双金属复合管焊接技术探讨_赵晨光
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根据文献［1］和文献［3］报道， 国内的工艺主 要以手工焊为主， 如迪那 2 气田的复合管施工采 用手工钨极氩弧焊进行衬层和过渡层的焊接， 手 工电弧焊用于基层碳钢的焊接。 海洋石油工程股 份有限公司承担的国内首条双金属复合海地管道 施工中， 引进了 TIP TIG 高效焊接设备， 成功开 发出半自动焊接工艺， 克服了国产复合管椭圆度 大、 组对精度不高的客观条件， 取得了较好的施 工 效 果 ［4］。 2.4 焊接材料的选择
小 ， 约 为 碳 钢 的 1/3， 线 膨 胀 系 数 比 碳 钢 约 大 50%。 由于内外层间存在空隙， 若不采取措施而 直接施焊， 在焊接过程中进行封底焊时很容易导 致不锈钢衬层的收缩应力大于其与碳钢衬层的机 械结合力， 从而发生衬层与基层剥离的现象， 形 成未熔合缺陷。 因此， 对于机械复合管， 需要对 管端进行预处理， 除 了 图 2（b）所 示 的 管 端 封 焊 方式， 还可以采取管端堆焊的方式， 即将不锈钢 衬层预先切除一定长度， 进行内堆焊， 使得在焊 缝附近的基层与衬层形成冶金结合。
复 合 管 外 碳 钢 管 制 造 标 准 有 ： ① API 5L 《 Specification for Line Pipe》 ； ② EEMUA 166 《 Specification for Line Pipe for Offshore Pipelines
图 2 复合板（管）一般焊接顺序
2.2 管端设计 与基层的碳钢相比， 衬层的不锈钢导热系数
3 技术发展趋势分析
双金属复合管在焊接过程中既要保证衬层焊 缝的耐蚀性能， 又要保证基层管材焊缝的强度， 与原单一材质管线相比焊接难度较大。 虽然双金 属复合管在最近十几年， 尤其是美国石油协会制 定双金属复合管道规范之后得到了广泛的应用， 但高可靠性、 高质量、 高效率的焊接工艺及检验 解决方案仍然是困扰业界的一大难题。 3.1 双金属复合管高效焊接设备及工艺
图 1 双金属复合管构造示意图
按双金属复合管基衬层结合形式， 双金属复 合管可分为机械复合管和冶金复合管两类。
机械复合管的制作工艺比较简单， 是将内抗 腐蚀合金钢管插入外碳钢管中， 两管同轴叠加， 通过液压或者燃爆等方法， 使内管产生较大塑性 变形， 外管产生较小的塑性变形， 撤除内压后， 内外管紧密结合在一起。
但是该类材料焊接时， 工艺参数和现场措施 对焊接接头的组织和性能有很大影响。 由于国内 的产品主要为机械结合， 未达到冶金结合， 基层 和衬层间会有一定的缝隙。 其特殊的结构形式导 致焊接时易产生层间未熔合或夹渣、 主要合金元素 烧损、 熔池金属塌陷形成焊瘤、 背面氧化成形不 良、 焊缝周围碳原子迁移影响防腐效果等焊接缺 陷［1］， 并且与耐蚀合金相似， 复合管的焊接效率 较低。 因此， 解决复合管的焊接难题是其大规模
·60·
焊管
赵晨光等： 双金属复合管焊接技术探讨
推 广 应 用 的 关 键 ［2］。 笔者根据双金属复合管材料的焊接特点， 并
结合国内外成功应用的实例， 来探讨双金属复合 管焊接技术， 以供广大施工监理行业的同行参 考、 借鉴。
（Seamless or Submerged ARC Welded Pipe）》。 复合管内衬管制造标准有： API 5LC《Specifi-
0前言
双金属复合管是以碳素钢管或合金钢管为基 管， 在其内表面覆衬一定厚度的不锈钢、 镍基合 金等耐蚀合金的复合管。 这种特殊的结构形式， 使得其兼顾碳钢的耐压性和不锈钢的耐蚀性， 并 且有相对不锈钢价格低廉的特点。 其突出的性价 比和耐蚀性能， 使得其在石油及天然气工业、 化 学工程等行业具有广泛的应用前景。
组对前先将背面气体保护装置装入坡口内。 组对后要注意检查组对间隙和错边量是否满足工 艺要求， 如不满足， 及时矫正， 避免焊接过程出 现根部未熔合或成形不好等缺陷； 焊接时要检测 背面保护气的氧气含量； 整个焊接过程宜采用较 小的焊接规范进行， 并注意层间温度不宜超过 150 ℃， 以防止出现 C-Cr 化合物的析出。
2.1 焊接原则 复合板（管）一般焊接顺序如图 2 所示。 对于
复合板， 一般采取先焊接基层， 再焊接过渡层， 最后焊接衬层（CRA）的原则， 这种焊接顺序（如 图 2（a）所示）有利于衬层散热， 避免层间温度过 高导致衬层耐蚀性能降低。 然而对于复合管， 由 于受空间的限制， 只能采取先焊衬层（CRA）， 再焊 过渡层， 最后焊基层的焊接顺序， 且在衬层焊前预 先进行管端预处理， 这种焊接顺序（如图 2（b）所 示）的缺点是衬层散热不如前者。 为保证接头的强度 和耐蚀性， 必须制定合理的焊接工艺。
如何解决双金属复合管焊接效率较低的问题 一直是国内外研究的焦点。 虽然目前国外已经开 发出全自动 MIG 焊 接 设 备 及 工 艺 ， 焊 接 效 率 较
HAN GUAN
·61·
经验交流Leabharlann Baidu
2013 年 1 月·第 36 卷第 1 期
相对于封焊方式， 堆焊方式虽然成本较高， 但易获得焊接质量好、 可靠性高的接头， 而且为后 续无损检测提供了方便， 一般用于对接头可靠性要 求高的管线， 如输送含强腐蚀介质的海底管线。 2.3 焊接方法
双金属复合管的焊接工艺可以单独采用 GTAW， GMAW 和 SMAW 或 这 些 焊 接 工 艺 相 结 合的方法。 焊接可以采用手工焊、 半自动焊和自 动焊。 目前， 国外的焊接技术较为成熟， 全自动 TIG 或 MIG 焊 接 工 艺 已 经 开 发 成 功 ， 如 法 国 SERIMAX 公司开发的全自 动 GMAW 焊 接 设 备 、 AIR -LIQUIDE WELDING 公 司 推 出 的 TOP TIG 焊接设备均可用于复合管的焊接， 这些工艺使复 合管焊缝质量好， 生产效率高， 但对装配精度要 求高， 工艺使用范围较窄， 一般用于对焊接效率 要求较高的管线， 如长距离集输管线的焊接。
冶金复合管的制作工艺较为复杂， 要在基衬 金属之间形成冶金截面， 主要有粉末冶金法、 离 心铸造法、 喷射成型法等。 由于两者材料性能的 差别， 不是任何一种衬层材料都能与碳钢材料复 合在一起。 1.2 制造标准
目 前 ， 复 合 管 制 造 标 准 有 ： ① API 5LD 《Specification for CRA Clad or Lined Steel Pipe》； ②SY/T 6623—2005 《内 衬 或 衬 里 耐 腐 蚀 合 金 钢 管》（等同采用 API 5LD）。
Discussion on Duplex Metal Composited Tube Welding Technique
ZHAO Chenguang, PENG Qinghua, MA Hongwei, LU Xinyu, CAO Jun
（Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300452, China）
cation for CRA Line Pipe》。
2 焊接技术分析与探讨
1 双金属复合管简介
1.1 产品结构特点与分类 双金属复合管是由外碳钢材料（基层）和内抗
腐蚀合金钢材料（衬层， 厚度一般为 2～3 mm）按机 械或冶金的方式复合而成， 它结合了外碳钢高强 度和内合金钢抗腐蚀的优点， 其构造如图 1 所示。
经验交流
2013 年 1 月·第 36 卷第 1 期
双金属复合管焊接技术探讨
赵晨光， 彭清华， 马宏伟， 鲁欣豫， 曹 军
（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）
摘 要：针对双金属复合管焊接时易产生层间未熔合或夹渣、 主要合金元素烧损、 熔池金属塌 陷形成焊瘤、 背面氧化成形不良、 焊缝周围碳原子迁移影响防腐效果等焊接缺陷， 结合双金属 复合管的结构特点及国内外焊接技术应用现状， 分析了双金属复合管的焊接原则、 管端设计、 焊接方法、 焊接材料选取、 坡口设计以及工艺控制要点， 并对其焊接相关技术发展趋势进行了 探讨。 最后指出双金属复合管在进一步发展其高效焊接及检测技术的同时， 应建立适合于双金 属复合管结构特点的耐蚀性能评价体系。 关键词： 双金属复合管； 机械结合； 焊接技术； 高效焊接； 耐蚀性能 中图分类号：TG444 文献标志码：B 文章编号：1001－3938（2013）01-0060-04
受复合管结构形式的影响， 其焊材选择可以 有多种方式。 一般衬层焊接材料应选择与衬层成 分相同的焊丝作为填充材料， 如衬层为 316L， 焊 丝为 ER316L； 过渡层应采用高一级别匹配的模 式 （避免基层碳钢焊材对衬层合金元素的稀释）； 基层焊材应与基管等强度匹配， 这也是目前国内 陆地复合管施工的主要选择模式。 国外的常见模 式是直接采用 CRA 焊材 （与衬层成分相同或高一 级别）填充整个对接焊缝， 这也是综合考虑接头的 强度、 耐蚀性能与施工效率的结果。 2.5 坡口形式与组对
坡口形式一般与所采用的焊接方法、 设备自 动化程度有较大关系， 双金属复合管常见焊接坡 口形式如图 3 所示。 对于手工焊， 一般采用 V 形坡口（如 图 3（a）所 示 ）， 其 对 坡 口 组 对 要 求 不 高， 但焊接填充量大， 焊接效率较低； 对于全自
图 3 双金属复合管常见焊接坡口形式
动焊， 一般采用 U 型窄间隙坡口（如图 3（b）所示）， 其对坡口组对要求较高， 坡口一般采用现场机加 工并借助对口器完成组对， 特点是焊接填充量小， 焊接效率高。 2.6 焊接工艺控制要点
Abstract: Some defects easily occurr during duplex metal composited tube welding ，such as non-fusion or slag inclusion in interlayer， main alloying elements burning loss， welding beading caused from fused bath collapse， the back imperfect oxidation formation， carbon atom around weld influence coating effect and so on. Combined with the the characteristics of duplex metal composited tube and the current application status of welding technology at China domestic and abroad， it analyzed welding principle， pipe end design， welding methods， welding material selection， bevel design， the key points of process control， and discussed the corresponding welding technology development trend. In the end， it pointed out when develop high-effeciency welding and mesurement technique， it should set up assessment system of corrosion resistance property， which is applicable for structural features of duplex metal composited tube. Key words: duplex metal composited tube； mechanical bond； welding technique； high-effeciency welding； corrosion resistance property
小 ， 约 为 碳 钢 的 1/3， 线 膨 胀 系 数 比 碳 钢 约 大 50%。 由于内外层间存在空隙， 若不采取措施而 直接施焊， 在焊接过程中进行封底焊时很容易导 致不锈钢衬层的收缩应力大于其与碳钢衬层的机 械结合力， 从而发生衬层与基层剥离的现象， 形 成未熔合缺陷。 因此， 对于机械复合管， 需要对 管端进行预处理， 除 了 图 2（b）所 示 的 管 端 封 焊 方式， 还可以采取管端堆焊的方式， 即将不锈钢 衬层预先切除一定长度， 进行内堆焊， 使得在焊 缝附近的基层与衬层形成冶金结合。
复 合 管 外 碳 钢 管 制 造 标 准 有 ： ① API 5L 《 Specification for Line Pipe》 ； ② EEMUA 166 《 Specification for Line Pipe for Offshore Pipelines
图 2 复合板（管）一般焊接顺序
2.2 管端设计 与基层的碳钢相比， 衬层的不锈钢导热系数
3 技术发展趋势分析
双金属复合管在焊接过程中既要保证衬层焊 缝的耐蚀性能， 又要保证基层管材焊缝的强度， 与原单一材质管线相比焊接难度较大。 虽然双金 属复合管在最近十几年， 尤其是美国石油协会制 定双金属复合管道规范之后得到了广泛的应用， 但高可靠性、 高质量、 高效率的焊接工艺及检验 解决方案仍然是困扰业界的一大难题。 3.1 双金属复合管高效焊接设备及工艺
图 1 双金属复合管构造示意图
按双金属复合管基衬层结合形式， 双金属复 合管可分为机械复合管和冶金复合管两类。
机械复合管的制作工艺比较简单， 是将内抗 腐蚀合金钢管插入外碳钢管中， 两管同轴叠加， 通过液压或者燃爆等方法， 使内管产生较大塑性 变形， 外管产生较小的塑性变形， 撤除内压后， 内外管紧密结合在一起。
但是该类材料焊接时， 工艺参数和现场措施 对焊接接头的组织和性能有很大影响。 由于国内 的产品主要为机械结合， 未达到冶金结合， 基层 和衬层间会有一定的缝隙。 其特殊的结构形式导 致焊接时易产生层间未熔合或夹渣、 主要合金元素 烧损、 熔池金属塌陷形成焊瘤、 背面氧化成形不 良、 焊缝周围碳原子迁移影响防腐效果等焊接缺 陷［1］， 并且与耐蚀合金相似， 复合管的焊接效率 较低。 因此， 解决复合管的焊接难题是其大规模
·60·
焊管
赵晨光等： 双金属复合管焊接技术探讨
推 广 应 用 的 关 键 ［2］。 笔者根据双金属复合管材料的焊接特点， 并
结合国内外成功应用的实例， 来探讨双金属复合 管焊接技术， 以供广大施工监理行业的同行参 考、 借鉴。
（Seamless or Submerged ARC Welded Pipe）》。 复合管内衬管制造标准有： API 5LC《Specifi-
0前言
双金属复合管是以碳素钢管或合金钢管为基 管， 在其内表面覆衬一定厚度的不锈钢、 镍基合 金等耐蚀合金的复合管。 这种特殊的结构形式， 使得其兼顾碳钢的耐压性和不锈钢的耐蚀性， 并 且有相对不锈钢价格低廉的特点。 其突出的性价 比和耐蚀性能， 使得其在石油及天然气工业、 化 学工程等行业具有广泛的应用前景。
组对前先将背面气体保护装置装入坡口内。 组对后要注意检查组对间隙和错边量是否满足工 艺要求， 如不满足， 及时矫正， 避免焊接过程出 现根部未熔合或成形不好等缺陷； 焊接时要检测 背面保护气的氧气含量； 整个焊接过程宜采用较 小的焊接规范进行， 并注意层间温度不宜超过 150 ℃， 以防止出现 C-Cr 化合物的析出。
2.1 焊接原则 复合板（管）一般焊接顺序如图 2 所示。 对于
复合板， 一般采取先焊接基层， 再焊接过渡层， 最后焊接衬层（CRA）的原则， 这种焊接顺序（如 图 2（a）所示）有利于衬层散热， 避免层间温度过 高导致衬层耐蚀性能降低。 然而对于复合管， 由 于受空间的限制， 只能采取先焊衬层（CRA）， 再焊 过渡层， 最后焊基层的焊接顺序， 且在衬层焊前预 先进行管端预处理， 这种焊接顺序（如图 2（b）所 示）的缺点是衬层散热不如前者。 为保证接头的强度 和耐蚀性， 必须制定合理的焊接工艺。
如何解决双金属复合管焊接效率较低的问题 一直是国内外研究的焦点。 虽然目前国外已经开 发出全自动 MIG 焊 接 设 备 及 工 艺 ， 焊 接 效 率 较
HAN GUAN
·61·
经验交流Leabharlann Baidu
2013 年 1 月·第 36 卷第 1 期
相对于封焊方式， 堆焊方式虽然成本较高， 但易获得焊接质量好、 可靠性高的接头， 而且为后 续无损检测提供了方便， 一般用于对接头可靠性要 求高的管线， 如输送含强腐蚀介质的海底管线。 2.3 焊接方法
双金属复合管的焊接工艺可以单独采用 GTAW， GMAW 和 SMAW 或 这 些 焊 接 工 艺 相 结 合的方法。 焊接可以采用手工焊、 半自动焊和自 动焊。 目前， 国外的焊接技术较为成熟， 全自动 TIG 或 MIG 焊 接 工 艺 已 经 开 发 成 功 ， 如 法 国 SERIMAX 公司开发的全自 动 GMAW 焊 接 设 备 、 AIR -LIQUIDE WELDING 公 司 推 出 的 TOP TIG 焊接设备均可用于复合管的焊接， 这些工艺使复 合管焊缝质量好， 生产效率高， 但对装配精度要 求高， 工艺使用范围较窄， 一般用于对焊接效率 要求较高的管线， 如长距离集输管线的焊接。
冶金复合管的制作工艺较为复杂， 要在基衬 金属之间形成冶金截面， 主要有粉末冶金法、 离 心铸造法、 喷射成型法等。 由于两者材料性能的 差别， 不是任何一种衬层材料都能与碳钢材料复 合在一起。 1.2 制造标准
目 前 ， 复 合 管 制 造 标 准 有 ： ① API 5LD 《Specification for CRA Clad or Lined Steel Pipe》； ②SY/T 6623—2005 《内 衬 或 衬 里 耐 腐 蚀 合 金 钢 管》（等同采用 API 5LD）。
Discussion on Duplex Metal Composited Tube Welding Technique
ZHAO Chenguang, PENG Qinghua, MA Hongwei, LU Xinyu, CAO Jun
（Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300452, China）
cation for CRA Line Pipe》。
2 焊接技术分析与探讨
1 双金属复合管简介
1.1 产品结构特点与分类 双金属复合管是由外碳钢材料（基层）和内抗
腐蚀合金钢材料（衬层， 厚度一般为 2～3 mm）按机 械或冶金的方式复合而成， 它结合了外碳钢高强 度和内合金钢抗腐蚀的优点， 其构造如图 1 所示。
经验交流
2013 年 1 月·第 36 卷第 1 期
双金属复合管焊接技术探讨
赵晨光， 彭清华， 马宏伟， 鲁欣豫， 曹 军
（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）
摘 要：针对双金属复合管焊接时易产生层间未熔合或夹渣、 主要合金元素烧损、 熔池金属塌 陷形成焊瘤、 背面氧化成形不良、 焊缝周围碳原子迁移影响防腐效果等焊接缺陷， 结合双金属 复合管的结构特点及国内外焊接技术应用现状， 分析了双金属复合管的焊接原则、 管端设计、 焊接方法、 焊接材料选取、 坡口设计以及工艺控制要点， 并对其焊接相关技术发展趋势进行了 探讨。 最后指出双金属复合管在进一步发展其高效焊接及检测技术的同时， 应建立适合于双金 属复合管结构特点的耐蚀性能评价体系。 关键词： 双金属复合管； 机械结合； 焊接技术； 高效焊接； 耐蚀性能 中图分类号：TG444 文献标志码：B 文章编号：1001－3938（2013）01-0060-04
受复合管结构形式的影响， 其焊材选择可以 有多种方式。 一般衬层焊接材料应选择与衬层成 分相同的焊丝作为填充材料， 如衬层为 316L， 焊 丝为 ER316L； 过渡层应采用高一级别匹配的模 式 （避免基层碳钢焊材对衬层合金元素的稀释）； 基层焊材应与基管等强度匹配， 这也是目前国内 陆地复合管施工的主要选择模式。 国外的常见模 式是直接采用 CRA 焊材 （与衬层成分相同或高一 级别）填充整个对接焊缝， 这也是综合考虑接头的 强度、 耐蚀性能与施工效率的结果。 2.5 坡口形式与组对
坡口形式一般与所采用的焊接方法、 设备自 动化程度有较大关系， 双金属复合管常见焊接坡 口形式如图 3 所示。 对于手工焊， 一般采用 V 形坡口（如 图 3（a）所 示 ）， 其 对 坡 口 组 对 要 求 不 高， 但焊接填充量大， 焊接效率较低； 对于全自
图 3 双金属复合管常见焊接坡口形式
动焊， 一般采用 U 型窄间隙坡口（如图 3（b）所示）， 其对坡口组对要求较高， 坡口一般采用现场机加 工并借助对口器完成组对， 特点是焊接填充量小， 焊接效率高。 2.6 焊接工艺控制要点
Abstract: Some defects easily occurr during duplex metal composited tube welding ，such as non-fusion or slag inclusion in interlayer， main alloying elements burning loss， welding beading caused from fused bath collapse， the back imperfect oxidation formation， carbon atom around weld influence coating effect and so on. Combined with the the characteristics of duplex metal composited tube and the current application status of welding technology at China domestic and abroad， it analyzed welding principle， pipe end design， welding methods， welding material selection， bevel design， the key points of process control， and discussed the corresponding welding technology development trend. In the end， it pointed out when develop high-effeciency welding and mesurement technique， it should set up assessment system of corrosion resistance property， which is applicable for structural features of duplex metal composited tube. Key words: duplex metal composited tube； mechanical bond； welding technique； high-effeciency welding； corrosion resistance property