張丹丹， 符利兵， 楊永良， 王晨華， 趙 祥， 徐二雷

（1. 西安泵閥總廠有限公司， 西安710025；2. 寶雞石油鋼管有限責任公司， 陜西 寶雞721008）

0 前 言

絕緣接頭是石油天然氣輸送管線陰極保護系統(tǒng)中不可缺少的重要部件， 其作用是將絕緣接頭兩端管線電絕緣分隔， 從而防止陰極保護電流的流失， 減緩管道電化學腐蝕， 延長管線的使用壽命[1-2]。 在設計和制造過程， 要保證絕緣接頭與輸送管線同壽命。

絕緣接頭兩端分布有與油氣輸送管線鋼同材質的短管， 方便戶外現(xiàn)場焊接施工， 但是法蘭鍛件與兩端預留短管需在供應商生產現(xiàn)場完成對接， 鍛件與管線鋼的焊接尤為重要。 我公司為某天然氣管道項目供應DN100 mm 的S31603 材質絕緣接頭產品， 法蘭組件由S31603 鍛件和S31603 短管焊接而成， 應用介質為天然氣， 設計壓力為16 MPa， 設計溫度為-20～+100 ℃。 法蘭鍛件與管線鋼焊接工藝采用手工氬弧焊+電弧焊 （GTAW+SMAW）[3-8]，為保障焊縫的性能安全可靠， 進行了焊接接頭的耐腐蝕性能試驗[9-13]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用GB/T 14976—2012 《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》 規(guī)定的S31603 無縫鋼管和NB/T 47010—2017 《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》 規(guī)定的S31603 鍛件。 為了節(jié)省試驗材料， 鍛件為鍛環(huán)坯料， 鍛環(huán)經粗加工后進行1 040 ℃×3.5 h 的固溶處理[14-15]。 試驗材料化學成分和力學性能分別見表1 和表2。

表1 S31603 鋼管與鍛件的化學成分

表2 S31603 鋼管與鍛件的主要力學性能

熱處理完成后對鍛件進行精車， 最終尺寸為Φ114.3 mm×11 mm 環(huán)狀， 鍛環(huán)長度為60 mm，其中一端用車床加工成30°對焊坡口。 鋼管規(guī)格為Φ114.3 mm×11 mm， 鋸床切割一段長度為60 mm的短管， 一端用車床加工成30°對焊坡口。 試驗件焊接接頭型式及尺寸如圖1 所示。

圖1 焊接接頭組對型式及尺寸

1.2 試驗方法

焊材選用大西洋ER316L 焊絲和A022 焊條，焊絲直徑為2.5 mm， 焊條直徑為3.2 mm， 其化學成分和力學性能分別見表3 和表4。

表3 焊材化學成分

表4 焊材熔敷金屬力學性能

焊前用酒精清洗待焊工件坡口及其周圍20 mm 內的油污， 打底時背面應有氬氣保護，試件焊接時先用手工氬弧焊（GTAW） 定位點焊，點固3 處， 每處焊縫長7～10 mm， 采用手工氬弧焊打底第1 層， 第2～6 層采用電弧焊 （SMAW）填充于蓋面焊接， 焊接位置為水平轉動， 焊接規(guī)范采用適中的工藝參數(shù)， 預熱溫度100 ℃， 控制層間溫度＜150 ℃。 主要焊接參數(shù)見表5。

表5 焊接試驗主要焊接參數(shù)

焊后依據NB/T 47013—2015 規(guī)定進行RT檢測， Ⅱ級合格。 為了改善焊縫金屬與近縫區(qū)的組織和力學性能， 降低焊接接頭的殘余應力， 焊接試件進行550 ℃×1 h 的焊后回火去應力處理。

2 焊縫腐蝕試驗

焊接完成后， 焊縫外觀檢查及射線檢測合格無缺陷， 縱向線切割獲得試樣坯料， 確保焊縫位于試樣長度方向的中心位置， 使用銑床和磨床精加工至各試樣尺寸并標記鍛件端， 電化學腐蝕試樣鍛件端鉆孔用于懸掛并刻字標號， 試驗前使用1200#砂紙拋光試樣表面。

2.1 電化學腐蝕

依據JB/T 7901—2001 《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》 對S31603 奧氏體不銹鋼焊縫進行均勻腐蝕試驗， 試驗條件為： 試驗溫度60 ℃， CO2含量2.510% （體積分數(shù)）， Cl-含量96 300 mg/L， 試驗總壓力16 MPa， 試驗周期168 h， 試驗結果見表6。

式中：

m——試驗前的試樣質量， g；

m1——試驗后的試樣質量， g；S——試樣的總面積， cm2；

T——試驗時間， h；

D——材料密度， 8 000 kg/m3。

對電化學腐蝕試驗后的試樣2 個寬面進行宏觀觀察， 觀察結果如圖2 所示。 由圖2 可以看出， 試樣表面中母材、 焊縫和熱影響區(qū)均未見點腐蝕痕跡。

表6 電化學腐蝕測試結果

圖2 電化學腐蝕試驗后試樣宏觀照片

2.2 應力腐蝕開裂

依據GB/T 4157—2017 《金屬在硫化氫環(huán)境中抗硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂的實驗室試驗方法》 對S31603 奧氏體不銹鋼焊縫進行抗氯化物應力腐蝕開裂試驗， 試驗條件為： 試驗溫度60 ℃，CO2含量2.51% （體積分數(shù)）， Cl-含量96 300 mg/L，試驗總壓力16 MPa， 試驗周期720 h。 試件四點彎曲加載應力為207 MPa， 試驗測試結果見表7。 試驗后試樣宏觀照片如圖3 所示， 試樣表面中母材、焊縫和熱影響區(qū)均未見點腐蝕痕跡。

表7 抗氯化物應力腐蝕開裂測試結果

圖3 抗應力腐蝕開裂試驗后試樣宏觀照片

2.3 晶間腐蝕

按照GB/T 433—2008 《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》 中的E 法對S31603奧氏體不銹鋼焊縫進行晶間腐蝕試驗， 試驗條件為： 配制700 mL 蒸餾水+100 mL H2SO4+100 g CuSO4·5H2O， 加蒸餾水稀釋到1 000 mL 并加熱至沸騰， 試驗周期16 h， 彎曲角度180°。 試驗結果見表8。

試驗后試樣宏觀照片如圖4 所示， C1、 C2與C3試樣彎曲后未斷裂， 但有裂口， 200 倍下金相照片如圖5 所示。

表8 晶間腐蝕試驗結果

圖4 晶間腐蝕宏觀照片

圖5 晶間腐蝕試驗后試樣金相照片 200×

3 結 論

（1） 高溫高壓均勻腐蝕速率≤0.025 mm/a，試件表面無點蝕跡象。

（2） 應力腐蝕開裂試驗720 h 后試件未斷裂、 無裂紋。

（3） 晶間腐蝕試驗后對試件進行面彎與背彎測試， 彎曲后均未斷裂， 經金相分析無晶間腐蝕裂紋。

（4） 采用Φ2.5 mm 規(guī)格ER316L 焊絲進行GTAW 打底， 然后使用Φ3.2 mm 規(guī)格A022 焊條進行SMAW 填充蓋面， 此工藝方法進行S31603鍛件與鋼管焊接是可行的。