0 引言

随着世界能源需求的日益增长，油气田开采逐渐向深井及高腐蚀环境方向发展，碳钢和低合金钢在高腐蚀环境中腐蚀严重。高腐蚀性油气田的开采中，向腐蚀环境中添加缓蚀剂可以减弱腐蚀介质对油气管的腐蚀，但缓蚀剂具有高度的选择性，不同的腐蚀体系需要不同的缓蚀剂，同一腐蚀体系由于温度或浓度变化缓蚀剂的作用效果都会受到影响^[1]，塑料内涂层存在附着力差，涂层分布不均匀等问题^[2]，采用耐蚀合金的防护效果比较好，但是耐蚀合金非常昂贵。国内外的研究结果表明，使用耐蚀合金复合管，即双金属复合管是解决上述腐蚀问题的途径之一^[3-5]，并以优异的力学性能和耐腐蚀性能展现出广泛的应用前景^[6]。

复合管进行焊接，传统工艺主要是采用不锈钢焊丝进行焊接，尽管这种工艺能有效解决双金属复合管焊接时出现的问题，但是其焊接成本太高而不利于复合管的推广使用^[7-9]。另一种焊接工艺是将焊缝分为复层、基层和过渡层3个部分进行焊接，焊材选用与基层钢单独焊接时相同的焊条；原则上复层使用其单独焊接时相同的焊条；过渡层焊缝要求其Cr、Ni含量高于复层焊缝的含量，以减少碳钢的稀释和补充焊接过程中合金元素的烧损^[10]。这种工艺的缺点在于增加了焊缝热裂纹倾向，熔合区易出现脆硬马氏体，基层和复层含铬量的较大差异促使碳的迁移而形成增碳层和脱碳层，加剧熔合的脆化或另一侧热影响区软化^[11-14]。通过控制焊接参数可以在一定程度上降低裂纹的概率，缓解碳的迁移，降低脆硬马氏体的含量^[15-17]。为了推广复合管，笔者对比了2种工艺焊接接头的性能。

1 试验材料及方法

冶金复合管规格为ø76 mm×(6+1) mm，复层为Ni625不锈钢，基层是20#钢。试验管材的力学性能见表 1，管材中各化学元素的质量分数见表 2。

对于试验冶金复合管焊接，首先采用2种焊接工艺，一种是整个焊缝采用Ni625焊丝进行焊接，另一种是先进行打底焊(即复层)，填充盖面焊(即基层)，为了防止基层材料对复层不锈钢材料的稀释以及碳元素的扩散，在打底焊与填充盖面焊之间增加过渡焊。焊材中各化学元素的质量分数见表 3。焊接工艺见表 4。焊接坡口如图 1所示。采用V形对接，坡口角度α=44°~50°，间隙b=3.5~5.0mm。焊后，对焊接接头进行力学性能试验，并采用扫描电镜对拉伸断口进行观察；采用电子探针分析焊接接头化学成分变化情况，采用维氏硬度计测定显微硬度，试验载荷为98 N；采用三电极动电位扫描，辅助电极为铂电极，参考对比电极为标准饱和甘汞电极，对管道内壁焊缝耐蚀性进行检测。

2 试验结果及分析 2.1 力学性能

2种工艺条件下焊接接头的拉伸试样的试验结果如表 5所示。从表中的数据可以看出，1、2号工艺下焊接接头的平均抗拉强度分别为485和548 MPa，20#钢管的最小抗拉强度为410 MPa，因此，抗拉强度对比结果：2号工艺＞1号工艺＞20#钢。并且2种工艺下焊接接头拉伸断口都在母材上断裂。

断裂位置都在母材上，因此任选一个断口进行扫描。图 2a为1号试样的拉伸试样断口的扫描图片，断口位置在母材上，图 2b为拉伸断口处放大照片。从图片可以看出，断口为典型的等轴状的韧窝断口，断口中有大量且分布密集的等轴韧窝，这种韧窝是由于载荷的不断升高而形成的，材料内部的析出物、夹杂物、亚晶界、晶界或者在塑性形变不连的部位产生位错堆积，产生应力集中，微孔形核就会在局部塑性变形区出现。同时随着应变的增加，微孔也在长大、聚集直到相互连接成为断裂，结果就形成了一些形状深浅或大小不同的韧窝。这是塑性变形起主要作用的是延性断裂。断口分析结果表明，焊接接头的塑性良好。

2种工艺的弯曲试验结果如表 6所示。由表可知，2种工艺焊接接头弯曲试验都没有出现任何裂纹，符合标准ASME要求。

2.2 焊缝显微硬度 2.2.1 1号工艺

显微硬度测定位置及测定方向如图 3所示。测定结果如图 4所示。

对图 4a中line1和图 4b中line2观察分析发现，母材的显微硬度小于焊缝的显微硬度，堆焊层的硬度也小于焊缝，并且都是在熔合线处产生突变，硬度迅速增加。HAZ的硬度值稍高于母材。焊接HAZ由于受到热应变脆化，使组织中淬硬珠光体含量增加，所以组织的硬度升高。焊缝的高硬度可以用“σ相脆化”来解释：σ相是富含铬的金属间化合物，其成分可变，质硬而脆没有磁性。整体来看，施焊非常成功。

2.2.2 2号工艺

显微硬度测定位置及测定方向如图 5所示。测定结果如图 6所示。

对图 6a中line1和图 6b中line2观察分析发现，母材与ER306L的硬度相差不大，但在熔合线附近出现了硬度突增区域，打底层、填充层和盖面层三者的硬度相差不是很大，特别是熔合线附近并没有出现突增突降现象。因此，这种工艺对焊缝整体显微硬度没有很大影响。

2.3 焊接接头的化学成分分析

图 7为线分析结果，图 7a是1号工艺自下向上线扫描结果，图 7b是2号工艺自下向上线扫描结果。

由图 7a可知，1号工艺焊缝成分变化不大。对图 7b观察发现，尽管ER316L与AT-ERNi625的Ni、Cr等合金元素不同，两者都是不锈钢焊材，在搭接区焊接电流小，因此，它们之间稀释层小。就整个焊缝来看，焊缝熔合区的元素变化与焊材、母材相对应，因而，焊缝熔合良好。

2.4 电化学测试结果与分析

根据拟合的极化曲线可以求出3种试验温度下焊接接头的自腐蚀电位和电流，如表 7所示。

由表 7可知，在3种腐蚀温度下，随着温度的升高，3种材料的自腐蚀电位降低，其耐蚀性能降低，2种工艺自腐蚀电位均大于20#钢，相反2种工艺自腐蚀电流均小于20#钢，但2种工艺焊接接头内壁的自腐蚀电位和自腐蚀电流相差不大。综合分析可知，2种工艺焊接接头的耐蚀性能良好。

3 结论

(1) 试验中2种焊接工艺均可以得到力学性能优良的焊接接头。

(2) 2号工艺过渡层焊材的合金明显被稀释，而不锈钢层合金含量变化不大，这说明过渡层对不锈钢层起到了很好的保护作用。

(3) 2种工艺焊接接头内壁比20#钢的耐蚀性能良好，并且2种工艺焊接接头内壁耐蚀性相差不大。

(4) 2种焊接接头整体性能基本相似，因此，2号工艺可以取代1号工艺进行复合管焊接。