| 1 引言
油气中含有大量的H2S、CO2、高氯化物等腐蚀介质，对油气、输送管道及处理设备具有高腐蚀性。为了使管道及设备有更高耐腐蚀性、更长的使用寿命，同时又具有较低的制造成本，双金属冶金复合成为了目前******的选项。通用的制造方法是在低合金管道或设备内表面堆焊一层镍基合金，这样将镍基合金的耐蚀性能与低合金钢优异的力学性能进行有机的结合，同时避免了使用镍基纯材可能导致高昂材料成本。
2 试验材料及分析
2.1 试验材料
试验母材采用成都钢钒有限公司生产API 5L X65，PSL2钢管（Φ219mm×25.4mm），化学成分见表1，力学性能见表2。
表1 API 5L X65的化学成分 （wt%）
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C
|
Mn
|
P
|
S
|
Cr
|
Si
|
Ni
|
Mo
|
|
0.16
|
1.49
|
0.016
|
0.004
|
0.06
|
0.31
|
0.04
|
0.05
|
|
Cu
|
Ti
|
V
|
B
|
Nb
|
-
|
-
|
-
|
|
0.05
|
0.03
|
0.01
|
0.0005
|
0.03
|
-
|
-
|
-
|
表2 API 5L X65的力学性能
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抗拉强度
Rm/Mpa
|
屈服强度
Rp0.2/Mpa
|
伸长量
A/%
|
布氏硬度
HBW
|
冲击功（-40℃）
KV/J
|
|
667
|
562
|
23
|
185
|
99.5，75，106，93.5
|
2.2 材料分析
API 5L X65是石油、化工、天然气管路中用量较大的管线钢之一，该钢通过微合金化、洁净冶炼和现代控冷控轧技术，具有良好的强韧性。但X65在焊接热循环的作用下，接头热影响区 （HAZ）常发生局部组织晶粒粗大和韧性下降的问题，严重时会造成接头开裂，甚至诱发安全事故。
Inconel625为单项奥氏体组织，焊接时由于硫、磷、铅等低熔点金属混入，容易在晶间偏析或聚集，导致热裂纹的产生；如果热输入过大，会导致晶粒粗大并在粗大的柱状晶边界集中低熔点共晶物，在焊接应力的作用下形成热裂纹。由于Inconel625的固液相温度区间比较小，而且熔池黏稠、流动性也比较差，假如焊缝金属的冷却速度比较快，熔池中的气体来不及逸出，极易产生气孔，氧气、氢气、二氧化碳、一氧化碳气体在液态下溶解度很大，而在固态下的溶解度明显减小，Inconel625焊接时气体在熔敷金属中的溶解度也随之下降，游离出来的气体在流动性差的液态焊缝中就可能因为未完全逸出而被凝固在焊缝中形成气孔。由于Inconel625焊缝金属流动性差的原因，焊接时也易产生夹渣缺陷。
通过相关技术要求综合分析发现X65/Inconel625复合管制备时需要面临三个主要问题：
（1）内壁堆焊时应控制热输入，不仅不能对基管的性能产生不利影响而且还要保证堆焊层的耐蚀性能和完整性。
（2）堆焊时要求保持低的稀释率，堆焊层Fe含量不能超过5%。
（3）由于内壁堆焊质量检测比较困难，要求焊接质量可靠性高。
2.3 焊接方法
目前管子内壁堆焊的焊接方法总的来讲只有TIG、MIG两种，TIG焊根据焊丝又细分为冷丝、热丝、双丝等，MIG焊又分为普通MIG和脉冲MIG等。
Inconel625含有大量的Cr、Mo等元素，使其具有良好的耐蚀性，特别是在含有Cl-离子的酸性溶液中具有其他耐蚀合金无法与之相比的独特耐蚀性能。但是由于在堆焊过程中稀释率的产生，Inconel625堆焊层混入Fe元素并降低Ni、Cr、Mo等元素的含量，导致其耐蚀性下降。当堆焊层中存在大量的Fe元素时将会严重的降低其在腐蚀环境中的使用寿命。热丝TIG焊可以有效地降低焊接过程中对于母材的热输入，降低稀释率，从而增加堆焊层的耐蚀性能。基于复合管制备所面临的三个主要问题，并结合前期的大量试验，经综合考虑选择热丝TIG焊作为X65/Inconel625复合管制作的主要焊接方法。
2.4焊接材料
根据技术规格书的要求焊材选择ER NiCrMo-3（Inconel 625），根据前期的试验数据，并考虑到焊材稳定性等因素，选用INCONEL Filler Metal 625，直径1.2mm, 化学成分见表3。
表3 焊材化学成分 （wt%）
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焊材牌号
|
C
|
Si
|
P
|
S
|
Cu
|
Mn
|
|
INCONEL Filler Metal 625
|
0.01
|
0.05
|
0.001
|
0.001
|
0.001
|
0.02
|
|
焊材牌号
|
Ni
|
Cr
|
Mo
|
Fe
|
Ti
|
Nb+Ta
|
|
|
INCONEL Filler Metal 625
|
65.06
|
22.28
|
8.61
|
0.19
|
0.16
|
3.71
|
3 焊接性试验
由材料分析可知，X65内壁堆焊Inconel625接头除了要进行机械性能测试、无损检测之外，还要进行ASTM G48 A法腐蚀试验，宏观、微观金相评估等试验项目。为此在焊接过程的各个环节都应做到精细控制，从而获得优良的焊接接头。
3.1 焊前准备
油污、锈、硫、磷及某些低熔点元素能增加Inconel 625合金焊接裂纹及气孔倾向，因此在堆焊前必须对X65管子内壁进行喷砂或酸洗处理，将这些杂质完全清除。砂轮片、金属刷、气体陶瓷喷嘴等其他辅助工具应使用Inconel625专用工具，禁止与其他焊接材料的混用。
3.2 预热及层间温度
由于Inconel625的组织特性，X65内壁堆焊Inconel 625通常不需要预热。
层间温度、热输入是影响冷却速率的最重要的因素。过高的层间温度或热输入可能削弱接头耐蚀性，严重时会引起焊接裂纹。层间温度和热输入必须相互协调达到平衡，以保持接头******性能。******层间温度一般不超过150℃。在焊接时应随时监控以确保层间温度不超过限定值。
3.3焊道布置
为了保证堆焊层优良的耐蚀性能，采取两层堆焊，每道搭接50%，具体细节如图1所示。
图1 焊道布置图
为了减小堆焊层的稀释率，焊接时，焊枪应保持4545°±5°的倾角。
3.4 焊接参数
热输入量为单位长度焊缝所接受的能量，是影响焊接热影响区晶粒长大及冲击韧性的一个重要因素。随着热输入的增大，晶粒尺寸有一个急剧粗化的过程。热影响区严重粗化的晶粒将导致热影响粗晶区的韧性明显下降，严重时还会导致热裂纹的发生。因此为了获得******的接头性能，应严格控制热输入。经过大量试验得出，堆焊热输入应控制在0.7kJ/mm以下。具体焊接参数如表4所示。
表4 焊接参数
|
焊接
方法
|
焊层
编号
|
焊丝直径
(mm)
|
电流
(A)
|
电压
(V)
|
焊速
(mm/min)
|
热输入
（kJ/mm）
|
|
PGTAW
|
1
|
1.14
|
P:210～240
B:100～145
|
12～14
|
250～320
|
0.46～0.58
|
|
PGTAW
|
2
|
1.14
|
P:230～260
B:160～190
|
13～15
|
300～360
|
0.46～0.63
|
4 试验结果与分析
4.1 无损检测
焊接结束后通过内窥镜检查合格后，对复合管进行超声波及渗透检测。
通过检测结果可以看出，采用热丝TIG在X65管内壁堆焊Inconel 625能够获得优异的焊接质量。
4.2 侧弯试验
通过侧弯试验来评价材料承受变形及界面冶金结合的能力，同时也能在弯曲载荷下进一步评价堆焊层的焊接质量。将加工好的标准弯曲试样在WE-100型万能试验机上进行弯曲试验。按照规范要求取4个侧弯试样，用3t（t为母材厚度）的压头直径进行弯曲试验，弯曲角度180°，在弯曲后的试样表面无裂纹且在任何方向上无长度大于3mm的其他缺陷，试验结果满足规范及技术规格书的要求。
4.3 宏观试验
图2 焊缝宏观图像
通过焊缝宏观检查（如图2所示）发现焊缝完全熔合、无裂纹、夹渣等缺陷。
4.4硬度试验
图3 硬度检测位置示意图
按图3所示的位置对堆焊接头进行硬度测量，硬度值如表5所示。
表5 焊接接头硬度测量值（HV10）
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
|
223
|
224
|
179
|
160
|
211
|
212
|
184
|
168
|
|
9
|
10
|
11
|
12
|
-
|
-
|
-
|
-
|
|
204
|
210
|
165
|
155
|
-
|
-
|
-
|
-
|
从表5可以看出：堆焊层的硬度值均在200～310 范围内，其他区域硬度值也均小于250HV10，满足技术要求。
4.5 点蚀试验
点蚀试验按照ASTM G48-A执行，将试样在6%FeCl3•6H2O溶液中浸泡24h，试验温度保持在40±1℃，在50倍显微镜下观察无麻点，如图4所示。
图4点蚀试样表面形貌
4.6 化学成分分析
按照GB/T 223对图5试样进行化学成分分析，分析结果如表6所示。
图5 化学成分分析试样
表6 堆焊层化学成分检测结果 （wt%）
|
C
|
Mn
|
P
|
S
|
Cr
|
Si
|
Ni
|
Mo
|
|
0.014
|
0.02
|
0.005
|
0.002
|
21.39
|
0.06
|
> 64
|
8.98
|
|
Cu
|
Fe
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
|
< 0.01
|
1.09
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
通过分析结果可以看出堆焊时稀释率较低，满足Fe含量小于5%的技术要求。
5 结论
5.1采用热丝TIG的焊接方法，可以成功进行API X65/Inconel625复合管的制备。
5.2焊道的布置、热输入的控制对控制Inconel625堆焊层的质量、性能至关重要，通过合理的布置焊道顺序、焊枪角度及焊接参数，完全可以获得满意的焊接接头。
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