一種大壁厚鎳基合金/碳鋼層狀結構複合管的製造方法與流程

2023-12-01 21:56:11

本發明屬於大壁厚層狀結構複合管材製造技術領域，具體涉及一種大壁厚鎳基合金/碳鋼層狀結構複合管的製造方法。

背景技術：
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鎳基合金/碳鋼層狀結構複合管材，具有優良的界面結合強度，能很好避免分層、塌陷等質量問題；能滿足強腐蝕性介質儲運服役條件要求，最大限度地實現材料的優勢互補，顯著降低管道建設成本，提高管道耐蝕性和安全可靠性。將有效解決我國塔裡木油田、長慶油田、西南油田等各大油田由於「四高一低」(即高CO2、高H2S、高Cl-、高礦化度、低PH值)引起的原油集輸和煉化中出現的儲運設備腐蝕失效等問題，為國家油氣開採和管網建設提供支撐。

鎳基合金/碳鋼層狀結構複合管材，機械性能(包括拉伸性能、低溫衝擊韌性、DWTT性能等)主要由外層碳鋼貢獻，而鎳基合金主要起抗腐蝕作用。目前國內關於複合管普遍採用的制管方法有離心澆鑄、冷加工擴散退火、液壓脹合、爆炸複合、爆炸複合+焊接、熱穿孔+擴散複合等。

2013年10月16日公布的公布號為CN 103350124A的中國發明專利，專利名稱為一種輸送石油天然氣的直縫雙金屬複合焊管的製造方法，該製造方法為：將復層為耐蝕合金層和基層為碳鋼以「爆炸+熱軋」方式結合在一起的雙金屬複合板通過JCOE成型工藝成型為直縫管狀，最後通過焊接工藝將直縫焊接製成復層在內基層在外的直縫雙金屬複合焊管；「爆炸+熱軋」方式結合在一起的雙金屬複合板，實現層狀複合板的冶金結合，本發明主要是針對鎳基合金/碳鋼層狀結構複合管材的製造，由於鎳基合金及其焊縫、過渡界面處對主要耐蝕金屬元素Ni、Cr、Mo的成分量有嚴格要求，合金元素的稀釋和燒損是焊接中亟待解決的工程問題。上述已公布的製造方法中所述的破口設計以及焊接工藝不適用於本發明。

技術實現要素：
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為了克服上述技術問題，本發明的目的是提供一種大壁厚鎳基合金/碳鋼層狀結構複合管的製造方法，採用本發明的製造方法可使各熔敷區金屬過渡熔焊連接質量可靠，可有效控制主要耐蝕金屬元素Ni、Cr、Mo的成分量，使焊縫具有可靠耐蝕性能和優良機械性能。

為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：一種大壁厚鎳基合金/碳鋼層狀結構複合管的製造方法，其特徵在於：將鎳基合金層和碳鋼層通過「真空熱軋+熱處理」方式製備成冶金層狀結構複合板；然後對複合板兩縱邊進行「U+I+V」破口加工；再採用JCO多道次漸進壓製成管狀，鎳基合金層在管內側，碳鋼層在管外側；最後採用合理的焊接工藝在破口處進行碳鋼層、過渡層和鎳基合金層焊接，製成鎳基合金/碳鋼層狀結構複合管。

上述鎳基合金層為UNS N08825、UNS N06625或同系列的Ni-Cr-Fe耐蝕高溫合金，鎳基合金層的厚度為2～4mm；碳鋼層為Q235、Q345、X52、X60、X65、X70、X80、X90或X100碳素結構鋼、壓力容器鋼和高強高韌管線鋼，厚度為18～30mm。

上述「U+I+V」坡口的參數為：鎳基合金層一側為「U」型坡口，寬度為5～12mm，深度為4～6mm，且深度大於鎳基合金層厚度；碳鋼層一側為「I+V」型坡口，坡口角度為60～80°，寬度為13～23mm，深度為4～10mm，鈍邊為5～15mm。

上述焊接工藝是：先採用SAW焊進行碳鋼層焊接，形成碳鋼層熔敷區；再採用TIG焊進行過渡層焊接，形成過渡層熔敷區；最後採用TIG焊對鎳基合金層進行填充蓋面焊接，形成鎳基合金層熔敷區。

上述過渡層熔敷區的厚度與鎳基合金層/碳鋼層的界面平齊或超出0～1.0mm，且完全覆蓋碳鋼層。

上述碳鋼層、過渡層和鎳基合金層焊接的全過程均採用惰性氣體對焊縫區及附近區域充分保護。

上述焊接工藝中進行碳鋼層焊接之前在管外側碳鋼層先採用MAG焊進行預焊。

本發明的有益效果：

本發明通採用「U+I+V」特型複合坡口設計，採用MAG焊、SAW焊和TIG焊分別依次按照預焊層、碳鋼層、過渡層、鎳基合金層熔敷區的先後順序進行焊接，能顯著提高複合管制造效率，既能保證覆層鎳基合金的耐蝕性，又能確保基層碳鋼的強韌化要求，使焊縫具有可靠的焊接質量和優良的綜合力學性能。

附圖說明：

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細地描述。

圖1為本發明大壁厚鎳基合金/碳鋼層狀結構複合管結構示意圖。

圖2為圖1中複合管完成焊接後整體焊縫的局部放大圖。

圖3為過渡界面微區顯微組織。

附圖標記說明：1為碳鋼層；2為鎳基合金層；3為複合管整體焊縫；4為碳鋼層熔敷區；5為過渡層熔敷區；6為鎳基合金層熔敷區。

具體實施方式：

參見圖1，以「真空熱軋+熱處理」工藝製備的大壁厚UNS N08825/X65鎳基合金/管線鋼層狀結構複合板材為實驗原料板材，UNS N08825鎳基合金層2一面在上，X65碳鋼層1一面在下，清理板材雙面雜物、硬塊等後進行複合管的製造，步驟依次為：

步驟1：根據圖1中坡口設計形式對UNS N08825/X65鎳基合金/管線鋼層狀結構複合板材進行焊接特性坡口加工，UNS N08825鎳基合金層2的「U」型坡口深度和寬度分別為5.5mm和11mm，且坡口底部為圓弧狀；X65碳鋼層1的「I+V」型坡口寬度、深度、角度和鈍邊分別為20mm、12mm、80°和10mm。

步驟2：採用JCO多道次漸進壓製成管狀，同時對碳鋼層1外坡口進行MAG預焊接，形成預焊層MAG熔敷區。

步驟3：待完成成形預焊後，從鋼管外側即X65碳鋼層1一側整體採用SAW焊接，形成碳鋼層熔敷區4；待碳鋼層熔敷區4完成焊接後空冷至室溫，從UNS N08825鎳基合金層一側對「U」型坡口進行坡口清根處理，使坡口底部為圓弧狀過渡，對坡口附近區域進行拋光並用丙酮和乙醇進行整個清洗且迅速吹乾；然後採用TIG焊進行過渡層焊接，形成過渡層熔敷區5；最後進行UNS N08825鎳基合金層2的TIG填充、蓋面焊，形成鎳基合金層熔敷區6。

焊接工藝參數如下表1、2、3所示，焊縫性能如表4所示：

表1 MAG焊接參數

表2 SAW焊接參數

表3過渡層和復層焊接參數

表4焊縫性能測試結果

鎳基合金層和碳鋼層過渡界面區主要耐蝕合金元素Ni、Cr、Mo含量的減少是造成焊縫耐蝕性能減弱的主要因素。本發明的解決方法是採用小線能量、低熱輸入TIG焊方法進行過渡層焊接，儘可能降低焊接高溫複雜冶金作用對界面微區內微觀組織特徵和Ni、Cr、Mo元素擴散遷移的影響，使過渡界面微區組織均勻性提高(如圖3所示)，合金元素稀釋作用減弱。通過對界面微區合金元素掃描分析，發現主要耐蝕合金元素Ni、Cr、Mo的含量發生了微小變化，但對焊縫耐蝕性的影響微弱，根據ASTM 262《檢測奧氏體不鏽鋼晶間腐蝕敏感度的標準實施規範》方法E對複合管覆層焊縫進行晶間腐蝕試驗，彎曲後未發生龜裂或裂紋，根據ASTM G48《使用三氯化鐵溶液做不鏽鋼及其合金的耐麻點腐蝕和抗裂口腐蝕性試驗的標準方法》方法A對複合管覆層焊縫進行點蝕試驗，結果完全滿足相關標準要求，複合管焊縫仍然具有優良且可靠的耐腐蝕性。

綜上，採用本發明公開的製造方法可以獲得力學性能優良、耐腐蝕性能可靠的大壁厚鎳基合金/碳鋼層狀結構複合管產品。

本發明適合於大口徑(直徑≥508mm)、薄復層(復層厚度≤4mm)、大壁厚(18mm≤壁厚≤30mm)的鎳基合金/碳鋼層狀結構複合管材的工程化、批量化生產，具有很高的實用價值。

以上內容是結合具體的優選實施方案對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施方式僅限於此，對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，做出的若干簡單推演、替換或變換等都應當視為屬於本發明所提交的權利要求書確定專利保護範圍。