（材料加工工程专业论文）机械复合管焊接接头机械性能及高温高压co2腐蚀行为研究(1).pdf

摘要 复合管是由外碳钢材料和内抗腐蚀合金钢材料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。适用于高温、高压环境下 输送酸性介质。本文所做的主要研究工作包括以下几个部分： 1 针对机械复合管材料，开发了新的焊接工艺。 2 根据d n vo sf l o l 标准对机械复合管焊接接头进行了焊接工艺评定。结 果表明：接头处未见宏观裂纹：各区微观组织均匀；焊缝、焊接h a z 、母材各 个区域中熔合线靠近焊缝一侧硬度值最高，h a z 硬度高于母材硬度；对于 s z p - 8 6 ( 2 ) 焊接接头来说，不论是纵弯还是侧弯弯曲角均达到1 8 0 0 不开裂。然而 对于s z p - 8 8 来说，其侧弯后发现四个试样中均有裂纹存在。对于拉伸试验来说， 所有试样的断裂部位均在母材中发生。对于全焊缝拉伸试验，焊材中只有不锈钢 的焊缝表现出了较高的延伸率。而对于s z p 8 8 来说，其全焊缝抗拉强度相比另 一种焊缝提高了大约3 0 ，而延伸率火大降低。焊缝是各个焊接接头冲击性能最 薄弱的环节，其冲击韧性明显低于热影响区和母材。 3 s z p - 8 8 焊接接头的腐蚀速率随着温度升高，腐蚀速率也随之增加。而对 于s z p 8 6 ( 1 ) 来说，当温度为4 0o c 时，腐蚀速率最大，而随着温度的升高，腐蚀 速率却呈现出了下降的趋势。经去膜后2 利，焊接接头均匀且较为光亮的，没有局 部腐蚀或点蚀特征，所有试样在三个温度下金属光泽仍然存在，在本研究中这2 利一焊接接头c 0 2 腐蚀过程均属于均匀腐蚀。 关键词：复合管焊接接头力学性能c 0 2 腐蚀 a b s t r a c t c l a dp i p ei sc o m p o s e do fc a r b o ns t e e i ( o u t e rl a y e r ) a n ds t a i n l e s ss t c e l ( i n n e rl a y e r ) u s i n gm e c h a n i c a io rm e t a i l u r g i c a lm e t h o d i tc o m b i n e st h ea d v a n t a g eo fh i g hs t r e n g t h o fc a r b o ns t e e i 醐dc o r r o s i o nr c s i s t a n c eo fs t a i n l e s ss t e e l h e n c e ，i tc a nb ee m p l o y e d t 0t 豫n s p o r tt h ea c i d i cs o i u t i o nu n d e rh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r c t h i st h e s i s m a i n l yc o v e r st h ef o l i o w i n ga s p e c t s ： 1 an e ww e l d ；n gp r o c e d u r eh a sb e e nd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t i e so ft h e m e c h a n i c a lc l a dp i p e 2 t h ew e i d i n gp r o c e d u r co ft h ec i a dp i p ew e i d m e n tw a sa s s e s s e db yt h es t a n d a r d d n vo sfl01 t h er e s u i t sr e v e a i e dt h a tt h e r ew a sn oc r a c ko b s e n ，e di nt h em a c r 0 p i c t u r e s ；t h em i c r o s t r u c t u 陀i nd i 躁：r e n tz o n e sw a su n i f o r m ；t h eh i g h e s tv a l u e so f h a r d n e s sw e r eo b s e r v e di nt h ew e l dj o i n tn e 盯t h e 如s i o nl i n e t h eh a r d n e s si nh a z w a sh i g h e rt h a nt h a ti nb a s em e t a l f o rs z p 一8 6 ( 2 ) s p e c i m e n s ，t h e r cw 嬲n oc m c k o b s e r v e da r e rl o n g i t u d i n a lr o o tb e n do rs i d eb e n dt e s t s w h i l ef 0 rt h es z p - 8 8 s p e c i m e n s ，f o u rs a m p l e sc o n t a i n e dc 甩c k sa r e rs i d eb e n dt e s t s f o rt r a n s v e r s et e n s i l e t e s t s ，厅a c t u 他w 邪o b s e r v e di nb a s em e t a lf o ra l ls a m p l e s f o ra i lw e l dt e n s i i et e s t s ， t h ed u c t i l i t yo f a us t a i n l e s sf i l l e rm e t a lw 弱b e t t e r f o rs z p 一8 8s p e c i m e n s ，t h eu l t i m a t c t e n s i i es t r e n g t h 、v a sa b o u t3 0 h i g h e rt h a nt h a to fs z p - 8 6 ( 2 ) s p e c i m e n sa n dt h e d u c t i i i t yv a i u ew a sl o w e r t h ei o w e s ti m p a c tt o u g h n e s sw 嬲o b s e r v e di nt h ew e l d j o i n t s 3 t h ec o r r o s i o nr a t eo fs z p - 8 8 s p e c i m e n s i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s j n g t e m p e r a t u r e w h i i ef o rt h ec a s eo fs z p 8 6 ( 2 ) s p e c i m e n s ，t h ec o r r o s i o n 陷t ed e c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e a r e r 旭m o v i n gt h ec o r r o s i o np r o d u c ti a y e r t h e s u r f a c eo ft h ew e l d m e n tw 髂u n i f o 咖a n db r i g h t n ol o c a io rp i t t i n gc o r r o s i o n c h a r a c t e rw a so b s e r 、，e d h e n c e ，t h ec o r r o s i o nt y p ew a su nif o 咖c o r r o s i o n k e yw o r d s ：c l a dp i p e ，w e i d m e n t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，c 0 2c o r f o s i o n 第一。章绪论 1 1 前言 第一章绪论 石油、化工、电力、冶金等行业中每年由于腐蚀造成的经济损失十分巨大【l 】。 为了减少这种由于腐蚀造成的巨大经济损失，各国纷纷将耐腐蚀性好的不锈钢复 合在钢管的内壁，使其既具有不锈钢的耐腐蚀性能，又拥有外层碳钢的刚度和强 度，因而其应用前景和潜在市场十分广阔。随着石油、化工等行业的不断发展， 对不锈钢复合管的需求量不断增加，使用范围不断扩大。生产不锈钢复合管的专 利技术，于8 0 年代c 卜期开发出来以后，在欧美、日本、韩国等发达国家已经开 始广泛利用，目前世界上生产不锈钢复合管技术已经成熟。我国于9 0 年代初期 引进国外不锈铡复合管生产技术，并开始在国内以代替纯不锈钢结构管为目标组 织推广使用【2 j 。 在崖城1 3 4 气田开发可行性研究中，需新建一条或两条从崖城1 3 - 4 气田至 崖城1 3 1a w a 平台的海底输气管道。气田开发方案分为快速开采方案( 开采年 限5 7 年) 和常规开采放案( 开采年限1 5 年) 。输送介质c 0 2 为含量较高的干 气或湿气。对于湿气输送方案，根据防腐专业的分析计算，若开采年限为1 5 年， 采用碳钢+ 缓释剂的方案不可行；若开采年限为5 7 年，采用碳钢+ 缓释剂的方案 时，所需腐蚀裕量非常大。对于c 0 2 腐蚀严重的情况，有多种解决方案，其中 选用复合管，是国外常用的一种方案。该管道采用机械复合管材料( l i n e dp i p e ) ， 其外管为x 6 5 级碳钢管，内管为抗腐蚀不锈钢管3 1 6 l 。所以研究机械复合管材 料对于促进我国油气输送用钢的升级换代，降低海底管线综合成本具有划时代的 重要意义。 1 2 复合管简介 复合管是由外碳钢材料和内抗腐蚀合金铡材料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。适用于高温、高压环境下 输送酸性介质。复合管按其制造工艺可分为机械复合管和冶金复合管。 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， 第一章绪沦 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。冶金复合管的制作主要 分两步，首先将碳钢材料和抗腐蚀性合金钢材料通过热轧工艺结合在一起制成复 合钢板，然后将复合钢板制成无缝管或者直缝焊管。 相对于机械复合管，冶金复合管在生产制作和经济上存在一定的劣势。首先， 不是任意抗腐蚀合金材料都能通过热轧工艺与碳钢材料结合在一起生成复合钢 板；其次，因为冶金复合管复杂的制作工艺，其生产周期较机械复合管长，其管 材价格也要高于机械复合管；此外，在实际应用中，从经济上考虑，当管径在8 2 4 英寸时，很少采用无缝冶金复合管，除非用量少或者使用环境极其恶劣；而当管 径小于1 2 英寸时。很少采用直焊缝冶金复合管。 机械复合管安装铺设时，所采用的焊接工艺与冶金复合管相同。平管段通常 选用机械复合管。由于机械复合管是采用机械方式复合，内外管没有融合在一起， 当管道弯曲半径过小时，容易在局部造成内管与外管分开。因此对于一些连接构 件( 例如弯头、三通、变径段和法兰等) 需采用冶金复合钢或者不锈钢产品。应 该注意，是否采用冶金复合钢连接件取决于需要的数量和尺寸，有时候采用不锈 钢连接件可能会更经济。 鉴于这两种管材用作海底管道时，设计、施工基本相同，而机械复合管具有 非常明显的价格优势，因此得到了广泛应用。 机械复合管产品经历了3 0 多年的发展。其发展历程如下：1 9 世纪7 0 年代末， 日本k a 、a s a k i 公司开发出了该产品。1 9 世纪8 0 年代初，日本n i p p o n 钢铁公司取得 了生产许可证并将该产品用于商业生产，称为c i lp i p e 。b u t t i n g 公司利用冷液 压扩充法开发出了新的产品，并为新产品申请了专利名称b u b ip i p e 。1 9 9 4 年b p c y r u s 项目首次器用b u b ip i p e 。2 0 0 1 年c l a d t e k 公司利用自创的干液压扩充法生产 出了机械复合管。2 0 0 4 年s a n t o sm u t i n e e re x e t e r 项目首次采用c l a d t e k 公司生产的 机械复合管。 机械复合管外碳钢管可以采用标准尺寸的无缝管和直缝焊管，也可根据用户 要求，生产非标准管。根据管道强度要求，选用不同等级的外碳钢管，常用按 a p i5 l 规范生产的外碳钢管材料见表1 1 。内抗腐蚀合金管因为壁厚较小，常用 壁厚为2 5 3 m m ，一般选用直缝焊管：根据输送介质的性质，选用不同材料、 不同等级的抗腐蚀性合金钢管作为内管，常用按a p l5 l c 规范生产的内抗腐蚀 合金管材料见表l - 2 。因为采用机械复合方式，外碳钢管可以与任意类型的抗腐 蚀性合金钢管组合在一起。本研究根据表1 1 和1 2 选定了外层为x 6 5 ，内层为3 1 6 l 的机械复合管。 2 第章绪沦 表i 1 可选择的外碳钢管材料等级 f i g 1 - lt h es p e c i n c a t i o no f c a r b o ns t e e lp i p ef 0 rc h o s e n m a t er - a ly i e l d s p e c i f i c a t i o n ， g r a d es t r e n g t h ( m p a ) x 4 22 9 0a p l5 l x 5 23 5 9 a p i5 l x 6 04 1 4 a p i5 l x 6 54 4 8 a p l5 l x 7 04 8 3a p l5 l x 8 0s 5 2a p i5 l 表1 2 可选择的内抗腐蚀合金钢管材料等级 f i g 1 - 2t h 9s p e c i f i c a t i o no fs t 璺i n l e s ss t e e ip i p ef 0 rc 廷o s e n m a t e r a lg r a d es t a n d a r dc h e m i c a ia n a l y s e s p r e u n s t y p e c rm 0n in s 4 1 0 0 04 1 01 2 o 5 1 2 s 3 2 1 0 03 2 11 89 01 8 s 3 1 6 0 33 1 6 l1 72 s 1 1 0 2 4 s 3 1 7 0 33 1 7 l1 83 0 ”0 0 0 52 9 n 0 8 9 0 49 0 4 l 2 1s 02 s 0 0 1 03 9 n 0 8 8 2 5 a l l o y 8 2 5 2 23 04 0 03 2 n 0 6 6 2 s a | i o y 6 2 5 2 29 06 0 0s 2 n 0 6 0 5 9 a l l o y 5 9 2 31 6 05 9 07 s c 7 0 6 0 0c u n i l 0 f e1 0 0 c 7 1 s 0 0 c u n i 3 0 f e 3 0 0 n 0 8 9 2 6 a 0 y9 2 6 2 06 52 5 00 2 04 s n 0 8 3 6 7 a l l o y 3 6 7 2 0 6 52 4 0 0 2 24 5 p r e ( p i t t l n gr e s i s t a n c ee ( 1 u i v a i e n t ) p r e = c r + 3 3 m o + 1 6 n 3 第章绪沦 机械复合管( m e c h a n i c a l i yb o n d e db i m e t a l l i n e dp i p e ) 以其相对便宜的价格 和良好的抗c 0 2 腐蚀性能在国内外陆上和国外海上油气田项目中得到了广泛的 应用，据了解，应用没有出现过重大事故。拥有众多的知名客户( 包括b p 、 e x x o n m o b i i 、s h e l i 等) 和有经验的工程承包商( 如m c d e 咖o t t 、s a i p e m 、h a l l i b u t o n 等) 。然而，其在国内海上油气田项目中，尚无应用先例；国内施工承包商也没 有机械复合管海上施工的经验；国内机械复合管也没有应用到海上油气田项目的 先例。 机械复合管海上安装对施工船舶没有特殊要求。可以采用s 型、j 型和卷筒铺 管法。目前已安装的机械复合管海底管道，多采用s 型铺管法。需要注意的是， 当采用卷筒铺设法时，管道弯曲半径不应小于4 0 倍管外径，过小的弯曲半径可能 会在局部引起内管与外管分开。其他铺设方式不会出现这利悯题。 机械复合管节点焊接工艺与冶金复合管相同，焊接的关键在于必须保证焊缝 抗腐合金层的连续性，即要防止打底焊。i 混入杂质。解决的方法是焊接选用不锈 钢焊丝或者混合金属焊接程序。推荐采用混合金属焊接程序。混合金属焊接焊缝 构造见图1 3 。打底焊和第二道焊丝选用抗腐蚀合金焊丝，第三道焊丝选用纯铁 焊丝，填充焊和盖面焊选用强度高于母材的碳钢焊丝。这样，即满足了内衬抗腐 蚀的要求，又满足了外碳钢管高强度的要求。 1 g 1 a w c r af j l l e r ；2 ，g 1 a wo rg m a w - c r af j i l e r ；3 ，g t a w g m a w ，s m a w c r a n i i e ro rp u r ei r o nb u f f e r ；4 7 、g t a w 、g m a w s m a w c r ao r b a c k i n gs t e e lf i l l e r 图1 1 混合金属焊接焊缝构造示意图 f i g 1 - ls c h e m a t i cd i a g r a mo fw e i dj o i n t ss t r u c t u r eo fd i f 绝r e n t 行l l e rm e t a l 机械复合管材料在我国陆地油气集输管线等领域已经成功应用，但是由于海 洋工程的特点使其在海洋油气领域尚未有任何应用实例。海洋工程施工的特点完 4 第一章绪论 全不同于陆地，其单位时间作业成本远高于陆地施工，而且环境条件更加恶劣， 对于焊接过程的有效保护也更加困难，这就要求海上施工必须更注重提高焊接速 度和焊接质量以降低施工成本。但是以往陆地施工的焊接速度与质量并不能满足 海上施工要求，从而制约了机械复合管海洋油气领域的广泛推广应用。为保障崖 城l3 4 气田开发项目的顺利实施，确保国内首条海洋油气机械复合管管线实现自 主铺设，成功解决机械复合管焊接速度慢等问题，在国内缺乏相关资料的情况下， 课题组通过前期大量试验摸索、方案优选，拟展开钳对机械复合管材料的多种高 效焊接工艺开发、设备选型与焊接材料筛选工作，同时对复合管焊接接头焊缝及 热影响区进行力学性能、防腐性能和微观金相组织性能的试验研究。 1 3c o 。腐蚀 c 0 2 溶入水或水溶液中形成碳酸，对钢铁有极强的腐蚀性，在相同的p h 值 下它对钢铁的腐蚀比盐酸还要严重。在石油、天然气开采与集输过程中普遍存在 的c 0 2 气体能够引起石油、天然气的生产、加工设施和运输管道的非常严重的 腐蚀，从而造成巨大的经济损失【3 4 1 。 碳钢在含水c 0 2 中的腐蚀是一种电化学过程【5 1 ，包括阳极的溶解和阴极的充 氢反应。化学反应过程如下： f e + c 0 2 + h 2 0 f e c 0 3 + h 2 这利- 电化学反应往往伴随着铁锈的产生，比如f e c 0 3 或者高温下的f e 3 0 4 。形 成的这层铁锈能甭起到保护基体的作用取决于它们形成的具体环境。 钢在酸性介质中的阳极溶解过程可表示成如下形式： f e f e 2 + + 2 e 。 ( 1 2 ) 这种反应机理已经被用来解释多种试验结果。 溶液l f i c 0 2 的存在通过氢反应速率的增加来增加钢在液态溶液r 1 的腐蚀速 率。在强酸介质中，氧反应的速率不能超过当h + 不能从溶液中转移到试样表面时 的速率。在p h 值大于4 的溶液中，h 2 c 0 3 的存在能使得氢反应在一个更高的速率 下进行。所以在一个给定的p h 值下，c 0 2 的存在会导致比在强酸溶液中更高的腐 蚀速率。在阴极可能发生的反应如下： 2 h + + 2 e 。一h 2 2 h 2 c 0 3 + 2 e h 2 + 2 h c 0 3 。 5 ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) 第一章绪论 随着高含碳酸盐的油气田的开发，金属管材的c 0 2 腐蚀已经成为影响油气 生产和输送的难题。管材内蹙长期浸泡在腐蚀溶液中，水气也不断地相对流动， 这使得腐蚀行为相当复杂。 影响c 0 2 腐蚀的因素很多，如温度、压强、流体、p h 值、c i 。等。温度是影 响腐蚀产物膜形成的最重要凶素之一；系统压力是通过c 0 2 分压来影响腐蚀过 程的，系统压力增大，c 0 2 分压增大，其溶解度增加，溶液的腐蚀性就增加；c 1 半径小，穿透力强，能够穿透腐蚀产物膜而渗透到金属基体的表面，在膜下促进 f e z + 水解而使溶液的酸性提高，从而促进金属基体的腐蚀；在c 0 2 腐蚀过程中， 流速影响f e 2 + 溶解动力学、f e c 0 3 的形核结晶过程以及流体对基体的冲刷作用； c a 2 + 、m 9 2 + 不仅通过在金属表面结垢影响腐蚀产物膜的结构和性质，而且还影响 电化学腐蚀过程的阴阳极反应过程，溶液i l | c a 2 + 、m 9 2 + 的存在会加快腐蚀反应 过程，同时加剧金属局部腐蚀的发生【鲫】。 c 0 2 溶于水后对部分金属具有极强的腐蚀性，由此引起的材料破坏我们统称 为c 0 2 腐蚀i l0 1 。通常所说的c 0 2 腐蚀在一定程度上是指样品全浸于液态介质中的 腐蚀状况，但现场管道内壁薄液膜的电解质特性、液膜状态、凝结换热过程的影 响等均与全浸状态有所不同。 1 4 c o ：腐蚀的国内外研究现状 国内外学者近年来对c 0 2 腐蚀的规律和机理进行了广泛研究，c 0 2 分压、环 境温度、介质p h 值、介质流动条件等都足影响腐蚀速率的主要因素，而具有一 定保护作用的c 0 2 腐蚀产物膜的力学和化学特性则是影响腐蚀机制的关键因素 。14 1 。张剥”j 等人利用高温高压冷凝反应釜模拟管道湿气腐蚀环境，研究了湿气 温度、环境温度及冷凝液膜状态对x 6 5 管线钢湿气c 0 2 腐蚀的影响。认为随着湿 气温度的升高，c 0 2 腐蚀速率增大。并且当湿气温度和液膜温度均较低时，腐蚀 受电化学活化控制而速率较低。当湿气温度较高时，腐蚀速率随液膜厚度、冷凝 速率和液膜温度的增加而增大。但当湿气温度更高或液膜更厚时，致密腐蚀产物 膜更易形成而使腐蚀速率下降。李党副1 6 】等人用电化学阻抗谱技术研究了不| 一温 度下n 8 0 油套管钢在饱和c 0 2 模拟地层水r f i 的腐蚀电化学性能，并观察了腐蚀产 物膜的形貌。认为中、低温条件下，随温度升高，膜的致密性增加，离子在膜内 的扩散过程减弱；当温度达到2 0 0 时，扩散阻抗下降，扩散过程变得相对容易。 腐蚀产物膜呈双层结构，其厚度随温度的升高而逐渐减小。去除腐蚀产物膜后的 试样表面形貌显示，随着温度的升高，腐蚀坑逐渐变小，直至最后转变为均匀腐 蚀；当温度达到2 0 0 时，点蚀坑又变大，表明腐蚀有进一步加剧的迹象。姜毅 6 第。4 章绪论 【0 7 】等人利用高温高压电化学测试技术，研究了温度对c r l 3 不锈钢c 0 2 腐蚀机理的 影响认为：9 0 1 2 0 温度范围内，c r l 3 不锈钢以点蚀为主，电极反应由活化 控制；随着温度的升高，点蚀敏感性逐渐降低，1 5 0 时发生全面腐蚀，而电极 反应主要受扩散控制。李桐，高克玮【1 8 1 9 】等人用x 射线衍射( x r d ) 和扫描电子显 微分析( s e m ) 技术研究了x 6 5 钢在模拟油出c 0 2 腐蚀环境下腐蚀产物膜的形成与 生长过程。结果表明：腐蚀产物膜分为三层，表层由f e c 0 3 等轴晶粒构成；中间 层由棒状晶粒构成，且充满孔洞；最内层由致密的f e c 0 3 品粒构成。y i n 等【2 0 】人 研究了温度对碳钢在c 0 2 腐蚀环境下腐蚀产物的影响机理。主要s e m ，e d s ，x r d 和x p s 等手段系统地研究了腐蚀产物膜的形貌和成分，并用失重的方法计算了腐 蚀速率。结果表明温度在碳钢的腐蚀中发挥着非常重要的作用。z h a n g 等【2 l 】研究 了x 6 5 管线钢在饱和c 0 2 油田地层水环境下的腐蚀行为。研究结果表明：当钢浸 在地层水中时，f e 的溶解在阳极占主导作用。所以钢占主动溶解状态。在电极表 面吸附中间产物导致感应涡流的产生。随着腐蚀的继续进行，f e 2 + 的浓度不断增 加，f e c 0 3 会在电极表而沉积，从而保护钢的表面被进一步腐蚀。 输油气管道安全性一直是人们关注的焦点，管道的连接是靠焊接完成的。由 于管道特别巨大和焊接工艺固有的特点，在焊接接头处易产生焊接缺陷和较大的 残余应力，又由于管道中c 0 2 的含量偏高，具备了发生c 0 2 腐蚀的条件。但是， 目前国内外的相关研究主要集中在管道的腐蚀当中，而对整个结构中最为薄弱的 焊接接头腐蚀( 特别是对复合管焊接接头的耐腐蚀性能) 的报道却是少之又少。 因此，为保障管线的安全可靠运行，对管线钢焊接接头的抗c 0 2 腐蚀开裂性能 进行研究，具有现实意义。 1 5本文的研究工作和内容安排 输油管道安全性直接关系到整个工程的安全性，一旦管道发生泄漏或破坏将 造成无法估计的经济损失和人员伤亡。因此在油井平台的建设过程中，输气管道 安全性一直是关注的焦点。管道的连接是靠焊接来完成的，现代化管线钢的发展 是围绕着改进管线钢管的焊接性能，凶为在i 蔚压输送管线的焊接部位，尤其是铺 设管线环焊部位是失效事故的多发位置咄2 矧。由于机械复合管本身的特殊性尚无 很成熟的焊接工艺，焊接时容易在内衬层与基体的界面处出现未熔合缺陷，同时 外层碳钢中的碳元素向不锈钢中的扩散会降低内村层的抗腐蚀性能。此外，由于 焊接时管线钢经历着一系列复杂的非平衡的物理化学过程，从而造成焊缝和热影 响区的化学成分不均匀性、晶粒粗大、组织偏析等缺陷，使焊接接头处的腐蚀抗 力较低。因此，对油气管线钢焊接接头的抗c 0 2 腐蚀开裂性能进行研究，将具 7 第。章绪论 有重大的现实意义。为此，本研究针对机械复合管( 外碳钢x 6 5 以及内不锈钢 3 1 6 l ) 的焊接难点开发出了新的焊接工艺，随后对不同的焊接接头进行了焊接工 艺评定和模拟现场c 0 2 环境的高温高压腐蚀试验。本文的研究工作主要集中在 以下几个方面： ( 1 ) 针对机械复合管的焊接难点，开发出了新的焊接工艺； ( 2 ) 对不同焊接工艺下的复合管焊接接头进行焊接工艺评定试验； ( 3 ) 对不同焊接工艺下的复合管焊接接头进行不同温度下c 0 2 介质中的腐蚀试验； 本论文分为五章。 第一章为文献综述，分析了课题提出的背景和意义。详细介绍了机械复合管 的发展及其分类。再此基础上，对国内外复合管在服役时的腐蚀情况研究做了综 述。 第二章至第四章为本研究的主要成果。第二章主要介绍了本研究巾使用的焊 接母材和填充焊丝以及采用的焊接工艺、具体的试验方法；第三章详细介绍了复 合管焊接接头的焊接工艺评定，包括宏观、显微组织、硬度、纵弯、侧弯、拉伸、 全焊缝拉仲及冲击韧性等试验：第四章详细介绍了复合管焊接接头在高温高压下 的c 0 2 腐蚀腐蚀行为。重点讨论了温度对腐蚀行为的影响。 第五章对全文进行了总结。 8 第一章焊接t 艺的) r 发和性能测试类型 第二章焊接工艺的开发和性能测试类型 本论文的研究内容是对复合管焊接接头的力学性能和耐腐蚀性进行评定，首 先需要确定合适的焊接工艺对复合管材料进行焊接，为力学性能和耐腐蚀性能的 分析评定奠定基础。 2 1 试验材料 试验材料为x 6 5 和3 1 6 l 复合管，规格为巾3 2 3 9m m ( 1 2 7 + 3 ) 3 0 0m m ，基 材采用常用的x 6 5 碳钢材质，复合层为3 1 6 l 奥氏体不锈钢。 对于复合管不锈钢焊接，一种试样选用与母材相近的t g s 3 0 9 l 焊丝；同时 为了节约成本，另一利- 试样选用底部为不锈钢焊丝t g x 31 6 l 、t g s 3 0 9 l 、上部 为碳钢焊材e x c a l m u r8 0 l8c 3 。焊后的试样管材编号分别为s z p 8 6 ，s z p 8 8 。 焊接方法为g t a w + s m a w 。 2 2 焊接工艺与过程 管线铺设的过程中焊接返修是不可避免的，而且由于复合管管线内外层金属 各项性能差别较大，易造成焊接缺陷，但是进行焊接返修时，很难再对该焊缝背 部进行充氩保护，所以需要开发免除氩气背部保护的焊接工艺应用于焊接返修。 图2 1 给出了本研究巾采用的背部免充氩保护焊接工艺参数。本实验1 1 | 的焊接坡 口如图2 1 所示。 9 第_ 章焊接t 艺的外发和性能测试类型 表2 1 背部免充氩保护焊接工艺参数 t a b i e2 1w e l d i n gp a r a m e t e r so f n o n - n l l i n ga r g o ni nt h eb a c k 填充金属焊接参数 焊接保护气 焊层a w s 直径 电压电流 焊速热输入 方法 极性 l ，m l n 级别 m m v im i m i nk j ，m m 封底 t g 31 6 l2 2 d c ( ) 1 51 2 04 52 4 i2 0 一2 5 g t a w j ；f l 充 t g s 3 0 9 l2 4 d c ( ) 1 61 7 01 0 61 5 42 0 2 5 + s m a w填充 g e s 3 0 9 l2 6 d c ( + ) 2 58 08 5i 3 8 盏而g e s 3 0 9 l 2 6 d c + ) 2 37 56 9 i 5 2 3 试验内容 6 0 5 。 ”叫 i 2 - 4 m m 图2 1 焊接坡口示意图 f i g 2 - ls c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ew e i d i n gg r o o v e 本研究试验材料为按照上述焊接工艺焊接的复合管对接接头，编号为s z p 8 6 和s z p 8 8 ，表2 2 列出了各个管接头的材质、焊接工艺与试验利，类，表2 3 和表2 4 列出了各种试验试样的编号与数量。 i o 第_ 章焊接t 艺的丌发和悄：能测试类型 表2 2 试验材料与试验种类 编号坡i i 规格( m m ) 材质焊接：j ：艺位置焊材试验内容 g t a w ，1 o - x 3 1 6 l s z p 拍( 1 ) v 3 2 3 9 ( 1 2 7 + 3 ) 3 0 0 x 6 5 + 3 1 6 l 6 g c q 腐蚀( 4 0 a c ，6 0 9 5 c ) s m a w t g s - 3 0 9 l 、 拉伸，佣弯冲击，宏观 q 忑、 t g x 3 1 6 l 、 s z p 8 6 ( 2 ) v 3 2 3 9x ( 1 2 7 + 3 ) 3 0 0 x 6 5 + 3 1 6 l6 g硬度，纵向弯曲，全焊缝 s m a wt g s 3 0 9 l ， 拉伸、金捆 t g x 31 6 l 、 c 0 2 腐蚀( 4 代，6 眦。9 5 q 戎k 时、 t g s 3 0 9 l ， ) ，拉伸、侧弯，冲击、 s z p - 勰 v 3 2 3 9x ( 1 2 7 + 3 ) x3 x 6 5 + 31 6 l6 g s m _ we x c 蚰i b u r宏观硬度，全焊缝拉伸、 1 8 c 3金相 表2 3 复合管焊接接头力学性能试验类型及试验数量列表 t a b l e2 - 3l i s to fp j p e l i n ew e l d i n gt e s tt y p e ，q u a n t i t ya n ds p e c i m e n sn o 螭 p q r 编 夏比v 形冲击拉仲试验 喇弯试验宏观及硬度 全焊缝拉伸纵弯试验 号 号 试验 试验试验 试试件编试试件编试试件壕号试试件编试试件编试试件 样号样号佯样号样号佯编号 数数数数数数 量 量 量量量量 i s z p 8 6 ( 4 x b ( 1 。2 。3 4 4 b ( 5 ，6 ，7 。8 8 b ( 9 1 0 1 1 1 2 1 3 。1 4 1 5 2 b ( 1 7 1 8 2 b ( 1 9 2 0 i b ( 2 1 2 ) 3 ) 1 6 1 ) 2s z p - 8 8 4 x d ( i 2 3 ， 4 d ( 5 6 7 ， 3 d ( 9 ，1 0 。1 2 ，1 3 ，1 4 。i s 2 d ( 1 7 。1 8 2 d ( 1 9 2 0 0 3 4 )8 )1 6 ) ) 说明：1 代表焊缝中心；2 代表熔合线；3 代表熔合线+ 2 m m ；4 代表熔合线+ 5 m m 第一章焊接t 艺的丌发和性能测试类型 表2 4 复合管焊接接头高温高压c 0 2 腐蚀试验类型及试验数量列表 t a b l e2 - 4l i s to fp i p e l i n ew e l d i n gc 0 2c o r r o s i o nt e s tt y p e ，q u a n t i t ya n d s p e c i m e n sn o u n d e rh i g h - t e m p e r a t u r ea n dh i g h - p r e s s u r e 编号p q r 编号温度4 0 0 c温度6 0 。c 温度9 5 。c 试样数量试件编号试样数量试件编号试样数量试件编号 l s z p - 8 6 ( i ) 2 b ( 2 2 ，2 3 ) 2 b ( 2 4 ，2 5 ) 2 b ( 2 6 ，2 7 ) 2s z p 8 82 d ( 2 i 2 2 ) 2 d ( 2 3 ，2 4 ) 2 d ( 2 5 2 6 ) 3母材2 e ( i ，2 ) 2 e ( 3 ，4 ) 2 e ( 5 ，6 ) 1 2 第三章复合管焊接接头的力学性能测试 第三章复合管焊接接头的力学性能测试 焊接接头的力学性能测试是进行焊接接头完整性评定的基础，本章根据d n v o sf l o l 标准对第二章中得到的焊接接头进行力学性能测试。 3 1 宏观分析 对复合管焊接接头进行粗磨、细磨、抛光和腐蚀后( 腐蚀试剂为氯化铁盐酸 ( f e c l 3 ( 1 0 9 ) + h c l ( 2 4m i ) + 蒸馏水( 9 6m 1 ) ) 溶液) ，其宏观照片如图3 1 所示。各 图中均未发现裂纹。 ( a ) s z p - 8 6 ( 2 ) b 1 7 ( ) ( 4 ) 渊 蹶 ( b ) s z p 8 6 ( 2 ) b 1 7 ( x 7 ) 嘲 溺 灞攥批梦 。 鼢黔扩 第三章复仑管焊接接头的力学性能测试 毫鬻一 ( c ) s z p 一8 8d 1 7 ( x 4 ) 鬻 ( d ) s z p 一8 8d l7 ( x 7 ) 图3 1 复合管焊接接头宏观照片 f i g 3 一lt h em a c r op i c t u r e so fc l a dp i p ew e l d m e n t 3 2 显微组织观察 显微组织的观察分析是在型号为o l y m p u s g x 5 l 金j f | 显微镜上进行，丰要 分析了s z p 8 6 ( 2 ) 和s z p 8 8 复合管焊接接头焊缝、热影响区和母材三个不同区域 的微观组织，腐蚀试剂为氯化铁盐酸( f e c l 3 ( 1 0 9 ) + h c i ( 2 4m 1 ) + 蒸馏水( 9 6m i ) ) 溶液。试样编号及其焊接工艺见表2 2 和表2 3 。分别在5 0 0 倍和10 0 0 倍两利- 不 同倍数下观察其显微组织，图3 2 3 3 为各个焊接接头试样在各种不同放大倍数 。卜的显微组织照片。 第三章复合管焊接接头的力学性能测试 蘸 ( a ) 3 1 6 l 母材( x 1 0 0 0 ) 黔 陵 ( b ) x 6 5 母材( x 1 0 0 0 ) ( c ) x 6 5h a z 粗品区( x 1 0 0 0 )( d ) x 6 5h a z 细品区( 1 0 0 0 ) 瓣 濑 震 蠢苏甏趟 融基；蝥酒 ( e ) 3 1 6 lh a z 粗晶区( x 1 0 0 0 ) 1 5 ( f ) 3 1 6 lh a z 细晶区( x 1 0 0 0 ) 露骑飞二。，。，；o， 第三章复合管焊接接头的力学性能测试 一一 ( g ) 上部焊缝( x 1 0 0 0 ) ( h ) 根部焊缝( x l 0 0 0 ) 图3 2s z p 8 6 ( 2 ) 试样b l7 金相显微组织 f i g 3 2m e t a l l u 唱i c a lm i c r o s t r u c t u r eo fs z p 一8 6 ( 2 ) s p e c i m e nb 17 ( a ) 3 1 6 l 母材( x l 0 0 0 ) ( b ) x 6 5 母材( x 1 0 0 0 ) ( c ) ，卜部碳钢烨材x 6 5h a z 粗品区( xj o o o ) ( d ) 上部碳钢焊材x 6 5 h a z 细粗晶区( x 1 0 0 0 ) 1 6 襄堪豁秘唧撕露一一札 0笋蕊娥糍氍徽 第三章复合管焊接接头的力学性能洲试 ( e ) 焊材为不锈钢的x 6 5h a z 粗晶区( x 1 0 0 0 )( d 焊材为不锈钢的x 6 5h a z 细粗晶区( x i o o o ) ( g ) 3 1 6 lh a z 粗品区( x 1 0 0 0 ) ( h ) 3 1 6 lh a z 细品区( x 1 0 0 0 ) 隰燃 一 溅 弘i 蠢囊麟 j 籀骥j 琵淞黼 ( i ) 卜部妒l l 缝( x 1 0 0 0 ) ( j ) 根部焊缝( x l o o o ) 图3 3s z p 8 8 试样d 1 7 金相显微组织 f i g 3 3m e t a l l u r g i c a lm i c r o s t r u c t u r eo fs z p 一8 8s p e c i m e ndi7 1 7 第三章复合管焊接接头的力学性能测试 从图3 2 ( a ) 和3 3 ( a ) 可以看出3 1 6 l 母材为奥氏体基体上分布着6 铁素体 的双相组织。图3 2 图3 3 中的( b ) 图可以看出x 6 5 母材具有管线钢典型的轧制 方向，沿轧制方向分布着珠光体带，主要的显微组织由铁素体和少量片状珠光体 组成。( c ) 图为x 6 5 热影响区的粗晶区，其组织为粗人的铁素体和少量珠光体， 其中粗晶会恶化焊接接头的力学性能。( d ) 图为x 6 5 热影响区的细晶区，其组 织为晶粒较小的铁素体和少量珠光体组成。图3 2 中，从( e ) 图、( f ) 图可以看 出3 1 6 lh a z 粗晶区的显微组织为奥氏体加6 铁素体，呈骨架状，而3 1 6 lh a z 细晶区的铁素体基本呈蠕虫状。从( g ) 图、( h ) 图可以看出3 1 6 l 焊缝的显微组 织也为奥氏体基体上分布着铁素体。这是因为焊材t g s 3 0 9 l 和t g x 3 1 6 l 含 c r 、n i 量高，并且通过c 、m n 元素的固溶强化，所以焊缝凝固后保留了较多的 奥氏体外加少量铁素体。这些铁素体通常沿原奥氏体边界析出。所以，这种焊缝 中的铁素体组织较粗大，基本上连成一片。根部焊缝晶粒较上焊缝的要小，这主 要是因为根部焊缝承受了上层焊缝的热处理，得到组织较小的铁索体，多数呈粒 状或小的蠕虫状分布。图3 3 中可以看出试样s z p 8 8 上部焊缝的显微组织为铁 素体、珠光体和少量贝氏体。下部焊缝为少量铁素体均匀分布在奥氏体基体上。 图3 2 一图3 - 3 表明，焊接接头各微区组织均匀，同时不锈钢焊缝中只有铁素体和 奥氏体两相，未发现含c r 碳化物的析出，这是由于采用了超低碳焊材，使可扩 散的c 含量很低，从而制约了c r 2 3 c 6 的形成，确保焊缝在使用过程中不会有晶 间腐蚀的发生，因此说明所采取的焊接工艺是成功的。 3 3 焊接接头硬度测试 根据o 仃s h o r es t a n d a r dd n v o s - fl0l “m e t a l l o g r a p h i ce x a m i n a t i o n 锄d h a r d n e s st e s t i n g 标准，采用h v a 一1 0 a 型维氏硬度计测量复合管材料焊接接头焊 缝、熔合线、热影响区和母材( 包括碳钢和不锈钢) 四个区域的维氏硬度，载荷 为l o k g 。其中焊缝测点间距为lm m ，热影响区处测点间距为o 5m m ，母材处为l m m 。试样编号及其焊接工艺见表2 2 和表2 3 。测点位置示意图如图3 4 所示，硬 度测试点照片如图3 5 3 - 6 所示，