一种大壁厚镍基合金/碳钢层状结构复合管的制造方法与流程

本发明属于大壁厚层状结构复合管材制造技术领域，具体涉及一种大壁厚镍基合金/碳钢层状结构复合管的制造方法。

背景技术：
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镍基合金/碳钢层状结构复合管材，具有优良的界面结合强度，能很好避免分层、塌陷等质量问题；能满足强腐蚀性介质储运服役条件要求，最大限度地实现材料的优势互补，显著降低管道建设成本，提高管道耐蚀性和安全可靠性。将有效解决我国塔里木油田、长庆油田、西南油田等各大油田由于“四高一低”(即高CO₂、高H₂S、高Cl^-、高矿化度、低PH值)引起的原油集输和炼化中出现的储运设备腐蚀失效等问题，为国家油气开采和管网建设提供支撑。

镍基合金/碳钢层状结构复合管材，机械性能(包括拉伸性能、低温冲击韧性、DWTT性能等)主要由外层碳钢贡献，而镍基合金主要起抗腐蚀作用。目前国内关于复合管普遍采用的制管方法有离心浇铸、冷加工扩散退火、液压胀合、爆炸复合、爆炸复合+焊接、热穿孔+扩散复合等。

2013年10月16日公布的公布号为CN 103350124A的中国发明专利，专利名称为一种输送石油天然气的直缝双金属复合焊管的制造方法，该制造方法为：将复层为耐蚀合金层和基层为碳钢以“爆炸+热轧”方式结合在一起的双金属复合板通过JCOE成型工艺成型为直缝管状，最后通过焊接工艺将直缝焊接制成复层在内基层在外的直缝双金属复合焊管；“爆炸+热轧”方式结合在一起的双金属复合板，实现层状复合板的冶金结合，本发明主要是针对镍基合金/碳钢层状结构复合管材的制造，由于镍基合金及其焊缝、过渡界面处对主要耐蚀金属元素Ni、Cr、Mo的成分量有严格要求，合金元素的稀释和烧损是焊接中亟待解决的工程问题。上述已公布的制造方法中所述的破口设计以及焊接工艺不适用于本发明。

技术实现要素：
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为了克服上述技术问题，本发明的目的是提供一种大壁厚镍基合金/碳钢层状结构复合管的制造方法，采用本发明的制造方法可使各熔敷区金属过渡熔焊连接质量可靠，可有效控制主要耐蚀金属元素Ni、Cr、Mo的成分量，使焊缝具有可靠耐蚀性能和优良机械性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种大壁厚镍基合金/碳钢层状结构复合管的制造方法，其特征在于：将镍基合金层和碳钢层通过“真空热轧+热处理”方式制备成冶金层状结构复合板；然后对复合板两纵边进行“U+I+V”破口加工；再采用JCO多道次渐进压制成管状，镍基合金层在管内侧，碳钢层在管外侧；最后采用合理的焊接工艺在破口处进行碳钢层、过渡层和镍基合金层焊接，制成镍基合金/碳钢层状结构复合管。

上述镍基合金层为UNS N08825、UNS N06625或同系列的Ni-Cr-Fe耐蚀高温合金，镍基合金层的厚度为2～4mm；碳钢层为Q235、Q345、X52、X60、X65、X70、X80、X90或X100碳素结构钢、压力容器钢和高强高韧管线钢，厚度为18～30mm。

上述“U+I+V”坡口的参数为：镍基合金层一侧为“U”型坡口，宽度为5～12mm，深度为4～6mm，且深度大于镍基合金层厚度；碳钢层一侧为“I+V”型坡口，坡口角度为60～80°，宽度为13～23mm，深度为4～10mm，钝边为5～15mm。

上述焊接工艺是：先采用SAW焊进行碳钢层焊接，形成碳钢层熔敷区；再采用TIG焊进行过渡层焊接，形成过渡层熔敷区；最后采用TIG焊对镍基合金层进行填充盖面焊接，形成镍基合金层熔敷区。

上述过渡层熔敷区的厚度与镍基合金层/碳钢层的界面平齐或超出0～1.0mm，且完全覆盖碳钢层。

上述碳钢层、过渡层和镍基合金层焊接的全过程均采用惰性气体对焊缝区及附近区域充分保护。

上述焊接工艺中进行碳钢层焊接之前在管外侧碳钢层先采用MAG焊进行预焊。

本发明的有益效果：

本发明通采用“U+I+V”特型复合坡口设计，采用MAG焊、SAW焊和TIG焊分别依次按照预焊层、碳钢层、过渡层、镍基合金层熔敷区的先后顺序进行焊接，能显著提高复合管制造效率，既能保证覆层镍基合金的耐蚀性，又能确保基层碳钢的强韧化要求，使焊缝具有可靠的焊接质量和优良的综合力学性能。

附图说明：

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地描述。

图1为本发明大壁厚镍基合金/碳钢层状结构复合管结构示意图。

图2为图1中复合管完成焊接后整体焊缝的局部放大图。

图3为过渡界面微区显微组织。

附图标记说明：1为碳钢层；2为镍基合金层；3为复合管整体焊缝；4为碳钢层熔敷区；5为过渡层熔敷区；6为镍基合金层熔敷区。

具体实施方式：

参见图1，以“真空热轧+热处理”工艺制备的大壁厚UNS N08825/X65镍基合金/管线钢层状结构复合板材为实验原料板材，UNS N08825镍基合金层2一面在上，X65碳钢层1一面在下，清理板材双面杂物、硬块等后进行复合管的制造，步骤依次为：

步骤1：根据图1中坡口设计形式对UNS N08825/X65镍基合金/管线钢层状结构复合板材进行焊接特性坡口加工，UNS N08825镍基合金层2的“U”型坡口深度和宽度分别为5.5mm和11mm，且坡口底部为圆弧状；X65碳钢层1的“I+V”型坡口宽度、深度、角度和钝边分别为20mm、12mm、80°和10mm。

步骤2：采用JCO多道次渐进压制成管状，同时对碳钢层1外坡口进行MAG预焊接，形成预焊层MAG熔敷区。

步骤3：待完成成形预焊后，从钢管外侧即X65碳钢层1一侧整体采用SAW焊接，形成碳钢层熔敷区4；待碳钢层熔敷区4完成焊接后空冷至室温，从UNS N08825镍基合金层一侧对“U”型坡口进行坡口清根处理，使坡口底部为圆弧状过渡，对坡口附近区域进行抛光并用丙酮和乙醇进行整个清洗且迅速吹干；然后采用TIG焊进行过渡层焊接，形成过渡层熔敷区5；最后进行UNS N08825镍基合金层2的TIG填充、盖面焊，形成镍基合金层熔敷区6。

焊接工艺参数如下表1、2、3所示，焊缝性能如表4所示：

表1 MAG焊接参数

表2 SAW焊接参数

表3过渡层和复层焊接参数

表4焊缝性能测试结果

镍基合金层和碳钢层过渡界面区主要耐蚀合金元素Ni、Cr、Mo含量的减少是造成焊缝耐蚀性能减弱的主要因素。本发明的解决方法是采用小线能量、低热输入TIG焊方法进行过渡层焊接，尽可能降低焊接高温复杂冶金作用对界面微区内微观组织特征和Ni、Cr、Mo元素扩散迁移的影响，使过渡界面微区组织均匀性提高(如图3所示)，合金元素稀释作用减弱。通过对界面微区合金元素扫描分析，发现主要耐蚀合金元素Ni、Cr、Mo的含量发生了微小变化，但对焊缝耐蚀性的影响微弱，根据ASTM 262《检测奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感度的标准实施规范》方法E对复合管覆层焊缝进行晶间腐蚀试验，弯曲后未发生龟裂或裂纹，根据ASTM G48《使用三氯化铁溶液做不锈钢及其合金的耐麻点腐蚀和抗裂口腐蚀性试验的标准方法》方法A对复合管覆层焊缝进行点蚀试验，结果完全满足相关标准要求，复合管焊缝仍然具有优良且可靠的耐腐蚀性。

综上，采用本发明公开的制造方法可以获得力学性能优良、耐腐蚀性能可靠的大壁厚镍基合金/碳钢层状结构复合管产品。

本发明适合于大口径(直径≥508mm)、薄复层(复层厚度≤4mm)、大壁厚(18mm≤壁厚≤30mm)的镍基合金/碳钢层状结构复合管材的工程化、批量化生产，具有很高的实用价值。

以上内容是结合具体的优选实施方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出的若干简单推演、替换或变换等都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定专利保护范围。