CN101362257A - X80等级钢油、气输送管手工焊接用电焊条 - Google Patents

Abstract

该发明属于手工焊接用电焊条，包括化学成份为(wt％)C 0.020－0.100、Mn 0.350－0.550、Si 0.015－0.030、 P0.005－0.015、S 0.002－0.005、Cr 0.01－0.20、Ni 0.01－0.30、Cu0.01－0.20、Fe 98.675－99.47，余量为杂质的焊芯；药皮的成分为大理石粉28－38、萤石粉16－28、长石粉2－8、钛白粉2－7、电解锰4－8、硅铁粉3－7、钛铁粉6－9、钼铁粉0.5－2、镍粉3－8、铁粉10－25、其它元素5－8。采用本焊条焊接的X80等级钢管道，焊缝的化学成分、性能和组织更接近管道本体，焊缝不进行热处理即能满足对石油、天然气输送用X80等级钢管的高强度、高韧性和低硬度等技术指标的要求；克服了背景技术焊接后焊缝需进行热理且质量差、使用中易发生工程事故等缺陷。

Description

X80等级钢油、气输送管手工焊接用电焊条

技术领域

本发明涉及一种焊接加工用电焊条，特别是一种X80等级钢石油、天然气输送管道手工焊接用电焊条，该焊条可广泛用于对采用埋弧自动焊接生产X80等级钢的石油、天然气输送管道时产生的焊接缺陷进行补焊，也可用于X80等级钢的焊接。

背景技术

管道输送是长距离运输石油、天然气最合理的运输方式，具有经济、安全、高效、节能、不间断，以及对环境破坏程度小等显著特点。因而，世界各国高度重视管道输送技术的发展，许多国家不惜花费大量财力和物力，大力发展管道运输业。管道运输已成为继公路、铁路、水路和航空运输之后的第五大运输业。管线建设的发展趋势是向长距离、高压力、大口径发展，使其强度要求越来越高；此外，由于从油、气产地到消费地往往长达数千公里，沿途地质条件复杂、气候多变，对管线钢韧性也提出越来越高的要求。目前，国内外管线建设普遍采用X70钢级管线钢，部分长距离管线建设开始采用X80管线钢，但全世界累计长度仅为1750km。而国内西气东输二线天然气管道干线全长约4800Km，根椐该工程建设的需要研发的X80等级钢是填补国内外空白的。

高强度、高韧性钢管的生产主要过程包括成型和焊接，焊接方法主要采用埋弧自动焊接，但由于在自动埋弧焊中不可避免的存在焊接缺陷而需要进行补焊，因此手工电弧焊便成为重要的修补手段。在高强度焊管制造过程中，其最难解决的是焊缝金属及热影响区的强度及韧性的降低问题，如何控制焊缝的性能是高强度焊管开发急需解决的关键问题。

X80等级钢是一种低合金高强度钢，具有高强度和良好的抗延性断裂能力，是输气管道中的高等级管材。但目前缺少与该钢种配套的焊条，目前在施工中一般使用与X70管线钢配套的J607及J707焊条进行焊接，根据西气东输二线工程用X80管线钢及焊接标准所给出的数据，X70管线钢在屈服强度、断裂强度、屈强比和焊接接头断裂强度等要求上都与X80管线钢有较大差距，理论上及大量的试验和部分工程事故，都得出了与X70管线钢配套用焊条并不适用于X80等级钢管的焊接的结论。

X70管线钢与X80管线钢的区别：

X70管线钢成分最大值(％)：C 0.080、Mn 1.650、Si 0.350、P 0.020、S 0.005、Mo 0.30、Cr 0.250、Nb 0.060、V 0.060、Fe最小值97.125，余量为杂质。

X70管线钢性能：最小抗拉强度570Mpa，屈服强度485-635Mpa，最大屈强比0.90，最小伸长率22％、-10℃冲击功(J)：平均值180、单个最小值135，焊接接头最低强度570Mpa。

Φ1219×26.4mmX80等级钢卷板的实测化学成分(％)：C 0.034、Mn 1.630、Si 0.240、P 0.010、S 0.002、Nb 0.096、Cr 0.241、Ni 0.180、V 0.013、Cu 0.120、Mo 0.001、Fe97.334、余量为杂质；

X80等级钢力学性能：抗拉强度625-825Mpa，屈服强度555-690Mpa，最大屈强比0.93，最小伸长率21％，-10℃冲击功(J)：平均值180，单个最小值140，焊接接头最低强度625MPa。

J607焊条的成分及性能：

焊缝熔敷金属的化学成分(％)：C 0.084、Mn 1.550、Si 0.500、P 0.025、S 0.011、Mo 0.340、Cr 0.080、Nb 0.040、V 0.010、Fe 97.260，余量为杂质。

焊缝熔敷金属的力学性能：抗拉强度630Mpa，屈服强度540Mpa，伸长率25％，-10℃冲击功(J)平均值90，单个最小值60，国标要求焊后需热理。

J707焊条的成分及性能：

焊缝熔敷金属的典型化学成分(％)：C 0.102、Mn 1.910、Si 0.420、P 0.026、S 0.012、Mo 0.370、Cr 0.082、Nb 0.041、V 0.011、Fe 96.826，余量为杂质。

其熔敷金属的力学性能：抗拉强度760Mpa，屈服强度670Mpa，伸长率23％，-10℃冲击功(J)平均值70，单个最小值50，国标要求焊后需热理。

对比了X70、X80管线钢成分及性能要求，再对比J607、J707成分及性能以后，我们可以看出无论是J607还是J707焊条其焊缝在成分和力学性能特别是冲击韧性上与母材X80管线钢成分及性能要求差距较大。一般来说，要使焊缝具有如此高的强度、而又要保证足够高的韧性，则需对焊缝进行热处理，但管线钢的焊接一般是野外作业，要实现对焊缝进行热处理，不仅要耗费大量的人力、物力，而且由于地理环境、天气等原因，热处理往往很难达到要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种X80等级钢油、气输送管手工焊接用电焊条，该焊条在对X80等级钢进行焊接和补焊，其焊接熔敷金属在不对焊缝进行焊后热处理的情况下，保确焊缝的各项性能满足石油、天然气输送对焊接钢管的高强度、高韧性和低硬度等技术指标要求等目的。

本发明所采用的技术方案是(均以重量百分比计)：碳钢焊芯成份为C 0.02-0.10、Mn0.35-0.55、Si 0.015-0.03、P 0.005-0.015、S 0.002-0.005、Cr 0.01-0.20、Ni 0.01-0.30、Cu 0.01-0.20、Fe 98.675-99.47，余量为杂质；药皮成分为大理石粉28-38、萤石粉16-28、长石粉2-8、钛白粉2-7、电解锰4-8、硅铁粉3-7、钛铁粉6-9、钼铁粉0.5-2、镍粉3-8、铁粉10-25、其它元素5-8；将药皮各成分按比例搅拌混合均匀后、加入总成份重10-20％的粘结剂混合均匀，然后送入压条机内将其裹覆于焊芯上，再经低温及高温烘焙，即制得本发明焊条。

上述大理石粉中CaCO₃含量≥95％；萤石粉中CaF₂含量≥95％；长石粉中含K₂O10-20％、SiO₂50-65％、Al₂O₃ 15-25％。所述加入总成份重10-20％的粘结剂为钠水玻璃或钾水玻璃、或钾钠水玻璃，其浓度为41°-43°。而所述低温烘焙的温度为80-120℃；高温烘焙的温度为350-400℃。

本发明技术方案所采用焊芯化学成份及药皮组份的依据是使焊缝熔敷金属中主要合金的化学成份控制在理想范围内，即：

1.锰(Mn)含量控制在1.4—1.8％，同时硅(Si)含量控制在小于0.4％的范围内。锰(Mn)是获得强度和韧性较经济的化学元素，硅(Si)可以脱氧，有镇静溶池、消除气孔的作用；提高Mn/Si可以减少焊缝热裂纹倾向，但过高将降低钢抗腐蚀性、过低则引起热裂纹等问题。

2.钼(Mo)含量控制在0.15—0.30％比较适宜。一方面可以有效提高焊缝金属的拉伸强度，另一方面可促进焊缝获得理想的针状铁素体显微组织，对提高韧性有利；但过高会提高焊缝金属的硬度，小于0.15％则无法保证X80钢的焊缝金属的拉伸强度和高韧性。

3.镍(Ni)含量控制在1.4％-1.8％范围。该元素是提高焊缝金属低温冲击韧性的主要元素，它能降低焊缝金属的脆性转变温度；焊缝金属的低温冲击韧性是随焊缝中含镍量增加而提高的。但镍属于稀有贵重金属，所以在保证焊缝金属冲击韧性达到优良的前提下，应尽量减少其加入量，达到降低成本的目标。此外，焊缝含镍超过2.5％韧性反而下降，这可能与镍能促进晶体长大和易形成低熔点物质有关。

4.硫(S)、磷(P)都是有害元素，我们将硫(S)含量控制在不大于0.006％，同时磷(P)含量控制在不大于0.020％。因为这两种元素含量过高是焊缝引起热裂纹的主要原因之一。实验表明，当焊缝金属中S、P含量越高，焊缝的夏比冲击值越低。但要求过低的S、P含量将明显增加炼钢成本。我们主要从两个方面对这些杂质进行控制：一、在焊芯方面选用的是硫、磷尽量低的特殊碳钢焊芯。二、药粉都选用一些含硫、磷极为低的，比如品位较高的大理石、萤石粉等，均是为了降低焊缝中硫、磷的含量。

5.铁粉(Fe)药皮中加入量控制在10-25％。铁粉在焊条药皮的作用一般容易被忽略，但在该焊条中它却起到了不小的作用，因为铁粉能起到净化溶池的作用，同时它又能细化晶粒，提高焊缝冲击韧性，但不宜过多，因为过量的加入铁粉会使其它元素稀释。

采用本发明焊条焊接的焊缝的化学成分、性能和组织更接近X80等级钢，焊缝金属组织为针状铁素体+贝氏体组织，在不进行热处理的情况下具有与X80等级钢相近的拉伸强度、冲击值、弯曲性能、抗裂性能、硬度等机械性能；并且焊缝内部气孔、夹渣和裂纹，以及外观边缘过渡和咬边等均符合标准规定的要求。克服了采用J607、J707等焊条焊接X80管线钢，焊接后焊缝需进行热处理且质量差、使用中易发生工程事故等缺陷。

具体实施方式

本实施方式采用直径Φ4.0mm的焊芯，其化学成分为(％)：C 0.040、Mn 0.450、Si 0.021、P 0.010、S 0.005、Cr 0.10、Ni 0.20、Cu 0.010、Fe 99.064，余量为杂质；将药皮成分：CaCO₃含量≥95％的大理石粉31Kg，CaF₂含量≥95％的萤石粉20Kg，含K₂O15％、SiO₂ 60％、Al₂O₃ 20％的长石粉4Kg，电解锰5Kg，工业纯的：钛白粉4Kg，含Si45％的硅铁粉6Kg，钛铁粉8Kg，含Mo 55％的钼铁粉0.6Kg，镍粉4Kg，铁粉15Kg，其它元素2.4混合均匀后、加入15Kg浓度42°的钾钠水玻璃混合均匀，然后送入压条机内将其包裹于焊芯上，再经100℃低温烘焙2小时、380℃高温烘焙60分钟，即制得长400mm、外径Φ6.2mm的焊条220Kg。所得焊条经焊接Φ1219×26.4mmX80等级钢管试验：

试验用Φ1219×26.4mmX80等级钢卷板的实际化学成份(％)：C 0.034、Mn 1.630、Si 0.240、P 0.010、S 0.002、Nb 0.096、Cr 0.241、Ni 0.180、V 0.013、Cu 0.120、Mo 0.001、Fe 97.334、余量为杂质；管体的力学性能：抗拉强度(Mpa)740、屈服强度(Mpa)585、伸长率32、屈强比0.79、焊接接头强度(Mpa)685。

焊缝熔敷金属的化学成份(％)：C 0.055、Mn 1.63、Si 0.280、P 0.011、S 0.005Mo 0.251、Cu 0.035、Ni 1.520、Cr 0.030、Nb 0.032、V 0.031、Fe 95.720，余量为杂质；

焊缝熔敷金属的力学性能：抗拉强度(Mpa)670、屈服强度(Mpa)580、伸长率25％、-10℃冲击功(J)：平均值165、最小值140；

焊接成型后的管体的冲击试验(-10℃冲击功)：管道本体平均415J、最小325J；焊缝：平均165J、最小120J；热影响区：平均240J、最小225J；

显微硬度(HV₁₀)：管体平均235；焊缝平均232；热影响区平均236。

上述试验所得各项参数，无论其化学成分及力学性均完全满足西气东输二线工程用X80等级钢管线及其焊接标准的要求。

Claims (4)

1.一种X80等级钢油、气输送管手工焊接用电焊条，包括碳钢焊芯及裹覆于焊芯表面的药皮，其特征在于以重量百分比计，碳钢焊芯成份为C 0.02-0.10、Mn 0.35-0.55、Si 0.015-0.030、P 0.005-0.015、S 0.002-0.005、Cr 0.01-0.20、Ni 0.01-0.30、Cu0.01-0.20、Fe 98.675-99.47，余量为杂质；药皮成份为大理石粉28-38、萤石粉16-28、长石粉2-8、钛白粉2-7、电解锰4-8、硅铁粉3-7、钛铁粉6-9、钼铁粉0.5-2、镍粉3-8、铁粉10-25、其它元素5-8；将药皮各成分按比例搅拌混合均匀后、加入总成份量10-20％的粘结剂混合均匀，然后送入压条机内将其裹覆于焊芯上，再经低温及高温烘焙，即制得本发明焊条。

2.按权利要求1所述X80等级钢油、气输送管手工焊接用电焊条，其特征在于所述大理石粉中CaCO₃含量≥95％；而所述萤石粉中CaF₂含量≥95％；而长石粉中含K₂O 10-20％、SiO₂ 50-65％、Al₂O₃ 15-25％。

3.按权利要求1所述X80等级钢油、气输送管手工焊接用电焊条，其特征在于所述加入总成份重10-20％的粘结剂为钠水玻璃或钾水玻璃、钾钠水玻璃，其浓度为41°-43°。

4.按权利要求1所述X80等级钢油、气输送管手工焊接用电焊条，其特征在于所述低温烘焙的温度为80-120℃；高温烘焙的温度为350-400℃。