不锈钢内衬复合管焊接工艺的改进

　　摘要：在油田开发的过程中，腐蚀一直形影相伴，特别是在油气的集输管线、污水管线、注水管线等恶劣工况下。在现场工程应用中，使用不锈钢内衬钢管越来越多，但是该类钢管在现场焊接中存在一些影响接头质量的因素。本文就接头的处理和焊接进行较深入研究，并佐以全面的理化和机械性能试验验证改进的合理性，得出了相应的、可行的结论。
　　关键词：不锈钢内衬；复合管；焊接
　　一、背景
　　在油气田开发过程中，腐蚀是自始至终存在的严重问题，它不仅造成了巨大的经济损失，而且可能带来一些灾难性后果。许多油气井的油层埋藏深、压力高、气候土壤条件恶劣，生产井的产出水具有高氯离子含量、高矿化度、高CO2含量、低PH值等特点又使其具有强腐蚀性，因此造成集输管线的内外腐蚀不可避免。在埋地管线外防护比较理想的情况下来看，由于输送介质的原因造成的内腐蚀占大多数。介质中的CO2、H2S、高氯离子含量、高矿化度等是造成腐蚀的主要影响因素。
　　目前针对管道的内腐蚀防护采用的管材主要有：内衬不锈钢复合管、玻璃钢多层复合防腐管、钢骨架塑料复合管、玻璃钢管等。
　　在实际应用中，由于输送介质性质的原因，玻璃钢多层复合防腐管、钢骨架塑料复合管、玻璃钢管等多应用于污水、注水、少量的低压集输管线等，而对高压输油输气管线则多使用内衬不锈钢复合管，
　　二、存在问题
　　不锈钢－碳钢复合板已经得到多年的、广泛的应用，特别是在石油炼化行业。而内衬不锈钢复合管的结构有其特殊性，从结构上看，内衬层厚度在0.8-2mm之间，内衬层比碳钢基层长出1-3mm，基层和复合层是通过内挤外压达到紧密接触而满足一定的剪切强度要求，在两个接触面的空间还可能存在空气、水分和油污等杂质。
　　在现场的封底焊时，由于内衬层厚度薄；加上管子存在椭圆度，用机加工去掉基层而保留1－3mm的内衬层难度很大；焊接时内衬层极易烧穿（见图－1）。
　　焊接时基层与内衬层之间的杂质受热会分解为水蒸气和CO2气体，在熔池内产生大量气体，严重时发生爆裂破坏熔池。
　　图-1内衬层封底焊烧穿情况
　　焊接的特殊性对焊工的要求也更高，由于内衬不锈层薄，使本来比较难焊接的不锈钢操作更难，容易造成烧穿，留有微小开放型缩口；不锈钢层太薄，在基层碳钢焊接时，同样容易造成烧穿，从而造成碳钢基层的加速腐蚀。
　　焊接结构的特殊性使焊接完成的成品检验也存在更大的困难，常规的复合板焊接，可以先焊基层，待基层检验合格后焊接过渡层，最后焊接耐蚀层，从焊接材料和工艺参数的选择容易保证耐蚀层的性能。而复合管由于内部空间小，接触介质的根部焊道必须先焊接，该层焊道不可避免的受到多次加热，其耐蚀性受到影响。现场施工中不可能单独对不锈钢层进行检验，而对全厚度的X射线检验又很难判断缺陷的具体位置。
　　三、处理方案
　　一般情况下，没有进行端面处理的复合管在现场焊接，有以下三种方案：
　　1、直接进行对接焊接。该方法最为简单，但是内衬层焊接时因为热应力，可能产生向内收缩，内衬层与基层脱离，影响X射线探伤，容易产生烧穿等缺陷，采用手工电弧焊时分离处还容易产生夹渣缺陷。
　　2、内衬层进行封底焊接，然后对坡口进行修磨，再进行对接焊。该方法可以解决复层与基层脱离问题，还可以增加接头处不锈钢的有效厚度，提高耐蚀性，但工艺比较麻烦，在制造工厂直接将钢管端头加工该结构比较理想。
　　3、对整个坡口进行预堆处理（即在整个坡口面堆焊不锈钢层），重新加工坡口，进行坡口对接焊接。堆焊时首先选用合金含量较高的过渡层材料堆焊过渡层，然后选用合金含量较低不锈钢材料堆焊1～3层，加工坡口，保证整个坡口面有约5mm的不锈钢耐蚀层，焊接时为同种钢的焊接，现场焊接难度减小，质量容易保证。该方法最为麻烦，成本最高，一般用于重要构件的异种钢的焊接。
　　四、试验程序
　　在试验中采取上述方法中的的第二种，按照图－2所示对不锈钢内衬钢管进行处理。在焊接过程中，背面采用氩气保护防止氧化，并改善背面焊缝成形。
　　1、封焊
　　采用图－2a的结构，管端加工4－5mm的钝边，用钨极惰性气体保护焊方法用较小的电流，较快的焊速在其上堆焊2－3层不锈钢层，随后对坡口修磨成角度30～35°，钝边约1mm的坡口（图－2c）。该堆焊层一是起到封底焊作用，二是增加了坡口尖端不锈钢层的有效厚度，使接头的耐蚀性对错边引起的未焊透，以及其它气孔、未熔合的敏感性降低，提高接头的抗腐蚀性能。实际封底焊缝见图-3。
　　图－2坡口处理程序示意图
　　a）封底焊打磨前b）封底焊打磨后
　　图－3实际封底焊缝照片
　　2、组对
　　组对前应采用砂轮清理坡口及两侧的锈污，然后用丙酮或酒精清洗坡口。管子组对尽量采用外对口器，保证坡口间隙复合工艺要求（2－3mm），并且均匀。如果采用点固焊缝组对，必须在背面通气保护的前提下进行。
　　3、打底焊
　　打底层采用单面焊双面成型焊接工艺，焊接位置一般为水平固定，焊接难度较大，对焊工的技术要求高，是复合管焊接质量要求最高的工序。如果打底层出现焊接问题，返修时将会十分困难。
　　焊前必须对管子内部、焊缝背面充99.99％的氩气一段时间，用气体氧含量测试仪从坡口间隙出处深入抽取气体测量管子内部氧含量，当氧含量低于50ppm时开始焊接。焊接从底部6点钟位置开始，分左、右由下向上焊接。
　　4、热焊
　　即第二层焊道，该焊道焊接同样采用钨极氩弧焊方法，内部必须继续通氩气保护。
　　5、填充焊和盖面焊
　　填充焊道和盖面焊道采用手工电弧焊方法，采用多层多道焊方法，层间温度保持100℃以下。焊接从底部6点钟位置开始，分左、右由下向上焊接。盖面焊道要尽量减少咬边缺陷，如果产生，用砂轮打磨掉。
　　6、严格遵照焊接工艺规定的工艺参数（尤其是焊接速度控制）等进行焊接，并应对焊接线能量进行测量并控制（根据公式按实际测量参数进行计算）。焊接过程要逐层检验，清理干净焊渣及飞溅，发现缺陷立即清除或返修。焊接完成后清理表面表明焊渣和飞溅。[!--empirenews.page--]
　　五、检验
　　焊接完成后，对试件进行了无损探伤、金相组织、力学性能和腐蚀性能试验，均满足要求。
　　1、无损探伤
　　对试样焊缝进行了X-射线、超声波无损探伤，发现焊缝中有小的未超标气孔缺陷，未发现裂纹、未焊透及未熔合缺陷。
　　2、金相组织
　　在试件上取全厚度截面试样进行低倍和高倍金相检验。焊接接头低倍检验未发现焊缝及热影响区气孔、加渣、裂纹、未焊透等焊接缺陷。无论封底与否，靠近的内壁复合层没有与基材分离，也没有产生夹渣缺陷。但是采用封底焊工艺，能增加焊接接头根部的不锈钢金属的有效厚度，使接头的腐蚀性对错边引起的未焊透，以及焊接过程产生的根部缺陷敏感性降低，即提高了接头的耐蚀性能。
　　3、力学性能
　　（1）焊接接头拉伸试验
　　焊接接头的强度均大于20G号钢母材的抗拉强度下限（410MPa），且均断于远离焊缝的母材部位，表明焊接接头的强度满足使用要求。
　　（2）导向弯曲试验
　　焊接接头有良好的塑性和致密性。
　　（3）夏比冲击试验
　　试验值均较高，满足相关材料标准的要求。
　　（4）硬度
　　在试件上全厚度截面试样做10kg载荷维氏硬度试验，发现碳钢母材的硬度较低，热影响区次之，焊缝金属的硬度较高。从试验结果来看，焊缝金属的硬度高于母材和热影响区，除了部分试件有的部位硬度超过300Hv外，其余试件所有部位的硬度均在265Hv以下。
　　（5）腐蚀性能
　　在试件上垂直焊缝取样，按照GB/T4334.5－2000《不锈钢硫酸－硫酸铜腐蚀试验方法》进行晶间腐蚀试验，腐蚀后进行弯曲试验，均未出现晶间腐蚀裂纹。
　　六、小结
　　（1）封底焊接，复层与基层不会脱离。封底焊接可以增加接头不锈钢层的厚度，使接头对错边、气孔等缺陷不敏感，增强耐蚀能力。
　　（2）采用氩弧焊封焊、打底和热焊，手工电弧焊填充和盖面的焊接方法，在适当的工艺参数，并采取适当的工艺措施，可以保证接头的性能。
　　（3）焊缝背面的氧化是一个值得重视的问题，实际管道焊接过程中必须加强焊缝背面的保护。
　　（4）集输管道－内衬层厚度的选择，主要应该考虑内衬管生产企业的加工能力、现场焊接因素以及成本问题，内衬层太薄，容易出现内衬层焊接烧穿问题，而内衬层太厚，难以加工，并且加大成本大，结合316L及304不锈钢试验结果，建议内衬层厚度为1-2mm。
　　（5）内衬不锈钢复合管的焊接不同于复合板的焊接，焊接难度很大，必须通过正确的选材和关键的工艺措施来保证焊接质量；
　　（6）由于焊接难度大，需通过试验确定内衬不锈钢复合管（20G/316L及20/304）现场焊接的严格、规范的焊接工艺规程；
　　参考文献：
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