L485MB+316L大管径复合管焊接工艺研究

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摘要：不锈钢复合钢管与不锈钢复合钢板一样，既有不锈钢较强的耐腐蚀性，又有普通钢的经济性和承受高温高压的强度要求。近年来许多气田、场站的工艺管网中都有普遍使用。由于其特殊的结构形式，导致其焊接工艺较复杂，特别是对复合面、过渡层及复层的焊接质量要求很高。本文详细分析了不锈钢复合材料的焊接性，描述了L485MB＋316L大管径不锈钢复合管焊接接头的坡口形式，并通过焊接工艺评定确定了焊接工艺参数。该工艺通过我公司在辽河油田双六区块汽驱采油及秦皇岛――沈阳天然气管道配套储气库工程中的应用，获得了满意的焊接质量，满足了设计与标准规范的要求，为公司今后发展积累了一定的经验。

关键词：大管径复合钢管封焊过渡层焊接工艺

0 引言

2012年初，我公司承揽了辽河油田双六区块汽驱采油及秦皇岛-沈阳天然气管道配套储气库工程任务，该项目工艺管线规格主要为Φ660×（20+2），材质为L485MB＋316L的复合管，设计压力为14MPa。不仅要求有很好的耐腐蚀性并且对其基层的强度、塑性和韧性都有很高的要求，在我们国内属于首次应用，我们通过和复合管生产厂家及管材焊接研究机构探讨和研究，查阅了大量的国内外相关资料，确定大管径复合管焊接新工艺。

1 不锈钢复合管的结构形式

不锈钢复合管是采用燃爆复合的方法把不锈钢和合金钢机械复合在一起的，分为三层，基层、过渡层、复层，基层低合金高强度钢，复层为不锈钢，因为不是冶金结合所以基层和复层之间的焊接是关键。本次研究的L485MB属于低合金高强度钢类，不锈钢316L属奥氏体不锈钢。

2 焊接性分析

2.1 焊接时存在的主要问题

2.1.1 焊缝内部产生结晶裂纹

产生结晶裂纹的原因首先是由于稀释率的影响，由于基层的含碳量高于复层，使复层受到基层的稀释作用，造成焊缝中奥氏体形成元素减少，含碳量增加。还由于奥氏体结晶区间很大，熔池结晶时在枝晶的晶界上存在硫、磷、硅等低熔点共晶物，在拉应力的作用下产生裂纹。

2.1.2 热影响区容易脆化和产生液化裂纹

用不锈钢焊丝焊接覆层时，容易熔化基层母材，使焊缝金属被稀释，形成奥氏体+马氏体的双相组织，使塑性和耐蚀性降低，而使熔合区脆性明显增加。

热影响区由于受到热循环影响，等低熔点杂质被熔化，在焊接应力的作用下产生裂纹。焊接时，热影响区受到熔池金属的热胀作用产生压应力，热影响区晶界存在的低熔点共晶物的液态薄膜被拉开时会产生裂纹，另外施工环境和加热冷却等因素的影响也会产生液化裂纹。

2.1.3 气孔

主要出现的部位是填充和盖面层，RMD焊机属于是半自动MIG焊，对氩气和二氧化碳气体的纯度要求很高，氩气和二氧化碳的配比比例是Ar78-82%+CO218-22%，如果超出这个比例，就容易产生气孔。另外，焊丝伸出长度过长、角度过大，也是产生气孔主要原因。

2.2 主要措施

防止焊缝及热影响区产生结晶裂纹和液化裂纹及气孔的主要措施包括正确制定焊接工艺，合理选择焊接材料，选择合适的预热温度和层间温度，严格遵守操作规程等；焊接时先用奥氏体钢焊材焊接覆层。在基层和覆层之间用含铌的铁素体焊材焊接隔离焊缝即过渡层，尽量避免使用含钼元素的焊材。最后用结构钢焊材焊接基层。这种措施可避免在熔合区附近出现脱碳层和增碳层，减少熔合区的脆化现象。严格控制气体的配比，控制好焊枪的角度和干伸长度。

2.3 实证分析

该次研究的不锈钢复合钢管材质为L485MB＋316L，规格为Φ660×（20+2），通过对奥氏体不锈钢复合钢的焊接性分析可得出，坡口角度、焊接方法、施工环境、焊材及工艺参数的选择是保证复合钢管的焊接质量的关键。

过渡层焊道属于异种钢焊接，主要起到阻止基层的碳进入到复层，使复层受到基层的稀释，造成焊缝中奥氏体形成元素减少，含碳量增加。为了减少基层对复层的稀释，焊接过渡层时采用小电流、快速焊、排焊等方法焊接，以利于减少熔深，使基层和复层的交界处有一定的铁素体组织，防止根焊道被氧化，提高焊接接头的抗裂性能和耐腐蚀性。

316L不锈钢焊接时，要采用氩弧焊打底保证焊接质量，药芯焊丝打底背面直接有保护层焊道不会被氧化，避免了普通焊丝管内充氩气的步骤。焊接时要控制焊道间温度在6O℃以下，焊缝应尽可能一次焊完，少中断、少接头，收弧要使用有衰减功能的焊枪，防止产生弧坑裂纹。

3 焊接工艺

3.1 焊材及焊接方法 封焊、打底焊、过渡焊采用氩弧焊，基层采用RND半自动焊焊接。根据不同的焊接位置，选用不同的焊接材料。封焊时选用Φ1.2 mm的ER309L焊丝，打底焊时选用Φ2.5mmTGF316L药芯自保护焊丝（免去内充氩），过渡层的焊丝选用Φ2.0mm 的ER309L，基层焊接选用Φ1.2mm 的JM -68焊丝。

3.2 焊接顺序 为了确保焊接质量我们要求管材生产厂家对大管径复合管加工了特殊的坡口，采取先封焊，然后打底焊（焊接覆层），接着焊接过渡层，最后焊接基层的焊接顺序。为了防止焊接接头基层与复层的复合面耐腐蚀性达不到要求，要先对接头坡口复合面处进行封焊，以满足焊接接头的耐腐蚀性。

3.3 坡口形式尺寸及焊接顺序见图一，焊接工艺参数见表1

为了确保焊接质量我们对复合管加工了如图一所示的坡口：

其中：钝边高度t：0.5-1mm；坡口角度：45±5°。对接间隙：3-4mm。

图1中所示焊接工艺：1－封口焊；2－打底焊；3－过渡焊；4－填充焊；5以上－盖面焊。其中：1、2-手工氩弧焊，3、4、5以上为半自动焊。

3.4 焊接要点

焊前必须严格清理坡口两侧各50mm内的油污、铁锈等杂质；

焊丝用酒精或丙酮擦拭，保证清洁；

封焊电流不宜过大，不能烧穿衬管，不能氧化，否则影响衬层的耐腐蚀性能；

严格控制层间温度在150℃以下；

焊接接头背面合格颜色为银白、金黄、蓝、红，灰色、黑色等为不合格；

每道手工焊接后严格清理焊口，保证焊接质量；

所有焊接参数最好采用小规范、快速焊。

4 工艺评定及产品焊接试件

经过以上分析，我们制定了一个焊接工艺指导书，并指导施焊了尺寸为Φ660x（20+2）mm一组试件。焊缝经过外观及RT检测全部合格，之后我们又对该试板进行了一系列的力学性能试验（包括拉伸、弯曲、冲击）和耐腐蚀试验，结果各项性能指标均达到要求。

5 结束语

通过对奥氏体不锈钢复合钢焊接性及大直径复合管的焊接方法的分析研究，制作相应的焊接工艺评定，我们形成了一套合理的焊接工艺，并用其指导现场焊接，焊接质量得到很好的控制，效率相对手工焊有了很大的提高，以此证实该种焊接方法接焊接工艺合理，可在生产中广泛应用。