双金属复合管焊接工艺工程实践

闫光宁，李颂宏，王 强，马庆乐，于国富

1.中国石油天然气管道局第二工程公司培训中心，江苏徐州 221008

2.中国石油天然气管道局第二工程公司二分公司，江苏徐州 221008

双金属复合管焊接工艺工程实践

闫光宁1，李颂宏1，王 强2，马庆乐2，于国富2

1.中国石油天然气管道局第二工程公司培训中心，江苏徐州 221008

2.中国石油天然气管道局第二工程公司二分公司，江苏徐州 221008

各种酸性有害介质的腐蚀是困扰许多油气田开发的一项难题，近年来，国内外逐渐采用双金属复合管替代传统低碳钢管、低合金钢管和不锈钢管。新疆克拉苏气田克深5区块试采集气干线管道工程，管道长度33.08 km，施工中采用镍基焊材较好地解决了各种酸性有害介质造成的管道焊道的腐蚀穿孔问题。介绍了双金属复合管管道工程焊接工艺评定、工程焊接工艺参数、管内充氩装置、焊接操作要领、工程焊接注意事项、双金属复合管常见焊接缺陷及防止措施、工程实际焊接效果等内容。工程实践表明，自2015年6月开工至2016年3月，共完成焊口1 637道，焊接一次合格率为94.65%；全线施工焊接的15处金口，22处连头，均一次焊接合格。

双金属复合管；镍基焊材；焊接工艺；操作要领

在油气田开发过程中，各种酸性有害介质的腐蚀是困扰许多油气田开发的一项难题。近年来，国内外逐渐采用双金属复合管替代传统低碳钢管、低合金钢管和不锈钢管，其低廉的价格、较高的承压能力和优异的耐腐蚀性能，节省了投资并提高了油气田运营的可靠性和安全性[1]。由于双金属复合管本身的特殊性，焊接时容易在复层和基层的界面处出现未熔合缺陷，同时基层碳钢中的碳元素向不锈钢中的扩散会降低不锈钢复层的抗腐蚀性能。针对复合管焊接的难点，提出新的焊接工艺[2]。中国石油天然气管道局第二管道工程公司（简称管道二公司）承建了新疆克拉苏气田克深5区块试采集气干线管道工程，管道长度33.08 km。施工中采用镍基焊材较好地解决了有害介质造成的管道腐蚀穿孔问题。采用镍基焊材焊接双金属复合管，焊缝成形良好，无损检测合格率高，特别是力学性能和抗腐蚀性能有了显著的提高，提高了一次焊接合格率和生产效率，降低了施工成本。

1 焊接工艺评定

管道二公司培训中心接到双金属复合管的焊接工艺评定任务后，按以往复合钢管的焊接经验采用不锈钢焊丝和焊条进行焊接，力学性能指标不理想，特别是焊接接头的抗腐蚀性能达不到工程的技术要求。焊接试验人员在查阅了大量文献资料的基础上，分析了造成焊接接头抗腐蚀性能不合格的原因，决定采用镍基焊接材料进行复合钢管的焊接。

1.1 焊接工艺评定用材料及焊接方法

试验采用的复合钢管，管材基层为L360N，复层为316L；管道规格D 323.9 mm×（10+2）mm。复层、过渡层焊接材料采用ERNiGrMo-3镍基焊丝，保护气体为氩气；填充层、盖面层焊接材料采用ENiGrMo-3镍基焊条。复层、过渡层采用钨极氩弧焊，填充层、盖面层采用焊条电弧焊。

1.2 坡口型式及焊接顺序

焊接的坡口型式见图1，焊接顺序见图2。

图1 坡口型式

图2 焊接顺序

1.3 焊缝的性能试验

（1）外观检查。焊缝的外观应符合如下要求：余高0～ 3 mm，宽度为每侧比坡口增加0.5～2 mm，焊缝表面应无气孔、夹渣、裂纹等缺陷。

（2）射线检测。射线检测应达到SY/T 4109规定的Ⅱ级焊缝的要求。

（3）力学性能试验。按NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》进行力学性能试验，试验结果见表1。

（4）晶间腐蚀试验。试验结果见表2。

（5）均匀腐蚀试验。试验结果见表3。

（6）抗腐蚀介质应力腐蚀开裂试验。试验结果见表4、表5。

表1 焊接接头的力学性能试验结果

表2 晶间腐蚀试验结果

表3 均匀腐蚀试验结果

表4 抗氯化物应力腐蚀开裂试验（模拟法）结果

表5 抗氯化物应力腐蚀开裂试验（U型弯曲法）结果

2 焊接工艺参数

根据焊接工艺评定报告，结合工程实际及焊工培训状况，确定的双金属复合管焊接工艺参数见表6。在实际焊接中，焊接工艺参数的选择原则是在确保熔合良好的前提下，选用较小规格的焊材、较小的焊接电流、较薄的焊层、较快的焊接速度以及尽量低的层间温度。特别是复层、过渡层应严格控制热输入，也应注意第一层填充焊道的热输入。

表6 双金属复合管焊接工艺参数

3 管内充氩装置

采用氩弧焊焊接不锈钢时，背面需进行充氩保护，以防焊缝背面和热影响区被氧化。结合工程实际制作简易方便的内部充氩装置，见图3。此充氩装置制作简单，操作方便，保护效果好，并节省氩气。

图3 管内充氩装置示意

4 焊接操作要领

4.1 焊前准备

（1）封焊检查。认真检查坡口处的封焊（封焊由管厂完成）质量，发现有漏焊或熔合不良等应进行修复。当缺陷较严重时应当作废管处理，不得应用于工程。

（2）坡口清理。采用不锈钢专用钢丝刷或不锈钢抛光膜片对坡口及两侧进行清理。坡口及两侧100 mm范围内应无水分、油脂、氧化物等影响焊接质量的污物，坡口及两侧20 mm范围内应见金属光泽。

（3）焊前预热。当环境温度在不低于5℃时，焊前不需预热。当环境温度在5℃以下，并且环境湿度较大时，应将管口预热至30～50℃，此时预热的主要目的是降低坡口及附近的水气。在预热过程中应加热管的外侧，即加热基层，并应避免火焰直接加热复层。

4.2 组装及安装充氩装置

焊前准备结束后应尽快进行组装，组装时采用外对口器。管口初步组装合格后，即可安装充氩装置，并开始充氩。开始时充氩的流量应大些，通常为20～25 L/min，充氩1～2 min后，在焊口的12点钟处将封带开一个口，以尽快排除管内的空气（约需5～10 min）。空气排除后，充氩气体流量调到10～12 L/min，即可开始定位焊接。

定位焊前应再次调整组装尺寸，使管口的间隙、错边达到质量要求。定位焊缝应采用定位块（定位块的材质应与管的基层相同）。定位焊缝应在基层上，不应在复层和过渡层区进行定位焊接。

4.3 复层焊接

焊前用测氧仪测量氧气含量，当氧气体积分数降到2%以下时，方可开始复层的焊接。采用点状快速送丝，焊接速度要快，轻微摆动有利于降低热输入和焊接区的保护。要使焊丝端部始终在氩气的保护区内，以防焊丝被氧化而影响焊接质量。

从6点钟位置起焊，焊接到定位焊点时，将定位焊缝金属去除后，继续焊接（定位焊缝金属不得熔入正式焊缝）。当焊接到立焊位置时，容易造成焊接速度过慢，这时送丝必须跟上，快速将焊丝送至熔池前段1/2处，点入即快速移出，否则会出现焊丝末端的焊丝瘤，影响下一个点的焊接。应做到送丝频率均匀一致，点入焊丝量一致，才能形成外观一致的焊道。关键是控制熔池温度，温度过高焊道会过热氧化而变黑。被氧化后的焊道即使无损检测合格，也不能保证使用时的抗蚀性要求。焊接复层焊道的另一个要点是焊层要薄，要尽量控制不让基层金属熔化到复层焊道中，基层金属的熔入会降低复层的合金含量，也会增加复层的碳含量，这会降低复层的耐腐蚀性能。要获得美观的焊缝，很大程度上取决于正确控制熔池的温度，焊缝的颜色以银白色最佳，见图4，金黄色和蓝色为合格，灰色和黑色为不合格[3]。

图4 焊道呈银白色

4.4 过渡层的焊接

复层焊接完成，并经外观检查合格后，采用不锈钢专用砂轮片磨除复层焊道的高凸处。焊接过渡层焊道时，背部充氩不应停止，但可适当降低充氩的流量。测量复层焊道的温度，待温度降至60℃以下时，方可开始过渡层的焊接。在过6点钟10～20 mm位置引燃电弧，焊枪与管道切线夹角为70°～85°，焊丝与焊枪夹角为100°～120°，焊层厚度应控制在1.5～2 mm。在确保熔合良好的前提下，采用小电流、快焊速，以降低熔池的高温停留时间，防止因过热而降低复层的抗腐蚀性。同时要尽量控制基层金属的熔入量。

4.5 填充层的焊接

过渡层焊接完成，并经外观检查合格后，对焊道表面的不平处进行适当修磨，待过渡层温度降至80℃以下时，即可开始第一层填充焊道的焊接。由于复层焊道和过渡层焊道太薄，第一层填充焊道对复层仍会产生较大的影响，所以焊接第一层填充焊道时，背面充氩应继续，但氩气的流量可再降低些。

填充层采用焊条电弧焊，在6点钟位置引燃电弧形成熔池后，采用月牙形的运条方法快速薄层焊接。焊条与管道切线夹角为75°～90°，注意控制熔池温度，减少高温滞留时间，防止根焊背面氧化，两侧熔合好就快速运条前行。平焊位置注意控制焊条角度和运条方法，防止出现熔渣分离不清而产生夹渣。第一层填充焊道焊接完成后，即可停止内部充氩，但充氩装置仍不能撤除，应一直保持到整个焊缝焊接完成后。

第一层填充焊道焊接完成后，经外观检查合格，待层间温度降到80℃以下时，即可开始第二层填充焊道的焊接。第二层填充焊道的焊接与第一填充焊道的要求基本一致。填充焊道应焊接到距坡口表面1～2 mm为宜，见图5，以利于盖面焊道的焊接。

图5 填充焊道厚度

4.6 盖面焊道的焊接

填充焊道焊接完成，并经外观检查合格后，进行修磨，待填充焊道温度降至100℃以下时，即可开始盖面焊道的焊接。盖面焊道采用焊条电弧焊，焊接时应保持摆幅一致、摆频一致、摆速一致、摆宽一致和电弧长度一致。焊条与管道切线夹角为80°～90°，左右应垂直于管道轴线。更换焊条要快，在上一根焊条结束点前10 mm处引燃电弧并快速拉至接头处，将接头弧坑填满后迅速进入正常焊接。前半周焊接完成后，应将前半周的6点钟和12点钟接头处打磨成斜坡状，以利于后半周的接头焊接和防止接头处产生缺陷。当层间降温至100℃以下，方可开始后半周的焊接。

盖面焊道的余高应为0～3 mm，焊缝宽度应为坡口宽度两侧各增加0.5～2 mm。焊缝的余高、宽度应均匀一致，并应与母材圆滑过渡。焊缝表面应无裂纹、气孔、夹渣等缺陷，咬边深度应＜0.5 mm。

5 工程焊接应注意的其他事项

（1）磁偏吹。不锈钢无磁性，碳钢有磁性。在施工中发现，管口组对后剩磁数值增大，并超过了技术文件小于15×10-4T的允许范围，焊接时产生电弧磁偏吹，造成焊接困难，甚至无法焊接。用焊接电缆缠绕管体的方法来消磁，既简单又方便。若缠绕后焊接时出现磁场增强的现象，则说明磁场方向错误，将焊接电缆反向缠绕即可[4-5]。磁场的强弱可通过缠绕圈数来解决，圈数越多磁场越强，圈数越少则磁场越弱。

（2）防风措施。由于新疆特殊的地理环境，风沙天气较多，因此在采用钨极氩弧焊和焊条电弧焊进行焊接时，特别是钨极氩弧焊时，应采取有效的防风措施，方能保证焊接质量。

（3）氩气的纯度。由于施工当地的氩气质量不够稳定，所以每一批氩气在使用前都应进行氩气的纯度检验，氩气的体积分数必须达到99.96%，方可用于工程焊接。

（4）焊工的操作水平。焊工的操作水平是决定焊接质量最关键的环节之一，在工程开工前应对焊工进行严格的培训和考试，以提高焊工的操作水平，操作水平不达标的焊工，不得从事工程的焊接。

（5）严格的过程控制。对于双金属复合管的焊接质量，除要求外观质量和无损检测质量合格外，还要求力学性能和耐腐蚀性能合格。外观质量和无损检测质量是否合格可通过焊后检测来验证，而力学性能和耐腐蚀性能是否合格是不可能通过焊后检验所有焊接接头来验证的，而只能取少量的焊接接头来验证。所以必须用严格的焊接过程控制来保证焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能。首先要教育焊工严格执行焊接操作规程，并设专人监督焊接过程。发现有违反焊接工艺规程的现象，即使外观检查合格、无损检测也合格的焊口，也必须割除重新焊接。

6 常见缺陷的产生原因及防止措施

常见缺陷产生的原因及防止措施见表7。

表7 常见缺陷产生的原因及防止措施

7 结束语

中国石油天然气管道第二工程公司承建的新疆克拉苏气田克深5区块试采地面集输管道工程，线路总长度33.08 km。复合管基层材质为L245N、L415Q、 L360N，厚度分别为 8～ 10 mm；复层材质为316L，厚度分别为2、2.5 mm；管直径为114.3～355.6 mm。自2015年6月开工至2016年3月，共完成线路长度19.15 km的焊接，焊口1 637道，焊接一次合格率为94.65%。全线施工焊接的15处金口、22处连头，均一次焊接合格。焊接质量和焊接效率达到了工程要求，并取得了较好的经济效益。

[1]许爱华，院振刚，杨光，等.双金属复合管的施工焊接技术[J].天然气与石油，2010，28（6）：22-28.

[2]吕世雄，王廷，冯吉才.20G/316L双金属复合管弧焊接头组织与性能[J].焊接学报，2009，30（4）：93-96.

[3]王永芳，袁江龙，张燕飞，等.双金属复合管的技术现状和发展方向[J].焊管，2013，36（2）：5-9.

[4]张立君，张燕飞，郭崇晓.双金属复合管焊接工艺研究[J].焊管，2009，32（4）：30-34.

[5]田彩钢.L245/316L双金属复合管焊接技术[J].石油工程建设，2012，38（2）：48-50.

Engineering Practice ofWelding Double MetalComposite Pipe

YAN Guangning1，LISonghong1，WANG Qiang2，MAQingle2，YU Guofu2
1.Training CenterofChina Petroleum and NaturalGas Pipeline Second Engineering Company，Xuzhou 221008，China
2.Second Branch ofChina Petroleum and NaturalGas Pipeline Second Engineering Company，Xuzhou 221008，China

Corrosion caused by various acid mediums is a difficult problem bedeviling development of many oil and gas companies.In recent years，the double metal composite pipes substitute gradually the traditional pipes of low carbon steel，low-alloy steel and stainless steel.In the trial production pipeline project of Ke-Shen Fifth Block of Kelasu Gas Field，nickel based welding materialwas used for the 33.08 km long pipeline and solved the weld corrosion and perforation problems caused by various acid mediums.This paper introduces the welding process assessment，welding process parameters，argon filling device working inside pipeline，welding operation essentials，welding matters for attention，common welding defects and prevention measures，practicalwelding effectiveness.This welding technology was used for the project from June 2015 to March 2016，and finished 1 637 welds with the primary qualified rate of 94.65%；15 special joints and 22 joints in the whole pipeline were welded and qualified in primary welding operations.

double metalcomposite pipe；nickelbased welding material；welding technology；operation essential

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.012

闫光宁（1972-），男，江苏南京人，技师，1991年毕业于中国石油天然气管道第二工程公司技工学校，主要从事焊接教学工作。

2016-07-15

Email：yanguangning72@163.com