[发明专利]一种陶瓷内衬复合钢管的激光焊接方法

说明书

技术领域：

本发明涉及陶瓷内衬复合钢管领域，尤其涉及复合钢管在海底油气输送方面的应用。

背景技术：

近20年来，全球经济高速发展，人类对油气资源的需求不断增加。鉴于陆地石油资源的日渐枯竭，开发海洋石油资源，尤其是开发深海石油资源，已成必然趋势。海底油气管道是海洋油气田内部设施连接和开采油气资源外输的重要方式。海底管道作为海上油气田开发生产系统的主要组成部分，它是连续地输送大量油气最快捷、最安全和经济可靠的运输方式。由于石油天然气中含有大量H₂S、CO₂、Cl^-，等腐蚀介质，尤其是海底油气田内部管道输送的净化前油气介质中的腐蚀成分含量高，有的甚至需要加热输送，内腐蚀问题十分突出，由于腐蚀问题引起的油、气、水等输送介质的泄漏往往会造成重大的经济损失、油气输送中断、人员伤亡以及环境污染随着对天然气需求量的增加,陶瓷材料具有良好耐磨损、极高抗腐蚀、抗氧化等优良性能，利用自蔓燃技术将陶瓷层内衬于钢管内表面制成的陶瓷内衬复合钢管，由于管道内壁陶瓷层的存在使其具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、且运行阻力小、重量轻，使得陶瓷内衬复合钢管成为油气输送的上佳管材。然而由于陶瓷的脆性大，缺乏金属所具有的延展性，加工性能极差。而我们只有能实现陶瓷的连接，才能将具备优异性能的陶瓷内衬复合钢管在油气工业中得到实际应用。由于陶瓷的熔点一般都很高，在2500度左右进行熔化对接需要3500度的高温才行，受温度制约传统的焊接方式无法对陶瓷进行直接的深熔焊接，激光聚焦后光点能量密度极高，温度甚至可达上万度，且陶瓷对激光的吸收率大，所以激光可作为理想热源无需附加材料对陶瓷进行深熔焊接。因此本发明提出一种激光焊接工艺方法对陶瓷内衬复合钢管进行焊接。

发明内容：

一种陶瓷内衬复合钢管的激光焊接工艺方法，使焊缝具有极高的耐蚀性能，将陶瓷内衬复合管道在油气输送中有实际性的应用。为解决以上技术问题，本发明设计了适合激光焊接的陶瓷层及过渡层，采用激光深熔焊实现陶瓷层与过渡层的熔化对接，然后采用添加自熔性Ni基耐蚀合金粉末的方式实施填粉焊接实现钢管的强度连接，具体的技术方案是：

复合钢管内衬陶瓷层的成分为：Fe6wt％-10wt％、Mn1wt％-3wt％、Cr2wt％-5wt％、Ni0.5wt％-1.5wt％、B1.5wt％-2.5wt％，Si2wt％-2.5wt％、余量为Al₂O₃，过渡层成分为：Al₂O₃2wt％-3wt％、Mn1wt％-1.5wt％、Cr1wt％-1.5wt％、Ni0.2wt％-0.4wt％、余量为Fe，首先对开坡口的复合钢管在激光工艺参数为：激光功率2000W-4000W，离焦0-3mm，扫描速率1.2-2.5m/min，保护气氦气流量25-40L/min的条件下进行过渡层及陶瓷层的深熔焊接，然后在添加合金成分为：Cr15wt％-20wt％、Mo5wt％-10wt％、Fe6wt％-9wt％、W3wt％-6wt％、C0.1wt％-0.3wt％、Zr0.5wt％-1wt％、Nb0.2wt％-0.6wt％、Ti1wt％-1.5wt％、B1.5wt％-2wt％、Si2wt％-3wt％、余量为Ni的自熔性耐蚀合金粉末，施加激光填粉焊接，激光焊接工艺参数为：激光功率900W-1800W，离焦量40-80mm，送粉速率10-20g/min，扫描速率120-240mm/min，保护气氩气流量30-60L/min，搭接率20％-50％，将焊接坡口填平实现钢管间的强度连接。

利用此工艺方法所得焊缝特征：陶瓷层达到了1-5mm的熔化对接，部分区域完全熔化对接，且陶瓷焊缝背面可观测到明显的弧状焊接凸起；整圈过渡层都实现了完全熔化对接，并且与填粉焊形成的Ni基合金焊缝冶金结合；V型焊缝中的Ni基耐蚀合金无气孔、裂纹缺陷，与两侧钢管冶金结合实现强度连接。

附图说明：

图1：焊接工装图，其中注释：1.钢管、2.过渡层、3.Al₂O₃陶瓷层、4.保护气、5.氩气送粉、6.聚焦镜、7.T型螺母、8.粗螺杆、9.支撑螺母

图2：陶瓷内衬复合钢管结构图

图3：实例1所得熔化对接的陶瓷焊缝背面的弧状焊接凸起

图4：实例1所得Ni基合金焊缝渗透探伤结果

图5：实例1所得Ni基合金焊缝硬度测试位置示意图

图6：实例1所得Ni基合金焊缝维氏硬度测试分布图