为：Al2O32wt％-3wt％、Mn1wt％-1.5wt％、Cr1wt％-1.5wt％、Ni0.2wt％-0.4wt％、余量为Fe，首先对开坡口的复合钢管在激光工艺参数为：激光功率2000W-4000W，离焦0-3mm，扫描速率1.2-2.5m/min，保护气氦气流量25-40L/min的条件下进行过渡层及陶瓷层的深熔焊接，然后在添加合金成分为：Cr15wt％-20wt％、Mo5wt％-10wt％、Fe6wt％-9wt％、W3wt％-6wt％、C0.1wt％-0.3wt％、Zr0.5wt％-1wt％、Nb0.2wt％-0.6wt％、Ti1wt％-1.5wt％、B1.5wt％-2wt％、Si2wt％-3wt％、余量为Ni的自熔性耐蚀合金粉末的条件下施加激光填粉焊接，激光焊接工艺参数为：激光功率900W-1800W，离焦量40-80mm，送粉速率10-20g/min，扫描速率120-240mm/min，保护气氩气流量30-60L/min，搭接率20％-50％，将焊接坡口填平实现钢管样件的强度连接。
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