一种厚壁双相不锈钢预制管段的制造工艺及其应用的制作方法

本发明涉及金属件组装和焊接，尤其涉及一种厚壁双相不锈钢预制管段的制造工艺及其应用。

背景技术：

1、双相不锈钢是指金相组织由奥氏体与铁素体两种组织按一定比例构成的不锈钢，相较于奥氏体不锈钢，其具有良好的加工性能、焊接性能和特别优异的耐（硫化氢、海水氯离子等）腐蚀性能，屈服强度约为后者的两倍，可大大减少设备的尺寸和管道壁厚；另外，相较于成本高昂的纯镍基材料，其具有更高的性价比，在石油化工、近海工程、输油气管线、船舶建造等领域被广泛用于制备含硫量高的炼油设备、强腐蚀性的化工设备、高参数的动力设备等等。

2、浮式生产储存卸油船（fpso）船体设有大量连接水下生产井口和管汇的立管管线以及各工序处理管线，这些管线需长期经历海水冲击、海水和油体腐蚀，因此需要使用更高密封性能和力学性能，更强耐海水腐蚀性的管线及元件材料以匹配此环境。相同条件下，fpso管线（包括预制管段）的管壁厚度越厚时才能更好地满足以上性能需求，但是目前双相不锈钢产品如管段在焊接制造时仍然存在众多的问题：1、对于高厚度的管壁，焊接效率和管件焊接强度远远低于理想值，提高热传输能量反而对焊接件的抗蚀性能产生不利影响，较高的热量也会产生大量能耗，不利于生产成本；2、厚壁双相不锈钢产品焊接时由于原材料冶炼过程存在非金属夹杂以及焊接方式及热输入的影响，容易在焊接过程中产生不完全奥氏体等有害相组织使得焊缝硬度超过hrc28，铁素体含量低于30%的现象，3、焊接位耐腐蚀性能不足部，存在点蚀等腐蚀现象，4、预制过程效率低，大量使用手工焊，质量稳定性低，焊接耗时等等。

3、中国专利cn112692408a公开了一种双相不锈钢和超级奥氏体不锈钢异种钢的焊接方法，通过设计坡口角度及接头形式、优化焊接材料和焊接工艺，提高焊接件的抗腐蚀性能。中国专利cn110253117b公开了一种超级双相不锈钢2507钢管的氩弧焊焊接工艺，其技术包括钢管切割下料、焊接设备选择及设置、制备坡口、预处理、拼接和定位、充背保护气体、焊接等工序，并优化背保护气的种类和含量，焊接的具体工艺参数，提高管件耐点腐蚀、耐晶间腐蚀、抗应力腐蚀等性能；但是以上技术均未说明其技术工艺对特殊领域内厚壁双相不锈钢的焊接是否可行；中国专利cn 101972878 b公开了一种双相不锈钢的焊接工艺，其技术采用10-40kj/cm的线能量，提高焊接接头的冲击值、抗点蚀能力，并规定壁厚＞12mm，线能量为30-40kj/cm，但是如此高的能量对厚壁管件焊接街头的抗蚀能力存在很大不利影响，且耗能也高。另外，以上方案中的焊接性能和焊接件强度均有待提升。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明首先提供了一种厚壁双相不锈钢预制管段的制造工艺，所述预制管段包括：第一法兰1、第一直管2、第一弯管3、第二直管4、第二弯管5和第二法兰6；所述第一法兰1和第一直管2的一端固定连接，所述第一直管2的另一端和第一弯管3的一端固定连接，所述第一弯管3的另一端和第二直管4连接，所述第二直管4的另一端和第二弯管5的一端固定连接，所述第二弯管5的另一端和第二法兰6固定连接。

2、进一步地，所述制造工艺包括以下步骤：

3、s1、对第一法兰1和第一直管2进行组装和焊接；对第一弯管3和第二直管4进行组装和焊接；

4、s2、将焊接好的第一法兰1-第一直管2和第一弯管3-第二直管4、第二弯管5、第二法兰6依次进行焊接。

5、本技术中采用分段组装的方式提高生产效率，先对第一法兰1和第一直管2进行组装和焊接，获得第一法兰1-第一直管2部分，在此过程中，其他生产工段可同时进行对第一弯管3和第二直管4的组装和焊接；相较于按照部件顺序依次组装的过程，本技术同时进行的分段组装工序大大节省了加工时间；另外，在组装中只需特别考虑s2中3处（分别为：第一直管2和第一弯管3的对位、第二直管4和第二弯管5的对位、第二弯管5和第二法兰6的对位）的对位焊接误差，误差来源少，加工精密度高，而按照顺序依次组装的过程6处加工误差对焊接的性能影响都较大，误差源多，加工精密度相对小；特别说明的是，采用分段组装时，每次焊接只会影响该处焊接的部件，对其他部件不产生影响，能够有效降低预制管件在焊接过程残余的热应力对焊接性能的影响；而依次组装的过程中，每进行一次焊接，都会对已经焊接成型的部件及焊接缝产生热传导，最终得到的预制管件残余应力大，焊接性能相对较差。

6、进一步地，所述第一法兰1、第一直管2、第一弯管3、第二直管4、第二弯管5和第二法兰6的材质均为双相不锈钢材质，按照总质量计，所述双相不锈钢的组分包括：c：0.03%以下、si：1%以下、mn：6%以下、p：0.03%以下、s：0.03%以下、cr：18-28%、ni：3-8.5%、mo：2.5-4.5%、n：0.35%以下，cu：3.0%以下、w：0.3-3%，剩余为fe和杂质。本发明中“0.03%以下”是指包括0.03%和小于0.03%的数值范围，可理解为“≤0.03%”，其他“以下”同理。

7、双相不锈钢的材质和具体成分对焊接部位的性能存在较大影响，如cr和mo两者对双相不锈钢具有强化作用，可提高管材的耐硫化物腐蚀能力，但是当两者含量过多时，管材在焊接过程中焊接部位容易出现四方结构的σ中间相，明显降低焊接区域的韧性；ni可增强管材和焊接区域的韧性和抗腐蚀能力，但过量也促进σ中间相的成核和生长；c和n是奥氏体元素，可提高钢的热稳定性和耐蚀性，但是过量时碳化物或氮化物的生成会导致管材和焊接区域韧性和耐蚀性的降低，si可抑制焊接缺陷，但过量也会导致脆、硬相的增加，s和p为杂质相，尽量降低其含量，否则影响管材在焊接时的性能。只有保持组分含量在合理的范围内，通过各组分的共同作用，更好地匹配焊接过程工艺参数，增强预制管段整体特别是焊接部位的韧性和耐蚀性。

8、进一步地，按照总质量计，所述双相不锈钢的组分包括：c：0.03%以下、si：1%以下、mn：4%以下、p：0.03%以下、s：0.02%以下、cr：18-26%、ni：4.5-8.5%、mo：2.5-4.5%、n：0.08-0.3%、cu：0.2-3.0%、w：0.3-2.5%。

9、在一种优选的实施方式中，按照总质量计，所述双相不锈钢的组分包括：c：0.03%以下、si：1%以下、mn：2%以下、p：0.03%以下、s：0.01%以下、cr：24-26%、ni：6.0-8.0%、mo：3.0-4.0%、n：0.2-0.3%、cu：0.5-1.5%、w：0.5-1.0%。

10、进一步地，所述双相不锈钢预制管段的厚度，即第一法兰1、第一直管2、第一弯管3、第二直管4、第二弯管5和第二法兰6的管壁厚度为25-40mm。

11、进一步地，所述焊接过程包括以下步骤：

12、n1、对第一法兰1、第一直管2、第一弯管3、第二直管4、第二弯管5和第二法兰6的焊接部位开焊接坡口，并对坡口进行检测；

13、n2、坡口组对并依次进行以下焊接：打底焊、第二层焊道焊接、填充焊、盖面焊；

14、n3、焊后处理。

15、进一步地，所述步骤n1中，坡口采用双v型坡口，从双v型坡口打底区域高度为0-19mm处，坡口角度为40～50°，双v型坡口打底区域高度19mm以上的区域，坡口角度为10～20°。坡口角度对焊接熔深有较大的影响，当坡口过大时，加工余量增加，焊接成本提高，管件变形程度也加大，而坡口过小时，熔深小，容易出现未焊透现象；本发明根据焊接管材特定的种类和厚度，通过设计合适的坡口角度，以增强其焊接性能。

16、优选地，对于所述双v型坡口，从双v型坡口打底区域高度为0-19mm处，坡口角度为37.5±2.5°，双v型坡口打底区域高度19mm以上的区域，坡口角度为10°。

17、进一步地，步骤n1坡口加工完后，对坡口及其50mm范围内的区域进行进行检测，确保表面无裂纹、内部无裂纹、夹杂等缺陷；并在坡口组对前对坡口及50mm范围内的区域进行清理。

18、进一步地，所述步骤n2中采用点焊方式对坡口组对，坡口组对间隙为0-2mm，优选为0-1.6mm。

19、进一步地，步骤n2的焊接中采用焊丝为er2594，焊丝规格为2.4mm和1.0-1.2mm。

20、进一步地，步骤n2中采用gtaw进行自动焊和手工焊同时焊接；其中打底焊、第二层焊道焊接和填充焊的前3-5层均采用gtaw手工焊接，焊丝规格为2.4mm；填充焊的其他层和盖面焊均采用gtaw自动焊接，焊丝规格为1.0-1.2mm。钨极类型选用纯钨极或含2%质量氧化铈的钨极。

21、进一步地，步骤n2的焊接中采用正面保护和背面保护气体对焊接过程进行保护，确保焊接过程中氧气含量低于100ppm，防止不锈钢高温氧化，影响焊接件的外观和质量。

22、进一步地，所述正面保护和背面保护气体包括但不限于氩气、氮气、氢气中的至少一种，正面保护气体的流量为15-20l/min，背面保护气体的流量为15-30l/min。

23、在一种实施方式中，所述正面保护和背面保护气体选用99.999%以上的氩气，正面保护气体的流量为15-18l/min，背面保护气体的流量为15-30l/min。

24、进一步地，所述焊接中，热输入量为1.2-1.7kj/mm。

25、进一步地，当所述第一法兰1、第一直管2、第一弯管3、第二直管4、第二弯管5和第二法兰6的壁厚大于25mm时，焊接过程中打底焊和第二层焊道焊接的热输入量为1.5-1.7kj/mm，填充焊的热输入量为1.2-1.7kj/mm，盖面焊的热输入量为1.4-1.7kj/mm。

26、热输入量会对焊接区产生显著的影响；在传统技术中，对于不同厚度管件的焊接大多均采用不高于1.5kj/mm的热输入量对焊接区施能，以防止焊接区域韧性的降低，当热输入量高于1.5kj/mm时总会造成焊接区域性能的降低，如硬度提升、抗拉强度下降等。但是在实际的研发过程中，1.5kj/mm的热输入量并不能够满足厚壁管件（厚度大于25mm）的需要，本方案中尝试打破传统技术思维，将打底焊、第二层焊道焊接和填充焊的前3-5层热输入量提高至1.5kj/mm以上，所获得厚壁管件焊接区的硬度更低、焊接强度和耐腐蚀性更加优异，推测可能的原因是因为1.50-1.7kj/mm所提供的能量刚好可以使焊接处具有合适的奥氏体和铁素体比例，但是需要严格控制热输入量范围区间，当热输入量过低时，焊接区铁素体的比例偏高，且冷却速率也越快，造成其硬度的增加，而当热数输入量高于1.7时，焊接处的氮元素析出，铁素体的含量会明显降低，打破奥氏体和铁素体比例的平衡区间，且热影响区的晶粒尺寸明显变得粗大，以上都导致焊接区的硬度增加、抗拉强度和耐腐蚀性能的下降；另外本技术中1.5-1.7kj/mm的热输入量可明显降低焊接能耗，降低生产成本。

27、优选地，填充焊的前3-5层进行焊接时，热输入量为1.5-1.7kj/mm，填充焊其他层进行焊接时，热输入量为1.2-1.7kj/mm。

28、更优选地，填充焊的前3-5层进行焊接时，热输入量为1.51-1.68kj/mm，填充焊其他层进行焊接时，热输入量为1.3-1.5kj/mm。

29、焊接过程的工艺参数会对双相不锈钢焊接质量的可靠性产生重要影响。焊接电流主要影响熔深，当电流小时熔深也小，容易产生未焊透和夹渣等缺陷，而电流过高时，焊接区域容易产生烧穿和咬边等缺陷，并引起飞溅；而电压主要影响熔宽，电压增加时热输入也有所增加，熔宽增加，不仅会导致金属飞溅，还会导致空气侵入，使焊接区域产生气孔；焊接速度的快慢决定了焊接过程的效率，但是焊接速度过快时，会影响焊缝高低和宽窄的一致性，焊接误差增大；本技术需要根据25mm-40mm厚度的管材，严格控制每层焊接时的电流、电压、焊接速度和热输入量，使各个工艺参数相互配合，控制焊接区域奥氏体和铁素体比例的平衡范围，并优化晶体尺寸，同时实现焊接处的焊接韧性、抗拉强度和耐腐蚀性能的提高和焊接效率的最大化。

30、更优选地，所述打底焊的工艺参数为：电流为70-100a，电压为10-14v，焊接速度为56-150mm/min；热输入量为1.51-1.68kj/mm。

31、更优选地，所述第二层焊道焊接的工艺参数为：电流为80-140a，电压为10-14v，焊接速度为79-150mm/min；热输入量为1.5-1.7kj/mm。

32、更优选地，所述填充焊的前3-5层焊接的工艺参数为：电流为80-150a，电压为10-14v，焊接速度为92-150mm/min；热输入量为1.51-1.68kj/mm；填充焊其他层焊接的工艺参数为：峰值电流为180-210a，基值电流为140-165a，电压为：10-14v，焊接速度为100-260mm/min；热输入量为1.3-1.5kj/mm。

33、更优选地，所述盖面焊焊接的工艺参数为：峰值电流为180-205a，基值电流为140-160a，电压为10-14v，焊接速度为103-200mm/min，热输入量为1.4-1.7kj/mm。

34、进一步优选地，所述盖面焊焊接的热输入量为1.49-1.58kj/mm。

35、进一步地，焊接过程随时测量层间温度，控制层间温度在145℃以下。层级温度过高时，热影响区的结晶过程变化较大，晶粒粗大，导致焊接区域的硬度上升，耐腐蚀能力下降。

36、进一步地，焊接过程完成后进行焊后处理，包括但不限于对焊缝的检查、修补、清洁以及焊后性能验证试验。

37、进一步地，所述性能验证实验包括但不限于对焊接区域进行硬度测试，铁素体含量测试，焊缝无损检测，耐腐蚀性能、冲击性能、金相渗透中的至少一种。

38、进一步地，规定焊接区域硬度小于hrc32。

39、进一步地，规定铁素体含量要求为30-70%。

40、进一步地，本技术还提供了一种通过上述制造工艺制备的厚壁双相不锈钢预制管段在浮式生产储存卸油船管线中的应用。

41、有益效果

42、1、本技术针对预制管材的制备工序进行了优化，减少焊接时的对位误差，加工精密度更高，生产效率提高了50%以上；

43、2、本技术对焊接过程的工艺参数、焊丝材质、管件材质进行优化，通过各个工艺参数的复配，提高了焊接部位的焊接效果，其铁素体含量保持在50%左右，并大大降低了焊接部位的硬度，提升了韧性，不仅提高了焊接效率也降低了焊接能耗；

44、3、本技术的预制管件制备工艺结合自动焊和手工焊两种方式，确保了焊接作业的效率和质量稳定性，所制备的特殊材料和厚度的预制管件具有优异的力学性能和抗腐蚀能力，更够满足浮式生产储存卸油船对管线性能的要求。