双金属复合管
1. 概述
双金属复合管是近年来开发的一种新材料，它的内层是不锈钢管，外层嵌套碳钢管或低合金钢管，采用旋压复合工艺使两者紧密贴合，使其既拥有不锈钢优良的耐腐蚀性，又保证管道能够承受较高的工作温度和工作压力，还能有效地节约建造成本。双金属复合管特别适合对输送管道有较高要求的介质，如凝析油本身含有大量腐蚀介质，且工作温度和工作压力较高，若选用不锈钢管道输送，建造、维护成本很高，而选用双金属不锈钢管道在满足相同的腐蚀条件下，建造、维护成本则能够降低较多。双金属复合管在今后的石油石化生产中将成为不可或缺的材料，因此掌握双金属复合管的焊接方法和焊接工艺，将为我公司在今后更好的占领石油石化领域提供技术支持。
2. 焊接工艺制定
（1）背景简介 红浅1井区火驱先导试验区是X油田公司的一项重要试点工程，试验区内输送介质多为油气混和液，含H2S、HCl等腐蚀性介质的比例较高。基于此原因，试验区内选用了双金属复合管作为输送管道。应用双金属复合管在X油田公司来说还是第一次，对于承建这项工程的我公司来说，开发双金属复合管的焊接方法和焊接工艺已势在必行。
（2）对材料进行分析论证 双金属复合管的结构如图1所示。
由于组成双金属复合管的基层和复合层是通过复合旋压工艺使其紧密贴合在一起，而不属于原子间结合，其间存在缝隙，不锈钢在内层，碳钢在外层，在焊接过程中不锈钢与碳钢需要接触，因此会造成以下几方面的问题：①复合层是304材质不锈钢，且复合层的壁厚较小，仅有2mm，且不锈钢复合层从碳钢基层端部还向外伸出约2.5mm，即使选用手工钨极氩弧焊焊接，其难度也会非常大。②不锈钢复合层与基层20钢之间存在间隙，在焊接过程中飞溅物、杂质小颗粒等极有可能钻入空隙中造成缺陷。③采用手工钨极氩弧焊根焊时，周围空气和保护气氩气都会在间隙中流动，随着焊接过程进行，焊缝区域温度场的不断变化，间隙内的气体受热空气流动速度加快，流动方面不断变化，会影响焊接区域的气体保护效果，很有可能造成焊接缺陷。④不锈钢复合层焊接完成后就要焊接基层，而基层材质为20钢，其焊层与不锈钢所在的焊层必然会紧密连接，那么向不锈钢焊层渗碳也将在所难免，对不锈钢根焊层的防腐蚀性能会有较大影响，直接缩减了管道的防腐能力和使用寿命。
（3）制定焊接方法 基于以上四个问题及其他方面，我们进行了论证，并结合施工现场的实际情况，最终确定了焊接方法：①采用手工钨极氩弧焊将复合层与基层之间的间隙进行封堵焊接（见图2），封堵焊缝的熔敷金属覆盖不锈钢复合层向外伸出部分形成V形坡口。②采用不锈钢焊条电弧焊根焊和热焊，焊缝金属厚度>3mm。③从经济性和降低施工难度方面考虑，采用碳钢焊条电弧焊填充、盖面焊接。
图2?复合层与基层之间的封堵焊缝
3. 焊接工艺实施
（1）焊接材料选择 封堵焊缝选用与不锈钢材料匹配的超低碳型不锈钢焊丝，根焊和热焊选用与不锈钢材料匹配的低氢型不锈钢焊条，焊条电弧焊焊材选用匹配的普通碳钢焊条即可，如表1所示。（2）接头设计、坡口形式和焊层 选用V形对接坡口，坡口角度α为55°～65°，组对间隙b为2.0～3.0mm，对口错边量控制在1.0mm以内，如图3所示。
图3?接头设计及焊接层数示意
（3）焊接参数 各层焊道的焊接参数如表2所示。
（4）焊接过程中的技术措施 从图2可以看出，封焊完成后熔敷金属形成一个坡口，有利于后续的焊接。
通过多次焊接试验，总结出在封焊时需要注意的三方面内容：①封焊焊接时电流参数不宜过大，在保证不锈钢和碳钢层熔合的前提下尽量采用小规范进行焊接，避免出现烧塌或烧穿的现象，采用快速焊和多层多道焊，避免合金元素的烧损和碳元素的渗入。②在焊接操作时，电弧热要偏向碳钢一侧，将碳钢和焊丝熔化后引导铁液向不锈钢润湿，仔细观察待不锈钢侧开始熔化后立即将电弧转向碳钢一侧，降低不锈钢侧的温度，保证不锈钢层母材不被烧塌，同时减少不锈钢内合金元素的烧损、减少向不锈钢内渗碳。③由于封焊焊缝金属将大部分作为不锈钢焊道层和碳钢焊道层之间的过渡层焊缝金属，要保证一定的熔敷厚度，进而保证过渡层焊缝对根焊焊缝的保护效果，所以封焊焊缝应焊接两层。焊接两层的好处是符合复合层较薄和不锈钢焊接采用小电流、快速焊、多层多道焊的特点。在封焊第一层焊缝焊接时，采用小规范、速度快，焊缝金属厚度偏小，但由于要保证将管端不锈钢外伸部分都熔合上不锈钢焊缝金属，因此第一层焊缝的焊脚一般都是内凹的。在焊接第二层焊缝时，要将第一层焊缝的内凹处填平，焊接电弧还是偏向碳钢部分，相当于在碳钢坡口上堆焊一层不锈钢焊缝金属，焊接时不锈钢层背面增加铜垫板降低温度。这样做的主要目的是加强不锈钢过渡焊层的保护效果，进一步完善对根部不锈钢层焊缝金属的保护作用。
封焊焊接在操作上相对容易掌握，而且在管材到货后可立即安排集中焊接，容易组织。不锈钢焊条的根焊和碳钢焊条的填充盖面焊都是非常成熟的焊接工艺，而且封焊完成后形成的坡口能够保证各焊层良好熔合，可避免较多焊接缺陷的产生。在现场应用中组织最简单，利于施工，且施工成本能够降低。
根焊层（不锈钢层）按照通常不锈钢材料的焊接方法和工艺措施进行焊接，摆幅不宜过大，焊枪对中，保证根部焊缝的背面成形良好。
热焊层（过渡层及扩散层）焊接时需要采用相对较大规范，以实现合金元素的均匀过渡以及层间金属的充分熔合。但摆幅不宜过大，避免焊道两侧碳钢的过分熔化。
焊条电弧焊焊层（碳钢层）的焊接工艺很成熟，按照常规工艺焊接即可，但要注意焊接参数不宜过大，降低填充焊层向下熔深，尽量减少碳元素向过渡层扩散。
4. 结语
焊接工艺试验所得到的焊接接头正反面成形美观，焊缝金属没有被氧化，保护良好，焊接接头无缺陷，各项力学性能优良。通过严格控制焊接工艺，过渡层焊缝金属未被碳钢层稀释，而不锈钢焊缝金属中合金元素含量没有明显降低，过渡层起到了较好的保护作用。
生产实践证明，双金属复合管焊接方法和工艺的成功开发填补了我公司的技术空白，提高了公司在今后市场开发中的核心竞争力。
