第43卷第12期焊管Vol.43No.12
双金属复合管Inconel625合金堆焊层表面黑斑形成原因及其对材料性能的影响 圭亚那事件何恩1，甘志云1，周声结2，魏行超2，戚蒿2，杨阳3，罗懿3
(1.海洋石油工程股份有限公司，山东青岛266520;
2.中海石油(中国)有限公司海南分公司，海口570311;
3.中海油(天津)管道工程技术有限公司，天津300452)
摘要：为探究双金属复合管Inconel625合金堆焊层表面局部出现黑斑的原因，通过对试样进行理化性能分析，结合堆焊工艺，对黑斑位置与正常位置进行了对比研究。结果表明，与正常位置相比，黑斑位置的基管Fe元素向堆焊层扩散程度加大，局部形成元素偏析，故堆焊层表面黑斑可能与较高热输入量下的高稀释率有关。另经检测分析，黑斑位置的化学成分、金相组织、弯曲性能、硬度、耐蚀性能均符合API5LD—2015标准要求，但黑斑位置的晶间腐蚀与点腐蚀速率均高于正常位置，故黑斑现象对合金堆焊层的耐腐蚀性能存在不利影响。 关键词：双金属复合管；合金堆焊层；稀释率；材料性能；黑斑
中图分类号：TG455文献标识码：A DOI:10.19291/jki.1001-3938.2020.12.001 Forming Causes of Black Spots of Inconel625Alloy Surfacing Layer of Bimetal Composite Pipe and Its Effect on Material Properties HE En1,GAN Zhiyun1,ZHOU Shengjie2,WEI Xingchao2,QI Hao2,YANG Yang3,LUO Yi3
(1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Qingdao266520,Shandong,China;
2.Hainan Branch of CNOOC Ltd.,Haikou570311,China;
3.CNOOC(Tianjin)Pipeline Engineering Technology Co.,Ltd,Tianjin300452,China)
Abstract:In order to find out the forming causes of black spots on the surfacing layer of Inconel625alloy for bimetal composite pipe,the black spots on the surface of the surfacing layer were obtained by means of the physical and chemical properties analysises and the black spots positionss were compared with the normal position by combining with the surfacing process.The results show that compared with the normal position,the diffusion degree of Fe element in the base pipe at the black spot position increases to the surfacing layer.Therefore,the black spots on the surface of surfacing layer may be related to the high dilution ratio under higher heat input.In addition,
the chemical composition,metallographic structure,bending property,hardness and corrosion resistance of black spots positions can meet the requirements of API 5LD—2015standard.However,the rates of intergranular corrosion and pitting corrosion at the black spots positions are higher than those at the normal position,so the black spot has an adverse effect on the corrosion resistance of the alloy surfacing layer.
Key words:bimetal composite pipe;alloy surfacing layer;dilution ratio;material properties;black spots
焊管2020年第43卷
据统计，我国每年石油石化行业因腐蚀造成的经济损失约占行业总产值的6%，其中管道腐蚀占据相当大的比例，目前碳钢和低合金钢管在各种管网中应用最广泛，腐蚀也最严重[1-3]。经长期实践，耐蚀合金管是理想的防腐管道材料，但因其价格昂贵，以及大部分耐蚀合金的强度低于碳钢和低合金钢，阻碍了耐蚀合金管的应用。双金属复合管综合利用了碳钢、低合金钢和耐蚀合金的优点，采用薄壁耐蚀合金材料作为衬管，根据不同腐蚀环境选用相应材料，例如不锈钢、镍基合金或其他耐蚀合金等，保证其良好的耐腐蚀性能；基管采用碳钢或低合金钢，保证其力学性能满足要求，同时降低了管材成本，得到了广泛的应用[4]。
Inconel625镍基合金具有良好的韧性、耐蚀
性、抗氧化性和高强度等优点，常被堆焊到其他金属表面[5]。随着油气田开采向深井及高腐蚀环境
方向发展,Inconel625合金堆焊的双金属复合管被更多应用。目前对此类合金的焊接主要采用普通电弧焊工艺，本研究采用侧弧熔丝钨极惰性气体
保护焊(arcing -wire GTAW )在X65钢管内壁表面堆焊Inconel 625镍基合金，堆焊工艺采用双焊接形式，两同时运行，前后间距300mm ，第一层堆焊壁厚约2mm ，堆焊完成后，合金层局部表面存在明显黑斑现象，本研究重点研究黑斑产生的原因以及黑斑现象对合金层耐腐蚀性能的影响。
试验材料取自国内某厂生产的X65/In ⁃
conel625镍基合金双金属堆焊复合钢管，规格为椎219.10mm ×(15.9+3.0)mm ，采用镍基合金In ⁃conel625焊丝进行根焊和堆焊处理。X65基管材料
机械臂的化学成分见表1，由表1可以看出，材料化学成分满足API SPEC 5L —2012标准要求。镍基合金
Inconel625焊丝的化学成分见表2，由表2可看出，镍基合金Inconel625焊丝化学成分满足AWS
A5.14-11ERNiCrMo-3(相当于GB/T 15620—2008
SNi6625)标准要求。
2试验结果及分析
2.1宏观分析
试验管段总长为208mm ，内壁堆焊层厚度约
3mm ，宏观分析复合管内壁形貌，发现堆焊层表
面多处出现黑斑，某些位置出现沿轴向的条形黑斑，长度约200mm ，宽度约30mm ；某些部位黑斑最大尺寸为50mm ×90mm ，其余部位呈现正常金属。复合管内壁堆焊层宏观形貌如图1所示。
表2
镍基合金Inconel625焊丝的化学成分
表1
X65基管化学成分
2.3
金相分析
为了研究复合管堆焊层的组织形貌，分别在
复合管堆焊层表面黑斑位置与正常位置取样，采用蔡司Observer A1m 金相倒置显微镜进行观察，包括靠近熔合线的基管部位与堆焊层部位，试验方法按照GB/T 13298—2015《金属显微组织检
验方法》进行。复合管堆焊层表面黑斑位置与正常位置的金相组织如图2和图3所示。
由图2和图3可以看出，堆焊层部位均为奥氏体+枝晶分布的铁素体，晶粒度7级，靠近熔合线的基管部位均为贝氏体，晶粒度7级，两者未见明显差异。
何恩等：双金属复合管Inconel625合金堆焊层表面黑斑形成原因及其对材料性能的影响
第12期图1复合管内壁堆焊层宏观形貌
表3
复合管堆焊层化学成分分析结果
2.2
化学成分分析首先对复合管堆焊位置处进行化学成分分
析，试验前分别在复合管堆焊层表面黑斑位置与正常位置的熔合线向上3mm 处进行取样，采用SPECTROLABLAVM11直读光谱仪对其堆焊层化学成分进行测量。试验方
法
参照
GB/T
4336—2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法》，化学成分检
测结果见表3。
由表3可以看出，其化学成分均满足API
5LD —2015标准要求，但黑斑位置的Fe 元素质量百分比明显高于正常位置。
图2堆焊层表面黑斑位置金相组织形貌
焊管2020年第43卷
图3堆焊层表面正常位置金相组织形貌
表4
复合管堆焊层侧弯试验结果
图4硬度试验压痕位置示意图
表5
复合管堆焊层硬度测试结果(HV 10)
2.4
弯曲性能分析分别在复合管堆焊层的黑斑位置及正常位
置取样，制备基管+堆焊层试样，采用Z600双立柱万能材料试验机进行弯曲性能对比试验。参照ASTM A370—2019《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》进行检测，试验参数及检测结果见表4。由表4试验结果可以看出，堆焊层黑斑位置、正常位置的侧弯试验均未发现裂纹。
2.5
硬度测试
分别在黑斑位置及正常位置的基管+堆焊层取
样，采用TUKON 2500维氏硬度试验机进行硬度测试，测试点如图4所示，参照ASTM E92—2017《金属材料维氏硬度和努氏硬度的标准试验方法》
进行检测，检测结果见表5。经对比分析，黑斑位置、正常位置的基管及堆焊层硬度值均满足API
5LD —2015标准要求，且两者未发现明显差异。2.6
微观组织分析
分别在黑斑位置及正常位置的堆焊层表面化验室组织与管理
取样，采用蔡司EVO 18扫描电镜进行微观组织分析，黑斑位置及正常位置的堆焊层表面典型微观形貌如图5所示。从图5可以看出，黑斑位置表面微观形貌呈现疏松特征，而正常位置表面微观形貌呈现致密特征。对黑斑位置与正常位置表面分别进行微区化学成分分析，结果显示，正常位置
的Cr 含量高于黑斑位置，且
在黑斑位置未发现Ni 、Nb 、Mo 元素，而黑斑位置Ti 和Al 含量较高。选取可能引起黑印迹的主要元素(如C 、Fe 、Al )进一步对比分析，黑斑位置的C 和Fe 含量均较低，而Al 含量比较高，推测黑斑为Al 的氧化物，这可能与Al 元素的流动性好、在焊接过程中易于在表面
富集有关[6-7]。
中国司法独立
分别选取黑斑位置与正常位置，沿壁厚方
向每间隔1mm 进行微区化学成分分析(见表
图5黑斑位置及正常位置表面微观形貌
表6
堆焊层不同位置微区化学成分对比分析结果
表7
复合管堆焊层晶间腐蚀试验结果
表8
复合管堆焊层点腐蚀试验结果
何恩等：双金属复合管Inconel625合金堆焊层表面黑斑形成原因及其对材料性能的影响
狗镇百度影音第12期6)，测试点位置分别为堆焊层表面、堆焊层中部
和堆焊层靠近熔合线部位。由表6可以看出，自靠近熔合线部位至堆焊层表面方向，黑斑位置与正常位置堆焊层的Fe 含量均逐渐递减，其中表面与中部的差值较小，中部与靠近熔合线部位的差值较大，
其余Cr 、Ni 、Mo 、Nb 、Ti 、Al 元素
均无明显的差异。考虑到堆焊层表面出现的黑印迹，选取引起可能性的元素(如C 、Fe 、Al )进行汇总对比分析(见表6)。由表6可以看出，黑斑位置与正常位置的C 、Al 含量无显著差异，而Fe 含量差异性显著，黑斑位置堆焊层Fe 含量比正常位置偏高。
2.7
腐蚀试验
分别在黑斑位置与正常位置的堆焊层取样,
取样具体位置靠近堆焊层内壁表面，试样尺寸为
20mm ×50mm ×1mm ，分别进行晶间腐蚀试验与点腐蚀试验，晶间腐蚀试验按照ASTM G28—2002《锻制高镍铬轴承合金晶间腐蚀敏感性检测
的标准试验方法A 法》进行，试样在硫酸-硫酸铁溶液中进行120h 沸腾试验；点腐蚀试验按照
ASTM G48《三氯化铁裂口腐蚀试验A 法》进老赵与董媛媛在厨房
行，试样在氯化铁溶液中进行24h 试验，温度为50℃，检测结果见表7和表8。
由表7可以看出，两者晶间腐蚀速率均小于1.0mm/a (质量损失)，满足技术要求。由
表8可以看出，两者点腐蚀速率均小于4g/m 2
,
满足技术要求。但黑斑位置试样的晶间腐蚀速率、点腐蚀速率均略高于正常位置，由此可以得出，黑斑现象对合金堆焊层的耐蚀性能存在不利影响。
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