《雙金屬複合管焊接工法》是四川石油天然氣建設工程有限責任公司完成的建築類施工工法，完成人是楊勝金、王學軍、楊旭。該工法適用於雙金屬複合管對接焊，以及雙金屬複合管與不鏽鋼對接焊時的接頭設計、操作技術和施工工序。
《雙金屬複合管焊接工法》主要的工法特點是：不僅保證了鋼管的強度，過渡層金屬的塑性和韌性，還確保了覆層金屬的防腐蝕性能，比傳統的接頭設計形式和焊接順序得到了很大的改進。
2008年1月31日，《雙金屬複合管焊接工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家二級工法。
基本介紹
- 中文名：雙金屬複合管焊接工法
- 工法編號：YJGF320-2006
- 完成單位：四川石油天然氣建設工程有限責任公司
- 主要完成人：楊勝金、王學軍、楊旭
- 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
- 主要榮譽：2005-2006年度國家二級工法
形成原因,工法特點,操作原理,適用範圍,工藝原理,施工工藝,材料設備,質量控制,安全措施,環保措施,效益分析,套用實例,榮譽表彰,
形成原因
雙金屬複合管（下圖）是在碳鋼或低合金管（基層管）的內表面鑲嵌一層較薄的耐熱、耐腐蝕或其他特殊性能的金屬（覆層管），以提高管道相應的耐熱或耐腐蝕等性能，通常套用於高溫或強腐蝕介質的輸送中。雙金屬複合管焊接技術（截止2005年前）在中國尚不成熟，沒有相關經驗可借鑑。在充分地分析了異種金屬焊接過程中帶來的強度、塑性和韌性的變化、主要合金元素的燒損和稀釋等問題後，四川石油天然氣建設工程有限責任公司經過科研試驗和技術攻關，科學地設計出了接頭的坡口形式和尺寸，編制了《雙金屬複合管焊接工法》，成功地解決了雙金屬複合管的焊接問題，使焊接接頭通過了相關檢驗標準的檢驗，並滿足了模擬油氣田環境條件下的腐蝕試驗檢驗要求，達到了與覆層相同的防腐蝕性能。
雙金屬複合管
工法特點
《雙金屬複合管焊接工法》的工法特點是：
雙金屬複合管的對接焊在焊接順序上有別於傳統的不銹複合鋼板或壓力容器的焊接順序。傳統的不銹複合鋼板或壓力容器是首先進行基層碳鋼或低合金鋼的對接焊，接著進行過渡層的焊接，最後進行覆層的焊接，如下圖1示。圖中1、2……n-1、n、n+1、n+2表示焊接順序。
由於受鋼管直徑的影響，不銹複合鋼管不能開內坡口，而且只能先進行覆層管的焊接，再焊過渡層，最後焊基層管，加大了焊接質量的控制難度。因此焊接該類鋼管就必須處理好三個方面的問題：第一，覆層金屬的抗腐蝕問題；第二，過渡層的塑性、韌性以及合金稀釋化的問題；第三，基層金屬的強度、塑性等性能。下圖2為中國國內一般在焊接雙金屬複合管時使用的坡口形式和焊接順序。這種坡口形式在焊接第2層時容易使碳鋼里的碳滲到不鏽鋼里去，造成滲碳，形成沒有抗腐蝕能力的Cr23C6碳化物，降低了覆層金屬的抗腐蝕性能。
針對上述問題，該工法對坡口形式和焊接順序進行了改進。坡口形式如下圖3所示。這種坡口形式加長了覆層金屬在坡口上的長度，並使用手工鎢極氬弧焊和選定的焊絲對複合管管端進行封焊（如下圖3示，順序1）。可避免基層金屬管的碳滲透到接頭焊縫中去，降低抗腐蝕的能力，並可保證覆層金屬管的強度。然後兩根鋼管進行組對焊接。在進行根焊前，須在鋼管內部充入保護氣體，純度達到要求後，再進行根焊（下圖3，順序2）。採用符合進行過渡層焊接要求的焊條焊接過渡層（下圖3，順序3），保證在下一層採用與基層金屬同等性質的焊條焊接時，根焊焊縫的主要合金元素未被稀釋，同時避免形成脆硬的馬氏體組織，保證過渡層的塑性和韌性。保護氣體的引入和保護裝置示意圖如下圖4所示。這種裝置比傳統在鋼管的兩個連線埠進行密封，充保護氣體的方法節約了近99%的氣體用量。採用該工法不僅保證了鋼管的強度，過渡層金屬的塑性和韌性，還確保了覆層金屬的防腐蝕性能，比傳統的接頭設計形式和焊接順序得到了很大的改進。
操作原理
適用範圍
《雙金屬複合管焊接工法》適用於雙金屬複合管對接焊，以及雙金屬複合管與不鏽鋼對接焊時的接頭設計、操作技術和施工工序。
工藝原理
《雙金屬複合管焊接工法》的工藝原理敘述如下：
該工法主要的目的是保護複合管覆層不鏽鋼金屬的防腐蝕性能，保證過渡層金屬的塑性、韌性和基層金屬的強度要求。其中覆層的焊接和過渡層的焊接為重點研究對象。覆層金屬在坡口加工時形成的一段突出部分，如下圖所示，主要是便於進行封焊。封焊的作用第一是為了加固突出部分，防止焊接時覆層導熱率小而過熱，造成突出部分局部凹陷，至使根焊進行困難，進行封焊後，可加強突出部分的強度；第二由於這種複合管基層和覆層間有間隙，且兩種金屬管的導熱率不同，在焊接加熱和冷卻過程中，兩管極易發生相對位移，導致預留組對間隙完全封閉，焊接無法進行，封焊後可避免這個問題的發生；第三作為異種鋼焊接時過渡層的焊接，防止主要合金元素Cr、Ni、Mo的稀釋，使覆層抗腐蝕的能力降低，同時防止碳鋼或低合金鋼里的碳滲透到焊縫中心去，形成晶間腐蝕，即形成沒有抗腐蝕能力的碳化物Cr23C6，會降低焊縫的抗腐蝕性能，甚至導致焊接結構的破壞。進行封焊時使用的焊接材料須是Cr、Ni、Mo含量高的不鏽鋼焊接材料，避免封焊焊縫形成大量馬氏體等脆硬組織，以及補充由於被氧化而損失掉的Cr、Mo等合金元素，提高焊接接頭的塑性、韌性和抗腐蝕性能。
單邊坡口示意圖
根焊焊縫作為直接接觸腐蝕介質的金屬，防腐蝕性能應與覆層金屬性能相同或優於覆層金屬。選用焊接質量最容易控制的手工鎢極氬弧焊作為根焊的焊接方法，焊接質量易於得到保證。但缺點是焊縫背面需要充保護氣體。過渡層金屬的作用與封焊焊縫的相似，主要是防止根焊焊縫的主要合金Cr、Ni、Mo等被稀釋，以及防止產生大量馬氏體組織，降低塑、韌性。
施工工藝
- 工藝流程
《雙金屬複合管焊接工法》的工藝流程為：
鋼管坡口加工→管端封焊→放置保護氣體引入裝置→組對→點焊定位塊→密封接頭→充入保護氣體→檢測保護區氧氣含量→進行根焊→進行過渡層焊接→進行第一層填充焊→關閉保護氣體→撤除保護氣體引入裝置→填充焊→蓋面焊。
- 操作要點
《雙金屬複合管焊接工法》的操作要點如下：
一、坡口可採用工具機或坡口機加工，質量應達到焊接工藝規程的要求。
二、封焊前，應使用專用的不鏽鋼砂輪片清除有可能影響焊接質量的雜質；封焊時為避免覆層金屬過多的受熱而被氧化，應將電弧中心指向基層管體。見下圖。
封焊
三、組對前先將保護氣體引入裝置裝入管內，正對坡口處，並穩定牢固。保護氣體引入裝置一端用鋼絲拴牢以便焊接後牽出管外。
四、管道組對完畢後，用定位塊在接頭上進行點焊固定。定位塊材質應和基層材質相同。在接頭上定位3至6個點，定位點位置須均勻分布於接頭上。見下圖。
定位示意圖
五、接頭採用膠帶密封，只在接頭頂部留一個排氣孔。
六、充入保護氣進行並置換空氣。
七、用測氧儀檢測管內保護氣體區域的純度。當氧含量在滿足焊接工藝規程要求後，方可施焊。
八、為了確保根焊質量，建議採用鎢極氬弧焊進行焊接。焊接順序由下到上，對稱焊接。在焊完一段焊縫後，應及時觀察焊縫背面成型和顏色，若發現焊縫成型和顏色未達到要求，應檢查保護腔內的密封性能和腔內的氧含量，及時調整，直到符合焊接工藝規程的要求。
九、焊接時，應經常檢測環境風速，必要時還應採取防風防沙措施，確保根焊焊縫金屬的質量。
十、過渡層是複合管焊接熔敷金屬合金成分最為複雜的焊道層。除了保證不影響根焊焊縫金屬防腐性能外，還應保證本身有足夠的塑性和韌性，分解來自兩種材料不同熱膨脹和冷收縮帶來的內應力。該層建議採用熔敷金屬塑性和韌性較好的鹼性藥皮不鏽鋼焊條焊接。
十一、完成過渡層焊接後，使用與基層鋼管性能相近的焊條，並採用線能量較小的焊接工藝參數進行填充焊道的焊接。
十二、在第一層填充焊道完成後，從管內壁至該焊道表面，焊縫厚度至少已有6毫米以上，下一層的焊接熱量對根焊焊縫以及熱影響區的主要合金元素影響已經很小，為節約施工成本，即可關閉保護氣體，並撤除氣體保護裝置。
十三、以後填充焊道和蓋面層的焊接，按基層金屬所要求的焊接材料和操作技術進行，這裡不再敘述。
材料設備
《雙金屬複合管焊接工法》在施工過程中，使用到的材料、設備和儀器主要有：用於焊接覆層金屬、過渡金屬、基層金屬相匹配的各種焊接材料；手工鎢極氬弧焊和焊條電弧焊的電焊機，如WS—400型電焊機；測量精度達到10pp米以下的氧測量儀，如型號為DFY-VC的氧測量儀；紅外測溫儀，如型號為T1213EL的紅外測溫儀；氣體純度達到99.99%以上的氬氣和氬氣流量減壓器，如型號為195A-25L氬氣流量減壓器；保護氣體引入裝置。
質量控制
《雙金屬複合管焊接工法》的質量控制要求如下：
一、施工前，進行焊接工藝評定使用到的檢驗標準及規範有：
（1）《鋼質管道內腐蝕控制標準》SY/T 0078—1993。
（2）《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》JB/T 7901—1999。
（3）《不鏽鋼硫酸硫酸銅腐蝕試驗方法》GB/T 4334.5—2000。
（4）《石油天然氣金屬管道焊接工藝評定》SY/T 0452—2002。
二、該工法使用到的施工質量控制和檢驗標準及規範有：
（1）《工業金屬管道工程施工及驗收規範》GB 50235—1997。
（2）《輸油輸氣管道線路工程施工及驗收規範》SY 0401—1998與《油氣長輸管道工程施工及驗收規範》GB5 0369—2006。
（3）《石油天然氣鋼製管道無損檢測》SY/T 4109—2005。
三、封焊作為固定覆層突起端和起到過渡層的作用，由於封焊時無法進行充氬氣保護，所以應採用細焊絲，小線能量的焊接參數進行焊接。
四、接頭坡口兩側20毫米內的管道內、外表面不允許有水、鐵鏽、油污等雜質。焊前應使用砂輪機清除，覆層金屬使用丙酮溶液清除。
五、鋼管組對時，覆層金屬的錯邊量須小於等於覆層金屬厚度的10%。這是為了減少焊接後在管道內表面形成的環形凸起，通常環形凸起容易對流體物質形成阻力，凸起前端容易形成湍流並被流體物質沖刷，加劇腐蝕速率。
六、焊接過程應及時觀察焊縫背面顏色和成型情況，若未滿足焊接工藝規程要求，說明根部保護效果不佳，應檢查保護腔內的密封效果是否良好，氧含量是否滿足規程要求。
七、焊接過程應注意環境風速的變化，若風速大於要求範圍，須採取防風防沙措施。
八、焊接過程嚴格控制層間（道間）溫度因為層間溫度較高易增強碳原子的活性，促使碳原子遷移，和鉻原子形成沒有抗腐蝕性能的Cr23C6化合物，並造成鉻原子局部偏析，降低焊縫的整體抗腐蝕能力。
安全措施
採用《雙金屬複合管焊接工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：
一、認真執行國家有關健康、安全、環境的法律、法規和企業的HSE規章制度。
二、對參與施工的人員進行HSE培訓教育，保證施工作業的正常進行。
三、焊接人員必須穿戴好防護服，防止熱金屬飛濺；戴好護目鏡，避免電弧灼傷眼睛。
四、勞動保護用品、保護裝置和設施，必須保證齊全、完好、靈敏、有效。
五、必須保障電氣設備無漏電、短路等故障發生；高壓氣瓶、壓力表、流量減壓器必須保證安全、可靠、靈敏、有效。
六、危險地帶須設立隔離帶或安全警戒線，以及警示標誌。
七、施工過程注意安全，嚴禁機械傷亡。
環保措施
《雙金屬複合管焊接工法》的環保措施如下：
一、施工過程嚴禁隨處丟棄垃圾，並設立垃圾回收裝置。
二、射線探傷須設立警示標誌，以及安全隔離帶。
效益分析
《雙金屬複合管焊接工法》的效益分析如下：
如果在油氣田開發時大量的使用全不鏽鋼管材作為抵抗腐蝕和提供強度的載體，這將增加工程投資成本。雙金屬複合管通常覆層（不鏽鋼層）金屬厚度在1~3毫米之間，基層（碳鋼或低合金鋼）金屬厚度視承受壓力強度而定，通常在6毫米以上。雙金屬複合管覆層負責抵抗腐蝕介質的腐蝕，基層承擔需要的強度。在滿足防腐和強度的情況下，雙金屬複合管在成本上只相當於全不鏽鋼的三分之一。這種雙金屬複合管比20G、16Mn等金屬作為原料油氣的輸送載體時，降低發生安全事故的幾率，消除了安全隱患，獲得社會效益。
套用實例
《雙金屬複合管焊接工法》的套用實例如下：
2005年7月12日~2005年8月15日在新疆塔里木油田牙哈集中處理站改造工程上套用，近6千米的316L+20G雙金屬複合管工程安裝用量。自工程投入使用後，未發生過任何由於焊接安裝質量而引發的安全事故。
榮譽表彰
2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2008]22號”檔案發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》，《雙金屬複合管焊接工法》被評定為2005-2006年度國家二級工法。
