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)
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]。
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
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。
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。
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
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
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×
(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。