雙金屬鎳基825復合板焊接技術的研究

馮 偉1,2,徐 鍇1,2,魏 濤1,2,郭 梟1,2

(1.哈爾濱威爾焊接有限責任公司,哈爾濱150028; 2.哈爾濱焊接研究院有限公司,哈爾濱150028)

摘 要:為了保證雙金屬鎳基825 復合板縱向焊縫的抗晶間腐蝕性能及強度,提高焊接效率,采用帶極電渣堆焊方法,選定焊接材料,在不同的焊接工藝條件下,對復合板進行了焊接試驗,并對焊接接頭的力學性能和組織進行了分析。結果表明,焊接接頭質量較好,焊縫成形優良,焊接接頭的各項性能滿足要求,其中采用TIG 焊過渡形式提高了覆層金屬抗晶間腐蝕性能,采用帶極電渣堆焊方法未對基層材料性能造成不良影響。

關鍵詞: 焊接; 鎳基復合板; 帶極電渣堆焊; 晶間腐蝕

隨著世界能源需求的日益增長,油氣田的開采逐漸向深井、高腐蝕環境發展,為了降低油氣運輸和維護成本,延長使用壽命,可采用耐蝕合金、鎳基合金等管道輸送,但這會增加制造成本,造成資源浪費。因此,開發一種既能保證油氣田開采及輸送安全,又能降低生產成本的新型管材就顯得必要和迫切。國外的研究結果和應用表明,使用耐蝕合金復合管是解決上述問題相對安全和經濟的途徑之一。近幾年,國內幾大鋼廠也相繼開發了鎳基復合鋼板,但各大管廠在復合管制造工藝上遇到了一些問題,主要是復合管縱向焊縫的焊接。其技術難點在于如何提高焊接效率、降低鎳基復合層焊接過程中的稀釋率、提高焊縫的抗晶間腐蝕性能及焊縫的強度等。本研究針對復合板直焊縫焊接覆層時采用帶極堆焊焊接技術解決了相關問題,為復合管產品的推廣應用提供參考。

1 試驗材料及焊接工藝

1.1 試驗材料

試驗采用鎳基825+X60 鋼級板材,板厚(13+3)mm。焊接前首先清除坡口兩側80 mm范圍內的鐵銹、油污和水分等,直至露出金屬光澤; 然后采用絲極埋弧焊、帶極堆焊進行焊接。其中外焊時,基層和覆層之間采用無過渡層、絲極埋弧焊過渡、自動TIG 焊過渡3 種焊接工藝形式。絲極材料采用管線鋼專用焊接材料H08CG 和SJ101; 帶極材料采用高速電渣堆焊焊劑,焊帶牌號為H625F,焊劑牌號為SJ82F; 過渡層埋弧焊焊絲牌號為HS625,焊劑牌號SJ609; 過渡層TIG 焊焊絲牌號為HS625F。鎳基825 材料的化學成分見表1。

表1 鎳基825 材料的化學成分 %

images/BZ_50_319_730_467_804.pngimages/BZ_50_467_730_615_804.pngimages/BZ_50_615_730_763_804.pngimages/BZ_50_763_730_911_804.pngimages/BZ_50_911_730_1059_804.pngimages/BZ_50_1059_730_1237_804.pngimages/BZ_50_1237_730_1364_804.pngimages/BZ_50_1364_730_1524_804.pngimages/BZ_50_1524_730_1659_804.pngimages/BZ_50_1659_730_1800_804.pngimages/BZ_50_1800_730_1947_804.pngimages/BZ_50_1947_730_2074_804.pngimages/BZ_50_2074_730_2244_804.pngimages/BZ_50_319_804_467_877.pngimages/BZ_50_467_804_615_877.pngimages/BZ_50_615_804_763_877.pngimages/BZ_50_763_804_911_877.pngimages/BZ_50_911_804_1059_877.pngimages/BZ_50_1059_804_1237_877.pngimages/BZ_50_1237_804_1364_877.pngimages/BZ_50_1364_804_1524_877.pngimages/BZ_50_1524_804_1659_877.pngimages/BZ_50_1659_804_1800_877.pngimages/BZ_50_1800_804_1947_877.pngimages/BZ_50_1947_804_2074_877.pngimages/BZ_50_2074_804_2244_877.png

1.2 焊接工藝

復層材料采用鎳基帶極堆焊,焊帶規格為0.5 mm×30 mm; 基層材料采用絲極埋弧焊,焊絲規格為Φ3.2 mm; 過渡層采用TIG 焊,焊絲規格Φ1.2 mm。坡口形式采用雙V 形,如圖1 所示。采用雙面焊接工藝成型,焊接工序:預精焊—內焊基材—外焊基材—復層焊。焊接工藝參數見表2。

圖1 復合板焊接坡口形式

表2 復合板焊接工藝參數

images/BZ_50_319_2054_514_2176.pngimages/BZ_50_514_2054_643_2176.pngimages/BZ_50_643_2054_790_2176.pngimages/BZ_50_790_2054_902_2176.pngimages/BZ_50_902_2054_1091_2176.pngimages/BZ_50_1091_2054_1237_2176.pngimages/BZ_50_319_2176_514_2249.pngimages/BZ_50_514_2176_643_2249.pngimages/BZ_50_643_2176_790_2249.pngimages/BZ_50_790_2176_902_2249.pngimages/BZ_50_902_2176_1091_2249.pngimages/BZ_50_1091_2176_1237_2249.pngimages/BZ_50_319_2249_514_2323.pngimages/BZ_50_514_2249_643_2323.pngimages/BZ_50_643_2249_790_2323.pngimages/BZ_50_790_2249_902_2323.pngimages/BZ_50_902_2249_1091_2323.pngimages/BZ_50_1091_2249_1237_2323.pngimages/BZ_50_319_2323_514_2396.pngimages/BZ_50_514_2323_643_2396.pngimages/BZ_50_643_2323_790_2396.pngimages/BZ_50_790_2323_902_2396.pngimages/BZ_50_902_2323_1091_2396.pngimages/BZ_50_1091_2323_1237_2396.png

2 試驗結果及分析

2.1 焊接接頭宏觀尺寸

對焊接接頭取樣,經研磨、化學試劑浸蝕后,置于光學顯微鏡下放大10 倍進行觀察。焊接接頭的宏觀形貌如圖2 所示。由圖2 可見,焊縫熔合良好,未見裂紋、未焊透、未熔合缺陷。

圖2 復合板焊接接頭的宏觀形貌

復合板焊接接頭的宏觀尺寸見表3。鎳基覆層側咬邊深度約0.1 mm; 鎳基覆層側焊縫余高約1.7 mm,基層側焊縫余高約1.6 mm,交互熔深 (即鎳基焊縫與碳鋼焊縫的熔合深度)約1.4 mm; 母材錯邊尺寸 (即兩側母材平行偏差)約0.6 mm; 焊偏尺寸 (即上、下焊縫不對中)約1.6 mm。

表3 復合板焊接接頭的宏觀尺寸 mm

images/BZ_50_1325_2106_1693_2179.pngimages/BZ_50_1325_2179_1509_2252.pngimages/BZ_50_1693_2106_2060_2179.pngimages/BZ_50_1509_2179_1693_2252.pngimages/BZ_50_1693_2179_1876_2252.pngimages/BZ_50_1876_2179_2060_2252.pngimages/BZ_50_2060_2106_2244_2252.pngimages/BZ_50_1325_2252_1509_2325.pngimages/BZ_50_1509_2252_1693_2325.pngimages/BZ_50_1693_2252_1876_2325.pngimages/BZ_50_1876_2252_2060_2325.pngimages/BZ_50_2060_2252_2244_2325.png

2.2 堆焊金屬化學成分及力學性能

復合板堆焊金屬的化學成分見表4,焊接接頭的拉伸、彎曲性能見表5,沖擊性能見表6。

表4~表6 的試驗結果表明:采用平行取樣和垂直取樣,抗拉強度變化不大,與X60 鋼強度相當,滿足要求,但是斷后伸長率有明顯的變化。沖擊試驗針對基層焊縫,分別對2 個位置取樣(見表6),0 ℃沖擊功值較好,-20 ℃基層焊縫的沖擊功值下降明顯,主要因為帶極的線能量較大,焊接過程中對外焊縫二次加熱,導致焊縫金屬的晶粒長大,從而影響低溫沖擊性能。試驗結果滿足UNS N08825 合金復合板直焊縫對沖擊的要求,但焊接過程中必須嚴格控制外焊縫的線能量,以減少帶極熱輸入對基層焊縫沖擊性能的影響。

表4 復合板堆焊金屬的化學成分 %

images/BZ_50_319_3035_467_3112.pngimages/BZ_50_763_3035_911_3112.pngimages/BZ_50_467_3035_615_3112.pngimages/BZ_50_615_3035_763_3112.pngimages/BZ_50_1355_3035_1503_3112.pngimages/BZ_50_911_3035_1059_3112.pngimages/BZ_50_1059_3035_1207_3112.pngimages/BZ_50_1207_3035_1355_3112.pngimages/BZ_50_1933_3035_2077_3112.pngimages/BZ_50_1503_3035_1652_3112.pngimages/BZ_50_1652_3035_1800_3112.pngimages/BZ_50_1800_3035_1933_3112.pngimages/BZ_50_2077_3035_2244_3112.pngimages/BZ_50_319_3112_467_3189.pngimages/BZ_50_467_3112_615_3189.pngimages/BZ_50_615_3112_763_3189.pngimages/BZ_50_763_3112_911_3189.pngimages/BZ_50_911_3112_1059_3189.pngimages/BZ_50_1059_3112_1207_3189.pngimages/BZ_50_1207_3112_1355_3189.pngimages/BZ_50_1355_3112_1503_3189.pngimages/BZ_50_1503_3112_1652_3189.pngimages/BZ_50_1652_3112_1800_3189.pngimages/BZ_50_1800_3112_1933_3189.pngimages/BZ_50_1933_3112_2077_3189.pngimages/BZ_50_2077_3112_2244_3189.png

表5 復合板焊接接頭的拉伸、彎曲性能

images/BZ_51_307_448_472_624.pngimages/BZ_51_472_448_1012_509.pngimages/BZ_51_472_509_657_624.pngimages/BZ_51_658_509_833_624.pngimages/BZ_51_833_509_1012_624.pngimages/BZ_51_1012_448_1225_624.pngimages/BZ_51_307_624_472_685.pngimages/BZ_51_472_624_657_685.pngimages/BZ_51_658_624_833_685.pngimages/BZ_51_833_624_1012_685.pngimages/BZ_51_1012_624_1225_685.pngimages/BZ_51_307_685_472_746.pngimages/BZ_51_472_685_657_746.pngimages/BZ_51_658_685_833_746.pngimages/BZ_51_833_685_1012_746.pngimages/BZ_51_1012_685_1225_746.png

表6 復合板焊接接頭的沖擊性能

images/BZ_51_307_872_577_946.pngimages/BZ_51_577_872_876_946.pngimages/BZ_51_876_872_1225_946.pngimages/BZ_51_307_946_577_1093.pngimages/BZ_51_577_946_876_1020.pngimages/BZ_51_876_946_1225_1020.pngimages/BZ_51_577_1020_876_1093.png images/BZ_51_876_1020_1225_1093.pngimages/BZ_51_307_1093_577_1240.pngimages/BZ_51_577_1093_876_1166.pngimages/BZ_51_876_1093_1225_1166.pngimages/BZ_51_577_1166_876_1240.png images/BZ_51_876_1166_1225_1240.png

圖3 復合板拉伸斷口形貌

2.3 堆焊金屬顯微組織分析

考慮到帶極的熱輸入量較大,為此通過微觀分析觀察拉伸斷口形貌,分別對平行和垂直方向的拉伸斷口進行SEM 分析,從斷裂形貌看,對基材性能未造成明顯的差異,斷裂方式為韌性斷裂,都表現出良好的韌性。復合板拉伸斷口形貌如圖3 所示。

2.4 焊縫金屬腐蝕試驗對比

針對鎳基復合材料,耐腐蝕性能一直是工程實際最關心的問題,為此,采用帶極電渣堆焊復層時,考慮采用不同的過渡形式,降低稀釋率,研究耐腐蝕性能的變化情況。對基層和復層之間采用無過渡層、絲極埋弧焊過渡、自動TIG焊過渡3 種焊接工藝形式進行兩種腐蝕方法試驗:①按照ASTM A262 E 法對UNS N08825 合金母材及縱向直焊縫進行晶間腐蝕試驗,試驗后,在10 倍放大鏡下觀察彎曲試樣外表面,應無因晶間腐蝕產生的裂紋; ②按照ASTM G28 A 法對UNS N08825 合金母材及縱向直焊縫進行晶間腐蝕試驗,試驗后,UNS N08825 縱向直焊縫的腐蝕速率不得超過1.0 mm/a。復合板晶間腐蝕試驗結果見表7。

從表7 晶間腐蝕試驗結果可以看出,采用3種焊接過渡工藝形式,按照ASTM A262 E 法試驗時,未發現晶間腐蝕傾向,結果合格; 按照ASTM G28 A 法試驗時,采用自動TIG 焊方法過渡形式腐蝕速率最低,絲極埋弧過渡層次之,無過渡層腐蝕速率最高,但3 種工藝形式下腐蝕速率均滿足指標要求。

表7 不同焊接過渡工藝下復合板的晶間腐蝕結果

images/BZ_51_1313_2133_1537_2210.pngimages/BZ_51_1537_2133_1897_2210.pngimages/BZ_51_1897_2133_2232_2210.pngimages/BZ_51_1313_2210_1537_2287.pngimages/BZ_51_1537_2210_1897_2287.pngimages/BZ_51_1897_2210_2232_2287.pngimages/BZ_51_1313_2287_1537_2364.pngimages/BZ_51_1537_2287_1897_2364.pngimages/BZ_51_1897_2287_2232_2364.pngimages/BZ_51_1313_2364_1537_2440.pngimages/BZ_51_1537_2364_1897_2440.pngimages/BZ_51_1897_2364_2232_2440.png

3 結 論

(1)采用鎳基帶極電渣堆焊材料焊接工藝性能優良,稀釋率低,堆焊效率高。帶極焊接過程中熱輸入未對基材性能造成影響,斷口形貌表現為韌性斷裂。

(2)焊接復層時,采用 “TIG 過渡+帶極電渣堆焊” 形式,按照ASTM G28A 法進行晶間腐蝕試驗,性能最優。

(3)采用帶極堆焊方法及工藝,實現了鎳基復合板縱向焊縫的焊接,各項技術指標均滿足相關標準要求,為實際產品的焊接提供了技術指導。

參考文獻:

[1]SPENCE M A,ROSCOE C V.Bi-metal CRA-lind pipe employed for north sea field development[J].Oil&Gas Journal,1999,97(18):80-88.

[2]CHEN W C,PETERSEN C W.Corrosion performance of welded CRA-lined pipes for flowlines[J].SPE Production Engineering,1991,7(4):375-378.

[3]RUSSELL D K,WILHELM S M.Analysis of bimetallic pipe for sour service[J].SPE Production Engineering,1991,6(3):291-296.

[4]徐鍇,馮偉,魏濤.316L+X60 雙金屬復合管焊接技術研究[J].焊管,2016(增刊):52-54.

[5]李發根,魏斌,邵曉東,等.高腐蝕性油氣田用雙金屬復合管[J].油氣儲運,2010,29(5):359-362.

[6]方克.TP316L+Q235 不銹鋼復合鋼板的焊接工藝探討[J].機電技術,2005(2):115-117.

[7]劉海璋,畢宗岳,楊軍,等.316L/X60 復合板焊接工藝、組織特征及腐蝕性能研究[J].焊管,2014,37(12):5-10.

[8]劉明濤,劉俊友,龐于思,等.雙金屬復合技術的研究進展[J].鋼管,2013,42(1):11-16.

[9]SYT 6623—2012,內覆或襯里耐腐蝕合金復合鋼管規范[S].

[10]許愛華,院振鋼,楊光,等.雙金屬復合管的施工焊接技術[J].天然氣與石油,2010,28(6):22-28.

[11]姚學全,閆臣,郭靜薇,等.雙金屬復合管自動焊技術現狀及展望[J].電焊機,2018,48(4):41-43,54.

[12]王永芳,袁江龍,張燕飛,等.雙金屬復合管的技術現狀和發展方向[J].焊管,2013,36(2):5-9.

[13]楊專釗,王高峰,閆凱,等.雙金屬復合管環焊工藝及接頭強度設計現狀與趨勢[J].油氣儲運,2017(3):8-15.

[14]王偉,欒陳杰,楊帆,等.X70/316L 雙金屬復合管全自動焊接工藝應用研究[J].金屬加工(熱加工),2015(18):48-49.

[15]蒲江濤.雙金屬復合管半自動焊接工藝研究[D].西安:西安石油大學,2016.

Study on Welding Technology of Bimetallic Nickel Base 825 Composite Plate

FENG Wei1,2,XU Kai1,2,WEI Tao1,2,GUO Xiao1,2
(1.Harbin Well Welding Co.,Ltd.,Harbin 150028,China;2.Harbin Welding Institute Co.,Ltd.,Harbin 150028,China)

Abstract: In order to solve the welding problem of longitudinal weld of bimetallic nickel base 825 composite plate and improve welding efficiency,using electroslag surfacing with electrode,welding tests of composite plates were carried out under different welding conditions,and the mechanical properties and microstructure of welded joints were analyzed.The results showed that the quality of the welded joint was good,the weld formed well,and the properties of the welded joint met the requirements.Using tig welding could improve the intergranular corrosion resistance of the coating metal,and using electroslag surfacing with electrode had no adverse effect on the properties of base materials.

Key words: welding; nickel base composite plate; electroslag surfacing with electrode; intergranular corrosion

中圖分類號: TG457.1

文獻標識碼: B

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2019.6.008

作者簡介: 馮 偉 (1981—),男,碩士,高級工程師,從事容器設備高端焊接材料開發、焊接工藝研究及過程應用等工作。

收稿日期:2018-10-31

編輯:謝淑霞

2019手机彩票软件排名