SU304/Q235B,不锈钢复合管环焊及补焊工艺研究*

张 君， 赵红波， 李中祥， 牛 辉，姜 帆， 李 鹏， 赵颇如

（1. 宝鸡石油钢管有限责任公司， 陕西 宝鸡 721008；
2. 国家石油天然气管材工程技术研究中心， 陕西 宝鸡 721008；

3. 上海宝世威石油钢管制造有限公司，上海 200941；

4. 中国石油天然气集团有限公司， 北京 100007）

SU304 不锈钢复合管是近年来在输水、 热力等民用管道市场逐步获得广泛认可的一种经济型新产品[1]， 可有效克服熔结环氧（FBE）、 水泥砂浆内衬及塑料衬里钢管的诸多缺点[2-3]。

由于基层碳钢与覆层不锈钢采用冶金结合的方式， 不会形成空腔和长时间服役后的防腐层脱落， 适合管径范围大， 不需要现场内补口， 覆层为不锈钢， 非常适用城市热力管道等高温介质， 是未来比较有发展前景的一种管材类型[4]。

但在实际制管过程中， 因断弧、 烧穿及机械损伤等需要对焊缝进行补焊和修补， 同时在管道施工中需对不锈钢复合管进行环缝焊接。

故本研究针对以上问题开展了一系列试验研究， 为不锈钢复合管生产及工程应用提供技术参考。

1.1 试验用管材

本试验选用规格为Φ820 mm×8（6.7+1.3） mm SU304/Q235B 螺旋埋弧焊不锈钢复合管为试验材料， 复合管基层Q235B 和覆层SU304 的化学成分见表1。

表1 覆层和基层材料化学成分

1.2 焊接性分析

SU304 组织为奥氏体， 单相合金焊缝多边化晶界的形成与发展易产生多边化裂纹， 此外， 在焊接过程中， Ni 易与S 等非金属元素及Pb、 Zn 等形成低熔点共晶物， 增大焊接热裂纹倾向[5]。

其次， 焊缝流动性和润湿性差， 电弧穿透力小且熔深较浅， 从而易产生未熔合与未焊透等缺陷。

SU304+Q235B 不锈钢复合管的焊接主要特点是：
一是覆层在焊接时， 焊缝中的Ni、 Cr 等合金元素易发生稀释， 造成腐蚀性能下降， 尤其是抗晶间腐蚀性能；

二是基层Q235B 焊接时因覆层高合金元素掺入易导致焊缝金属硬化与脆化， 在应力条件下易产生结晶裂纹[6]；

三是由于覆层SU304 与基层Q235B 的热导系数和热膨胀系数差别较大， 焊接作业的高温及金属结晶冷却收缩（尤其是较厚的基层焊缝收缩） 导致过渡层与基层底部焊缝拘束应力集中[7]。

2.1 试验方案

本研究主要针对SU304+Q235B Φ820 mm×8（6.7+1.3） mm 不锈钢复合管生产过程焊缝修补与管道施工环缝焊接工艺进行试验研究。

具体工艺方案为：
环焊对接工艺试验、 内外断弧补焊工艺试验、 烧穿补焊工艺试验以及不锈钢覆层SU304 的损伤堆焊修补工艺试验。

首先， 针对SU304 和SU304+Q235B 焊接性研究与分析， 本次焊接选用GTAW、 GMAW 及GTAW+SMAW 组合焊方法和内外双面焊工艺，并采用较小的焊接参数以降低热输入。

其次， 通过合理的焊缝接头设计， 有效减少焊缝稀释并改善焊缝局部拘束应力过渡集中。

一方面， 覆层焊缝设计在保证较小焊接参数可充分融合的条件下， 尽量降低基层母材Fe、 C 的过渡；

另一方面， 基层采用多层多道焊接工艺， 且减少每层熔敷金属厚度， 尽可能降低因焊接热源引起的局部应力过高现象。

最后， 优化焊缝合金元素， 选用Ni、 Cr等合金成分较高的焊材， 通过焊接冶金过渡方式， 解决覆层焊缝稀释问题[8]。

覆层选用AWS A-5.9 ER309L 不锈钢焊丝和AWS A-5.14 ERNiCrMo-3 镍基合金焊丝；

基层选用GB/T 5117 E5015 细晶粒钢焊条、 AWS A-5.4 E309-16 不锈钢焊条及AWS A-5.11 ENiCrMo-3 镍基合金焊条。

根据焊接工艺要求和实际加工能力， 坡口设计为U 形和V 形， 环缝坡口如图1 所示。

图1 环缝对接坡口形式及焊接位置示意图

由于小直径不锈钢复合管环焊对接难以实现单面焊双面成形， 本研究增加环缝单面焊双面成形焊接工艺， 为避免管内通Ar 气进行环境保护的复杂工序， 选用Ni、 Cr 成分较高且具有药皮自保护的AWS A-5.9/ASME SFA-5.9 TGF309L 焊丝。

2.2 焊接工艺参数

针对环缝对接， 设计内外双面焊接和单面焊双面成形2 种工艺， 焊接工艺参数见表2 和表3。

表2 环缝内外双面焊接工艺参数

表3 环缝单面焊双面成形工艺参数

生产中螺旋缝内外断弧的补焊， 设计气刨+SMAW 工艺， 即依次先将基层焊缝刨开后进行填充与盖面焊， 再将覆层刨开清理补焊。

为避免基层焊缝中因合金元素过量与覆层中Fe、 C 的扩散，工艺设计要求基层气刨深度小于基层厚度， 覆层气刨深度则大于覆层厚度， 补焊工艺参数见表4。

表4 螺旋缝缺陷补焊工艺参数

SAW 螺旋缝烧穿补焊， 首先采用气刨将内外焊缝全部刨开， 清理焊渣后先进行基层焊接， 再进行覆层焊接的补焊工艺。

焊接参数见表5。

表5 螺旋缝烧穿补焊工艺参数

管内SU304 覆层的损伤修补， 采用GTAW和SMAW 工艺方法进行堆焊修复对比， 其中GTAW 采用TGF309L 和ERNiCrMo-3 不同合金成分焊丝进行试验研究， 焊接工艺参数见表6。

表6 管内覆层损伤堆焊修补工艺参数

3.1 金相组织

焊接接头宏观形貌如图2 所示。

由图2 可知， 覆层、 基层及母材融合良好， 未发现微裂纹等缺陷。

U 形坡口焊接接头、 内外断弧补焊接头及烧穿补焊接头采用内、 外双面焊工艺，焊缝形貌为标准高斯曲线状， 经测量焊缝成形系数为1.3；

V 形坡口焊接采用单面焊双面成形工艺， 为获得良好的背面焊缝成形效果， 覆层打底焊的焊接速度较低， 焊缝熔覆量较大， 焊缝形貌呈垂直状， 焊缝成形系数为1.0， 且覆层焊缝较易被腐蚀液 （CuSO4） 腐蚀， 宏观照片颜色浅， 如图2 （a）、 图2 （b） 所示。

图2 焊接接头宏观形貌

环缝接头及烧穿补焊接头的微观组织如图3所示， 由于基层均采用了ENiCrMo-3 （625） 焊材， 其Ni、 Cr 含量高（w（Ni）=58%， w（Cr）=20%），焊缝均为奥氏体（A） +网状δF+碳化物的铸态组织， 在HAZ 区可清晰看到焊缝金属由融合线边界形核、 长大及再结晶过程， 晶粒成长方向与融合线的切线垂直。

覆层组织是典型的奥氏体焊缝组织A+δF+碳化物[9]， 基层焊缝组织相δF 和碳化物形态为点状或块状， 在HAZ 的母材侧由于焊接热源作用， 可观察到在晶界过饱合C 化物析出的蚀刻区。

图3 环缝及烧穿补焊接头的显微组织

内外断弧补焊焊接接头微观组织如图4 所示， 基层采用普通低合金钢焊条， 焊缝组织为PF+P， 覆层焊缝组织主要为A+δF+碳化物。

图4 内外断弧补焊焊接接头微观组织

为进一步掌握坡口形式和错边量的变化对组织的影响， 本次试验针对U 形环缝接头、 V 形环缝接头以及补焊接头 （错边1.2 mm） 的焊缝组织进行对比分析。

U 形坡口底部平缓， 覆层焊接区基本全部为不锈钢SU304， 同时采用TGF309L （Ni 质量百分比为13.25%， Cr 质量百分比为24.5%） 与合金元素较高的ENiCrMo-3 焊材， 焊接过程合金元素Ni、 Cr 过渡较多， 焊缝组织以A 为主， 同时存在点状密排的δF+碳化物， δF 相的出现一方面可以打乱柱状晶的方向性以免形成连续贫Cr 层， 另一方面， δF 有良好的供Cr 作用， 可减少A 晶粒形成贫Cr[1]， 组织形貌如图5 所示。

图5 U 形坡口覆层焊缝组织

V 形坡口的钝边两侧基本为基层Q235B，选用单面焊双面成形用TGF309L 自保护不锈钢焊丝， 焊接过程由于基层过量的Fe、 C 熔入，导致覆层焊缝合金元素被大量稀释， 在焊缝组织中发现分布层状马氏体（M） 组织[10-12]， 其形貌如图6 所示。

在错边1.2 mm 的补焊接头中， 由于基层母材被熔覆到焊缝中的量较多， 导致焊缝被稀释， 其覆层焊缝中δF 呈现块状结构， 补焊错边覆层组织形貌如图7 所示。

图6 V 形坡口覆层焊缝组织

图7 补焊错边覆层组织

3.2 力学性能

焊缝力学性能试验结果如图8 所示。

从图8 （a） 可看出， 在0 ℃温度条件， U 形环缝冲击功范围为34～45 J， 平均值为39 J；

V 形环缝冲击功范围为30～37 J， 平均值为31 J；

内外断弧补焊冲击功范围为53～66 J， 平均值58 J；

烧穿补焊冲击功范围为45～57 J， 平均值为49 J。

由结果可以看出， V 形坡口焊缝冲击韧性值最低，内外断弧补焊焊缝冲击韧性值最高。

由图8 （b）可知， 焊缝抗拉强度为511～556 MPa， 数据稳定且断口位置均在母材， 符合标准要求[13-14]。

图8 焊缝力学性能试验结果

经分析可知， V 形坡口环缝对接采用单面焊双面成形工艺， 焊缝融合比较大；

且焊缝组织中含有大量层状M 蚀刻区；

故降低了焊缝韧性；
而内外断弧补焊采用双面焊工艺和强韧性较好的E5015 细晶粒钢焊条；

焊缝组织为PF+P， 强度及韧性均较好。

3.3 耐腐蚀性能

盐雾腐蚀试验如图9 所示， 分别对环缝接头、 内外断弧补焊接头、 烧穿补焊接头及覆层损伤堆焊接头的覆层焊缝在5%NaCl 溶液中进行盐雾试验[15]， 经过96 h 腐蚀， 焊缝 （图中红线间的区域） 均未出现腐蚀锈斑。

试验表明， 不同工艺和焊材的焊缝均具有抗NaCl 腐蚀性能。

图9 盐雾腐蚀试验结果

晶间腐蚀试样如图10 所示， 试验结果在沸腾硫酸铜溶液中经过20 h 腐蚀后弯曲[16]， V 形环焊接头和GTAW （采用TGF309L 焊丝） 堆焊试样表面出现层状裂纹， 如图10 （b）、 图10 （e）所示， 其余试样表面光滑， 在10 倍放大镜下观察， 未发现微裂纹， 这表明不同坡口形式及焊材对焊缝晶间腐蚀影响较大。

图10 晶间腐蚀试验结果

此外， 当补焊错边达到1.2 mm 时， 由于基层母材对覆层焊缝的稀释， 在经硫酸铜溶液腐蚀后， 在错边处均有不同程度的腐蚀， 弯曲后焊缝处发生启裂和断裂， 腐蚀试验结果如图11 所示。

图11 错边焊缝接头晶间腐蚀试验结果

对腐蚀开裂试样进行扫描电镜（SEM） 及能谱分析， 如图12 所示。

由图12 可知， 启裂部位有明显腐蚀现象， 能谱分析结果显示， 覆层焊缝中成分分布不均匀， 启裂区焊缝成分以Fe 为主。

图12 断口扫描电镜及能谱分析结果

（1） 对于SU304+Q235B Φ820 mm×8 （6.7+1.3） mm 不锈钢复合管环缝焊接， 当设计U 形坡口时， 采用GTAW+SMAW 内外双面焊方法并匹配TGF309L 和ERNiCrMo-3 焊材的焊接工艺，焊缝覆层组织以A 为主+点状密排δF 和碳化物，焊缝理化性能、 盐雾腐蚀及晶间腐蚀均达到标准要求；

当设计V 形坡口时， 采用GTAW 单面焊双面成形方法并匹配TGF309L 焊材的焊接工艺，覆层焊缝稀释率较大， 组织出现层状M 蚀刻区，焊缝韧性差， 晶间腐蚀出现开裂。

（2） SU304+Q235B Φ820 mm×8 （6.7+1.3） mm不锈钢复合管内外断弧补焊和烧穿补焊采用SMAW 方法并匹配E5015+ERNiCrMo-3 焊材，同时采用SMAW 方法匹配E5015 +ERNiCrMo -3焊材的工艺， 其焊缝理化性能、 盐雾腐蚀及晶间腐蚀均达到标准要求。

但当焊缝错边接近覆层厚度时， 覆层焊缝组织中的δF 呈现块状， 焊缝抗晶间腐蚀性能变差。

（3） 管体覆层SU304 损伤修补采用GTAW和SMAW 方法并匹配ERNiCrMo-3 焊材进行堆焊， 焊缝盐雾试验和晶间腐蚀试验结果均良好。