双金属复合管的施工焊接技术

双金属复合管的施工焊接技术
【摘要】文章围绕着双金属复合管的施工焊接技术问题，就双金属复合管焊接难题、复合管坡口的焊接、焊接方法、影响焊接的因素及常见问题的处理等进行了分析和探讨。

【关键词】双金属复合管；施工；焊接技术
中图分类号：tu74 文献标识码：a 文章编号：
引言
双金属复合管又称双层管或包覆管，它是由两种不同的金属管材构成，管两端僻用特殊方法焊接或特殊结构连接。

油气田用防腐双金属复合管其基管采用碳钢管或其他合金钢管(通常为20g、x60、q235等)，从而保证优异的机械力学性能衬管为一层薄壁耐蚀合金，耐蚀金属可根据油气田腐蚀环境选择，常选用super13cr、22cr以及镍基合金825等，从而保证良好的耐腐蚀性能同时价格却又比整体耐蚀钢管低50%甚至70%，从而达到最佳性能价格组合。

1 双金属复合管焊接难题
双金属复合管以碳素钢管或合金钢管为基管,在其内表面覆衬
一定厚度(一般为2~3 mm)的不锈钢、钛合金、铜、铝等耐蚀合金属制造的复合管,这种特殊的结构形式,使其兼顾碳钢的耐压性和不
锈钢的耐蚀性以及相对不锈钢价格低廉的特点,其突出的性价比和耐蚀性能,使它在石油及天然气工业、供水工程、化学工业等行业具有广泛的应用前景。

但是该材料焊接有许多技术特点,工艺参数和现场措施对接头的组织和性能有很大影响,由于生产工艺的限制,目前国内主要采用“金属管道爆燃加衬技术”或者液压复合技术,其基层和衬层间的结合完全是机械结合,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层间未熔合或夹渣、主要合金元素易烧损、熔池金属塌陷形成焊瘤、焊缝背面氧化成型不良、焊缝周围碳原子迁移影响防腐效果等焊接缺陷,并且目前国内无法生产复合管的弯头,必然存在两种钢或多种钢的焊接,因此解决复合管的焊接难题是其大规模推广应用的关键。

2 复合管坡口
2.1 坡口接头形式
坡口的接头形式对焊接工艺评定影响很大,由于国内复合管采用的生产形式,无论是爆炸复合还是液压复合,都属于机械式复合,基层和衬层未达到原子或分子间的结合,它们之间有一定的间隙,如果采用常规的坡口形式(见图1)焊接,焊缝区域易造成“渗碳”,且在衬层和基层的间隙交界处出现裂纹,工程技术人员认真摸索,设计出了如图2所示的坡口形式,衬层突出2~3 mm,其优点为:a.便于采用封焊焊道进行衬层的固定,减少焊接组对的错边量;b.衬层突出的部分使碳钢到根焊焊缝距离加长,可以降低“渗碳”对复合管焊接接头防腐性能的影响。

图1传统的接头坡口形式
图2创新的接头坡口形式
2.2 坡口加工方法
为了保证接头质量和尺寸上的要求,复合管和不锈钢的接头须采用机械加工工艺,可在车床加工,也可用便携式旋转坡口刀进行加工,根据现场施工条件,由于地理条件限制和返修需要,采用了便携式旋转坡口机进行加工坡口,该设备简单便携易操作,加工坡口时,该设备一端伸入管口内部,靠支腿外撑固定在管口处,通电后,管子不动,仅刀头旋转就可加工成需要的坡口,克服了车床的地理条件限制和费工费时的缺点。

3 焊接工序
复合管的焊接不同于复合板的焊接,传统的复合板可以先焊基层,再焊过渡层,见图3。

复合管由于受管径的影响,只能先进行衬层对接焊,再焊过渡层,最后进行基层的焊接。

在施工中发现,由于管材椭圆度的影响,衬层的厚度一般在2~3 mm,组对十分困难,此外若焊把的位置和力度控制不好,往往造成衬层烧穿,于是确定了先进行封焊再进行根焊的焊接工序,见图4~5,同时为避免电流过大而将2mm不锈钢层烧穿,施工时电弧弧柱中心尽量靠向基层金属,以熔化基层金属为主。

实践证明封焊后的焊接接头,减少了组对的错边量,解决了衬层和基层钢管的相对位移问题,同时也解决了衬层金属热
导率小、焊接热量传输速度慢和途径单一等问题,避免了焊缝过热而造成焊接困难、焊后成型差和主要合金元素过量烧损等现象的发生;也避免了直接在接头坡口处产生未熔合和焊接裂纹等缺陷,为
焊接的顺利进行提供了便利。

图3复合板焊接工序
图4一般焊接工序
图5创新焊接工序
4 焊接方法
由于复合管特殊的结构形式, 2~3 mm的衬层对接时不易操作,
故选钨极氩弧焊作为封焊和根焊的焊接方法,与其它焊接方法相比,尽管焊接速度较慢,但它是打底焊的理想方法,适用于各种坡口的
打底焊。

钨极氩弧焊能清晰的观察到焊接熔池和熔透情况,易于实现单面焊双面成形。

且钨极氩弧焊背面无熔渣,对保护管内清洁极有利。

同时这种焊接方法熔合比较小,对异种钢的焊接来说控制焊缝的组织和成分十分有益。

打底焊工序完成后,为普通碳钢之间的焊接,如图5中第3道至第n道工序。

为提高焊接速度,解决焊道宽导致的钨极氩弧焊速度慢问题,经焊接工艺评定,确定了焊条电弧
焊作为复合管基层的焊接方法。

5 气体保护
选用钨极氩弧焊作为根焊和封焊的焊接方法,自然应采用氩气
作为保护气体,同时对诸如316l这类合金含量高的金属,为避免cr、ni等元素烧损和氧化,须采用氩气等惰性气体进行焊缝背面保护,
保护气体采用含量不低于99.99%的氩气。

工程技术人员根据管径的大小,制作了特殊的封焊和根焊气体内保护工装, ,根焊前先将背面气体保护装置装入坡口内,一端用铁丝拴牢以便焊接完成后将保护工装牵出管外,坡口处采用胶带密封,只在坡口12点钟位置留一个排气孔,并用测氧仪检测背面保护气体区域的纯度,若气体不纯或
保护气体流量不够,易造成熔池金属塌陷形成焊瘤,以及焊缝内表
面氧化或成型不良。

6 其它影响异种钢焊接性的因素
6.1热导率
由于衬层金属导热率小,根焊时熔池前部不允许出现熔孔,以防止造成熔池金属塌陷形成焊瘤。

6.2线膨胀系数
由于不锈钢和碳钢这两种材料的线膨胀系数相差近5×10-6/℃,焊接时热膨胀的量和冷却时收缩的量差别很大,都会在接头处产生焊接残余应力,方向性极强的焊缝柱状晶组织,导致有害杂质及晶
间液态夹层的形成,产生凝固裂纹,母材及焊缝的合金组成比较复杂,不仅s、p、sn、sb等杂质可形成易溶液膜, si、nb等也可形成
易溶共晶,这样焊缝和热影响区都有可能产生热裂纹,工程技术人
员通过实验证明焊前预热是减少热裂纹的有效措施。

6.3电磁性
不锈钢和碳钢一种无磁性,一种有磁性,造成焊接电弧磁偏吹,
焊后焊缝成型较差,焊接时利用电磁感应原理,只需将电焊的导线
缠绕到管道上3到5圈即可,若感觉电弧磁偏吹更强,则将线圈反向缠绕即可消除磁偏吹。

6.4施焊环境
本工艺要求施焊环境温度≥5℃,湿度≤90%rh,环境风速氩弧焊时≤2 m/s,焊条电弧焊时≤5m/s。

7 常见缺陷以及处理措施
7.1根部内凹
缺陷原因：a.焊工操作不当,焊丝未送到位,焊丝熔化量不够;b.管道组对间隙过大,熔化金属由于重力的作用产生下坠,造成内
凹;c.电磁场引起的磁偏吹,导致结晶条件改变。

解决方法：应停止焊接,随后调整组对间隙,改变地线与管道的接触部位和放置情况。

7.2 根部未焊透
缺陷原因：a.焊接电流过小或电弧过长,电弧挺度和穿透力变小,根部未熔化;b.组对间隙过小,电弧不易穿透;c.电磁场引起的磁偏吹。

解决方法：适当加大焊接电流,减小电弧长度以及适当加大组对间隙。

7.3 气孔
缺陷原因：当为钨极氩弧焊焊接时:a.保护气体流量不均、过小;b.环境风速过大,致使空气进入到熔池里。

当为焊条电弧焊时:a.焊条受潮,或烘烤未达标;b.焊接电弧过长,电弧保护熔池的效果变差;c.焊渣结晶速度慢,保护熔池效果差;d.引弧或停弧不当。

解决方法：做好防风抗沙的准备,检查保护气体的纯度,认真烘烤焊条和改进焊接操作方法。

7.4 层间未熔合和夹渣
缺陷原因：a.电流较小或是电弧过长,以及操作不当,造成焊道或母材未熔化电弧即离开;b.层间或道间清理不净或不均,留有渣
或死角,焊接电弧未能把渣排出和熔化焊道,从而造成未熔合和夹渣。

解决方法：认真进行层间或道间焊渣、杂质的清理工作。

参考文献
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