CN103143856B

CN103143856B - 抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝

Info

Publication number: CN103143856B
Application number: CN201310096917.1A
Authority: CN
Inventors: 王红鸿; 吴开明
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2033-03-25
Also published as: CN103143856A

Abstract

本发明具体涉及一种抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝。其技术方案是：所述高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.02~0.06wt%，Si为0.20~0.40wt%，Mn为1.20~2.00wt%，Cr为3.00~8.00wt%，Cu为0.20~0.40wt%；（V+Ti+B）为0.04~0.10wt%；S≤0.001wt%，P≤0.002wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明制备的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝与SJ101-G焊剂配合使用，形成的焊缝金属的力学性能及耐蚀性能能满足对所焊抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢形成的焊接接头强度、韧性和的抗二氧化碳腐蚀性能要求；焊接接头性能与母材相匹配，满足对所焊接制备的油气管道的技术要求，具有良好的抗二氧化碳腐蚀性能。

Description

抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝

技术领域

本发明属于埋弧焊焊丝技术领域。具体涉及一种抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝。

背景技术

二氧化碳驱油是提高低渗透油田采收率主要和有效的方法之一，但是，二氧化碳和水共存就具有极强的腐蚀性，引起钢铁材料迅速腐蚀，使得管道设备发生早期失效。美国Little Creek油田实施CO₂驱油试验期间，不到5个月油管管壁就腐蚀穿孔，腐蚀率高达12.7mm/a。近十年来，我国随着强腐蚀环境油气井的进一步开发，井底二氧化碳等强腐蚀气氛连续上升等综合环境的变化，使得油气田集输管腐蚀日益严重，对制造管道的材料（包括管材和焊接材料），提出较高强度和优良韧性等力学性能的同时，对耐二氧化碳腐蚀性能也提出了较高的要求。

近年来，通过对耐二氧化碳腐蚀机理研究，在耐二氧化碳腐蚀钢材的开发方面有了较大的进展，用于二氧化碳驱油油田地面集输管道用管线钢相继研发成功，其强度逐渐发展到650~740MPa（该强度级别相当于管线钢X80）。但现有的焊接材料技术中，如“X80管线钢埋弧焊焊丝”(ZL200710139338.5)、“高强度管线钢用埋弧焊焊丝”(ZL200510018993.6)和“高等级管线钢用高强度高韧性高焊速埋弧焊丝”(ZL200810005040.X)专利技术，虽适用于X80的埋弧焊焊接，且均具有优良的强度和韧性，但却不具备耐腐蚀性能。又如“低碳微合金化埋弧焊丝”(ZL92105621.4)、“高性能管线钢埋弧焊焊丝”(ZL01106520.6)、“高等级管线钢用埋弧焊焊丝材料”(ZL 200410073353.0)专利技术，也虽适用于油气管线X80的埋弧焊焊接，也具备了较好的抗H₂S腐蚀性能，但基于CO₂与H₂S对金属材料的腐蚀机理不同，这些焊丝却不能有效抵抗二氧化碳腐蚀。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝，该埋弧焊焊丝能满足对所焊抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢形成的焊接接头强度和韧性的要求，还具有与母材匹配的抗二氧化碳腐蚀性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.02~0.06wt%，Si为0.20~0.40wt%，Mn为1.20~2.00wt%，Cr为3.00~8.00wt%，Cu为0.20~0.40wt%；（V+Ti+B）为0.04~0.10wt%；S≤0.001wt%，P≤0.002wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

本发明采用超低碳（C）含量，一方面使焊缝金属形成超低碳贝氏体或超低碳马氏体组织，在保证焊缝金属强度的同时，使其具有较好的抗裂性能和冲击韧性，另一方面避免生成大量的铬的碳化物，提高了耐腐蚀性能。

本发明采用中等铬（Cr）元素含量，在CO₂腐蚀介质中，铬（Cr）元素能使腐蚀产物膜更加致密，阻碍腐蚀进一步发展，保证焊缝金属及热影响区熔合线，在服役过程中，具有与母材相当的抗二氧化碳腐蚀性；另一方面通过固溶强化提高焊缝金属的强度，以弥补由于超低碳含量而降低的强度。

本发明采用中等含量的锰（Mn）元素，在焊缝中有利于脱氧和脱硫，防止引起热裂纹；另外，锰元素是硬化元素，可弥补由于碳含量减少而引起强度降低的不足；此外，一定含量的锰元素能使针状铁素体的转变起始温度降低，转变温度范围扩大，在焊缝金属中提高针状铁素体的体积比。

本发明适当的添加铜（Cu）元素，能使形成的腐蚀产物膜更加密致，提高了耐腐蚀性能；本发明所添加的微量元素(V+Ti+B)中的V和Ti元素先于铬形成碳化物，一方面能提高耐腐蚀性能，另一方面，适量的Ti可形成弥散分布细小的TiN或Ti₂O₃质点，这些质点可作为焊缝凝固时针状铁素体的非均质形核核心，促使形成一定数量的针状铁素体，提高焊缝金属的力学性能；添加极少量的B，使之在奥氏体晶界聚焦，降低晶界能，抑制先共析铁素体的形成。

本发明通过钢水纯净化提高焊丝的品质，严格控制S和P元素在焊丝中的含量，从而保证焊缝金属中S、P元素控制在较低的水平。

本发明以超低的碳含量、中等的铬含量和锰含量、少量的铜含量和微量的（V+Ti+B）含量制成的埋弧焊焊丝，焊接抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢，其焊缝金属组织以超低碳贝氏体为主，还有少量的针状铁素体组织和极少量的超低碳马氏体组织，该组织保证了焊缝金属具备较高的强度和较好的冲击韧性，该焊缝金属的抗拉强度为650~740MPa，-20℃冲击韧性为82~110J，腐蚀速率为1.10~1.43mm/a，抗二氧化碳腐蚀性能优良，实现了与抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢性能的匹配。

因此，本发明制备的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝与SJ101-G焊剂配合使用，所形成的焊缝金属的力学性能和耐蚀性能能满足对所焊抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢形成的焊接接头强度、韧性和抗二氧化碳腐蚀性能要求，焊接接头性能与母材相匹配，满足对所焊接制备的油气管道的技术要求，具有良好的抗二氧化碳腐蚀性能。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本其保护范围的限制：

实施例 1

一种抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝。所述的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.02~0.03wt%，Si为0.30~0.40wt%，Mn为1.20~1.40wt%，Cr为7.00~8.00wt%，Cu为0.20~0.30wt%；（V+Ti+B）为0.04~0.05wt%；S≤0.001wt%，P≤0.002wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例所制备的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝，采用三丝埋弧焊焊接方法，配套使用焊剂为SJ101-G，焊接厚度为12mm的抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢X80钢板。该钢板的化学组分是：C为0.01~0.05wt%，Si为0.10~0.20wt%，Mn为1.20~1.70wt%，Cr为3.50~6.20wt%，Nb为0.05~0.10wt%，Ti为0.005~0.015wt%，S≤0.001wt%，P≤0.010wt%，余量为Fe和不可避免的杂质；该钢板的力学性能是：屈服强度为650MPa，抗拉强度为710MPa，-20℃平均冲击韧性功为150J。试板坡口型式为双V型，单侧坡口角度为45°。焊丝直径为3.2mm，焊接线能量为22kJ/cm。

对本实施例所制备的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝的焊缝金属进行显微组织分析、力学性能和腐蚀性能测试，其中的显微组织分析方法及力学性能测试按常规方法进行，腐蚀性能测试方法如下：在3L高温高压FCZ磁力驱动反应釜进行CO₂腐蚀试验，将熔敷金属放在高温高压釜的腐蚀介质中，介质成分模拟PY30－1气田采出液。测试实验参数如下：温度为60°C，CO₂分压为1MPa，流速为1m/s，实验周期为768小时。用500mLHCl和3.5g C₆H₁₂N₄（六次甲基四胺）及去离子水配制成1000mL溶液去除腐蚀产物。用失重法计算平均腐蚀速率。

测试结果如下：焊缝金属组织以低碳贝氏体为主，还有少量针状铁素体+极少量低碳马氏体。焊缝金属的抗拉强度为650~665MPa，-20℃时焊缝金属冲击功A_kv=97~110J，腐蚀试样表面光滑，腐蚀速率为1.40~1.43mm/a。测试结果表明：采用本实施例焊丝，经三丝埋弧焊后，其焊缝金属力学性能和抗腐蚀性能完全满足抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线用钢X80的技术要求。

实施例 2

一种抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝。所述的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.03~0.04wt%，Si为0.30~0.40wt%，Mn为1.40~1.60wt%， Cr为5.50~7.00wt%，Cu为0.20~0.30wt%；（V+Ti+B）为0.05~0.07wt%；S≤0.001wt%，P≤0.002wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例所制备的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝的焊接工艺和所焊接的钢板及腐蚀性能测试与实施例1相同。

对本实施例所制备的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝的焊缝金属进行显微组织分析、力学性能及腐蚀性能测试。测试结果如下：焊缝金属组织以低碳贝氏体为主，还有少量针状铁素体+极少量低碳马氏体。焊缝金属的抗拉强度为675~685MPa，-20℃时焊缝金属冲击功A_kv=90~106J，腐蚀试样表面光滑，腐蚀速率为1.27~1.33mm/a。测试结果表明：采用本实施例焊丝，经三丝埋弧焊后，其焊缝金属力学性能和抗腐蚀性能完全满足抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线用钢X80的技术要求。

实施例 3

一种抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝。所述的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.04~0.05wt%，Si为0.20~0.30wt%，Mn为1.60~1.80wt%，Cr为4.00~5.50wt%，Cu为0.30~0.40wt%；（V+Ti+B）为0.07~0.08wt%；S≤0.001wt%，P≤0.002wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

对本实施例所制备的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝的焊缝金属进行显微组织分析、力学性能和腐蚀性能测试。测试结果如下：焊缝金属组织以低碳贝氏体为主和少量针状铁素体+极少量低碳马氏体。焊缝金属的抗拉强度为720~738MPa，-20℃时焊缝金属冲击功A_kv=82~98J，腐蚀试样表面光滑，腐蚀速率为1.35~1.38mm/a。测试结果表明：采用本实施例焊丝，经三丝埋弧焊后，其焊缝金属力学性能和抗腐蚀性能完全满足抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线用钢X80的技术要求。

实施例 4

一种抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝。所述的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.05~0.06wt%，Si为0.20~0.30wt%，Mn为1.80~2.00wt%，Cr为3.00~4.00wt%，Cu为0.30~0.40wt%；（V+Ti+B）为0.08~0.10wt%；S≤0.001wt%，P≤0.002wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。

对本实施例所制备的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝的焊缝金属进行显微组织分析、力学性能和腐蚀性能测试。测试结果如下：焊缝金属组织以低碳贝氏体为主，还要少量针状铁素体+极少量低碳马氏体。焊缝金属的抗拉强度为730~740MPa，-20℃时焊缝金属冲击功A_kv=95~107J，腐蚀试样表面光滑，腐蚀速率为1.10~1.15mm/a。测试结果表明：采用本实施例焊丝，经三丝埋弧焊后，其焊缝金属力学性能和抗腐蚀性能完全满足抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线用钢X80的技术要求。

本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：

本具体实施方式采用的超低碳（C）含量，一方面使焊缝金属形成超低碳贝氏体或超低碳马氏体，在保证焊缝金属强度的同时，使其具有较好的抗裂性能和冲击韧性，另一方面避免生成大量的铬的碳化物，提高了耐腐蚀性能。

本具体实施方式采用中等铬（Cr）元素含量，在CO₂腐蚀介质中，铬（Cr）元素能使腐蚀产物膜更加致密，阻碍腐蚀进一步发展，保证焊缝金属及热影响区熔合线，在服役过程中，具有与母材相当的抗二氧化碳腐蚀性；另一方面通过固溶强化提高焊缝金属的强度，以弥补由于超低碳含量而降低的强度。

本具体实施方式采用中等含量的锰（Mn）元素，在焊缝中有利于脱氧和脱硫，防止引起热裂纹；另外，锰元素是硬化元素，可弥补由于碳含量减少而引起强度降低的不足；此外，一定含量的锰元素能使针状铁素体的转变起始温度降低，转变温度范围扩大，在焊缝金属中提高针状铁素体的体积比。

本具体实施方式适当的添加铜（Cu）元素，能使形成的腐蚀物膜膜更加密致，提高了耐腐蚀性能；本具体实施方式所添加的微量元素(V+Ti+B)中的V和Ti元素先于铬形成碳化物，一方面能提高耐腐蚀性能，另一方面，适量的Ti可形成弥散分布细小的TiN或Ti₂O₃质点，这些质点可作为焊缝凝固时针状铁素体的非均质形核核心，促使形成一定数量的针状铁素体，提高焊缝金属的力学性能；添加极少量的B，使之在奥氏体晶界聚焦，降低晶界能，抑制先共析铁素体的形成。

本具体实施方式通过钢水纯净化提高焊丝的品质，严格控制S和P元素在焊丝中的含量，从而保证焊缝金属中S、P元素控制在较低的水平。

本具体实施方式以超低的碳含量、中等的铬含量和锰含量、少量的铜含量和微量的（V+Ti+B）含量制成的埋弧焊焊丝，焊接抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢，其焊缝金属组织以超低碳贝氏体为主，还有少量的针状铁素体组织和极少量的超低碳马氏体组织，该组织保证了焊缝金属具较高的强度和较好的冲击韧性，该焊缝金属的抗拉强度为650~740MPa，-20℃冲击韧性为82~110J，腐蚀速率为1.10~1.43mm/a，抗二氧化碳腐蚀性能优良，实现了与抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢性能的匹配。

因此，本具体实施方式制备的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝与SJ101-G焊剂配合使用，所形成的焊缝金属的力学性能和耐蚀性能能满足对所焊抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢形成的焊接接头强度、韧性和抗二氧化碳腐蚀性能要求，焊接接头性能与母材相匹配，满足对所焊接制备的油气管道的技术要求，具有良好的抗二氧化碳腐蚀性能。

Claims

1.一种抗二氧化碳腐蚀的高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝，其特征在于所述高强度级别管线钢用埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.02~0.06wt%，Si为0.20~0.40wt%，Mn为1.20~2.00wt%， Cr为3.00~8.00wt%，Cu为0.20~0.40wt%；（V+Ti+B）为0.04~0.10wt%；S≤0.001wt%，P≤0.002wt%，余量为Fe和不可避免的杂质。