复合钢管中镍基合金喷焊层对焊缝裂纹敏感性的影响

魔神

    

　　引言

　　在石油系统及其他腐蚀环境恶劣情况下，传统的涂层防护方法是有机涂层防护，但是有机涂层存在易老化、不耐高温等缺点，利用火焰喷熔玻璃釉料在管道内外壁上制备玻璃涂层的防腐工艺是目前一项新技术，防腐效果相当好。但是焊接时玻璃釉层由于脆性大、塑韧性差，焊缝附近的玻璃釉层会在焊接热循环的作用下出现脱落、开裂等缺陷。就失去了防护作用。石油大学(华东)曾提出“一种取代金属焊后防腐处理的焊接方法”(详细情况请参阅该项专利，专利申请号97106107)。即，先在碳管道上喷焊一层镍基合金，采用THL焊条焊接带镍基合金喷焊层的碳钢管道，这相当于复合钢板的焊接。焊接时要求THL焊缝金属和喷焊层连成一体构成对整个碳钢管道的防护层，如图1所示。这样，镍基合金喷焊层会部分重熔与焊缝金属混合。其中的各种成分(Ni，B，Si等)将会分布到焊缝中使焊缝的组织性能发生变化。本论文采用模拟实际焊接情况，研究了镍基合金喷焊层的厚度对焊缝热裂纹敏感性的影响。为完善此工艺、解决油田管道焊接接头防护问题打下了基础。

　　1试验方法与材料

　　1.1试样的制备

　　实验材料为Q235钢板，供货状态为热轧，其成分见表1。试块下料采用剪板机剪切，坡口的加工为铣削加工。试件试验前对待用面进行砂轮打磨除锈处理。

　　1.2制备喷焊层

　　先将试块坡口背面离板边约20 mm范围内的锈蚀用电动砂轮打磨干净。再采用氧-乙炔火焰喷焊的方法制备一层镍基合金层。喷焊层原始粉末成分见表2。喷焊层的范围如图2中的阴影部分所示，喷焊在室外操作，喷焊工具为喷枪，工艺参数如下:氧气压力为0.5MPa，乙炔压力为0.05 MPa，喷焊距离为100mm±20mm。所得的喷焊层厚度为3个级别:0. 3～0.5 mm，0.6～0. 8 mm，1.0 mm以上。喷焊前，烘干喷焊粉末，烘干温度100℃，烘干时间5 h，采用CGT-10型覆层测厚仪测量喷焊层的厚度，并用手持电动砂轮磨光机进行校正。

　　1.3焊接材料

　　焊条选用THL型奥氏体不锈钢耐蚀焊条，其熔敷金属成分含量见表3，焊条直径为3.2mm，试验之前，焊条进行烘干处理，烘干温度350℃，烘干时间5h。

　　1.4试样的焊接

　　因为喷瓷管道的焊接接头要承受较大的拘束应力，为了接近实际情况，该实验采用模拟小铁研实验的焊接方式，两边焊接拘束焊缝，中间焊接试验焊缝。制备了喷焊层的试样经过处理后进行焊接。焊前处理主要包括:坡口的打磨清洁，试样两端拘束焊缝部位坡口背面的打磨清洁。试样的焊接采用交流电焊机手工焊接。

　　先焊接两端的拘束焊缝，拘束焊缝选用J507焊条。要求拘束焊缝冷却之后焊缝间隙为3.0mm以内，并且通过反变形处理使两试块基本在同一平面内。待拘束焊缝冷却之后焊接中间的试验焊缝。要求中间试验焊缝焊完时用完一根焊条。焊接完毕后垂直焊缝截面示意图如图1所示，试验焊缝焊接工艺参数为:焊接电流为100A，焊接速度为5mm/s。

　　待试样焊接完成后，采用国标中规定的小铁研试样评定标准进行评定。

　　2试验结果与分析

　　试样焊接后评定结果见表4。

　　试验焊缝裂纹有的是焊接过程中发生，有的在焊后短时间内出现，裂纹断面有氧化的彩色，由此可判断裂纹属于热裂纹。从上面的试验结果可以看出，喷焊层厚度在0.3～0.5mm时裂纹率为都0，厚度在0.6～0.8mm时，裂纹率有所增加，当厚度在1.0 mm以上时，裂纹率则明显高于前两者。这表明喷焊层对奥氏体不锈钢焊缝的裂纹敏感性有明显的影响，随着喷焊层厚度的增加，即焊接过程中熔入奥氏体不锈钢焊缝的喷焊层合金元素的增加，即焊缝的热裂纹敏感性增加。

　　从喷焊层合金成分含量列表中可看出，镍基合金喷焊层中含有大量的Ni，Cr，B，Si等元素，镍在低碳钢中易与硫形成低熔共晶(Ni与NiS熔点仅645℃)。硅是铁素体形成元素，应有利于消除结晶裂纹，但是硅含量超过0. 4 %时，容易形成硅酸盐夹杂，从而增加裂纹倾向。硼在铁和镍中的溶解度很小，但是只要有0.003%～0. 005 %的微量硼就能产生明显的晶界偏析。除了能形成硼化物和硼碳化物之外，还与铁、镍形成低熔共晶(Fe- B熔点为1149℃、Ni-B为1140℃或990℃)，所以喷焊层中微量硼的存在也对焊缝的裂纹敏感性产生了严重影响。一般钢中铬的含量不高时，没有不良影响，但是奥氏体不锈钢焊缝中含有大量的铬元素，这会导致由于不平衡的加热及冷却，使晶界产生偏析产物，如Ni - Cr共晶(熔点1340℃)，从而增加热裂纹倾向。

　　从以上分析可知，喷焊层的主要合金成分都能不同程度的增加奥氏体不锈钢焊缝的热裂纹倾向。从而导致了焊接裂纹敏感性的上升。为了降低焊接管口内侧带喷焊层的管道时打底焊缝的热裂纹敏感性，可以采用预热、后热等措施，并要求严格遵守焊接工艺。

　　3结论

　　在采用奥氏体不锈钢焊条作为打底焊缝焊接管端内侧带镍基合金喷焊层的管道时，由于镍基合金喷焊层重熔，其合金元素熔入焊缝金属中会导致焊缝热裂纹敏感性明显增大。主要原因是喷焊层中所含的Ni，Cr，B，Si等元素在此种焊接条件下都会增加焊缝的热裂纹敏感性。【MechNet】