CN104476009A

CN104476009A - 一种低温管线k65热煨弯管用埋弧焊丝

Info

Publication number: CN104476009A
Application number: CN201410747501.6A
Authority: CN
Inventors: 董利明; 张宇; 潘鑫
Original assignee: Institute Of Research Of Iron & Steel shagang jiangsu Province
Current assignee: Institute Of Research Of Iron & Steel shagang jiangsu Province
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2034-12-09
Also published as: CN104476009B

Abstract

本发明公开了一种低温管线K65热煨弯管用埋弧焊丝，焊丝的化学成分重量百分比(％)：C 0.01～0.05，Si≤0.1，Mn 1.5～2.0，S≤0.01，P≤0.01，Ni 1.0～3.0，Mo 0.15～0.35，Ti 0.01～0.05，B≤0.005，Zr≤0.005，余量为Fe和不可避免的杂质。本焊丝与碱度为1.9～2.3的烧结焊剂匹配。对低温管线钢K65的热煨弯管用母管进行双面多丝埋弧焊接，焊接线能量为50～120kJ/cm，焊接好的母管经1020～1200℃感应加热，并在热态下进行弯制，然后水淬，再经过500～750℃保温1.5～2小时后，焊缝可获得最佳的强韧性配合，焊缝抗拉强度达到660～780MPa，焊缝-40℃冲击值Akv≥80J，达到了高寒地区用K65弯管焊缝性能的各项要求。

Description

一种低温管线K65热煨弯管用埋弧焊丝

技术领域

本发明涉及一种弯管用焊丝，尤其是一种低温管线K65热煨弯管用埋弧焊丝。

背景技术

随着世界能源的需求不断增加，油气资源勘探开发向边远地区发展，高寒地区输送管道的建设已成为热点。为了确保管道在极地或高寒地区的安全使用，以Bovanenkove-Ukhta管道为代表的俄罗斯新一代油气管道项目采用强度级别相当于X80的K65钢管，K65钢管的低温韧性比X80设计标准(API SPEC 5L)更高，其CVN试验温度为-40℃，焊缝的冲击功平均值要求不小于60J，单值不小于50J，焊缝强度要求不小于640MPa。

目前，热煨弯管普遍采用直缝管作为母管，经过在线感应加热装置将母管加热后进行弯曲煨制，煨制后进行钢管内外水淬，然后进行回火处理，保证弯管具有较好的强韧匹配。热煨弯管的母管普遍采用Mo-Ti-B系焊材，尽管焊态下直缝管的焊缝金属由于存在大量针状铁素体，确保了较高的低温冲击性能；但经历弯制变形、水淬和回火后，其原始针状铁素体组织遭到破坏，焊缝中出现大量的上贝氏体和岛状马奥岛组织，导致低温韧性恶化。

因此，焊缝是热煨弯管的最薄弱环节，其韧性恶化问题已成为制约热煨弯管发展的瓶颈。目前已有相关专利公布了确保焊缝韧性的热煨弯管用焊丝和焊接工艺，如CN 103192198A和CN 103240512A。但前者公布的热煨弯管用焊丝适用于X90/100钢级，其超高的焊缝强度超出了K65的强度要求，且其韧性测试温度仅为-30℃，不能满足K65的-40℃低温韧性要求；后者公布了采用H08Mn系焊丝和SANi3焊丝组成混合四丝焊接K65热煨弯管母管的焊接工艺，但这可能引起焊缝成分不均匀并引起性能波动，其优选实施例中焊缝-40℃的冲击吸收能量仅为60～64J，相比K65设计标准要求余量不足。随着中俄油气管道建设合作的日益紧密，市场亟需能够确保K65热煨弯管焊缝金属高韧性的焊接材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温管线K65热煨弯管用埋弧焊丝，该埋弧焊丝适用于K65热煨弯管的母管焊接。在保证焊态强度和韧性的同时，经过热处理后仍能保持较好的强韧匹配。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种低温管线K65热煨弯管用埋弧焊丝，按质量百分比成分包括：C0.01～0.05，Si≤0.1，Mn 1.5～2.0，S≤0.01，P≤0.01，Ni 1.0～3.0，Mo 0.15～0.35，Ti 0.01～0.05，B≤0.005，Zr≤0.005，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述热煨弯管用焊丝的制造方法，采用电炉冶炼后浇铸成方坯，经高速无扭轧机轧制成Φ5.5mm的盘条，盘条经剥壳、酸洗、拔丝、镀铜后制成Φ3.2mm、Φ4.0mm或者其他规格的成品焊丝。

所述热煨弯管用焊丝与碱度为1.9～2.3的烧结焊剂相匹配，对K65热煨弯管母管进行双面多丝埋弧焊接，焊接速度为1.0～1.6m/min，焊接线能量为50～120kJ/cm。焊好的母管经1020～1200℃感应加热，并在热态下进行弯制，然后水淬，再经过500～750℃保温1.5～2小时后，焊缝金属抗拉强度：660～780MPa，焊缝-40℃冲击值Akv≥80J，达到低温管线K65设计标准的性能要求。

本发明设计的低温管线K65弯管母管用焊丝的化学成分中各元素作用如下：

C：合适的C含量是保证焊缝强度的重要因素，因此C含量不宜过低。但过高的C元素恶化焊接性，增加冷裂纹倾向，可使二次加热焊缝组织中马奥岛含量增加损害焊缝的冲击韧性。考虑到焊接过程中C的烧损和后续焊缝的调质处理，焊丝中的C含量宜控制在0.01～0.05。

Si：一方面是焊缝金属的脱氧元素，有镇静熔池、增加熔池流动性来消除气孔的作用提高焊接性。另一方面，焊接及热处理时，过高的Si含量会增加焊缝中块状铁素体含量使焊缝韧性恶化。因此，焊丝中的Si含量控制在0.1％以下。

Mn：在焊缝中是有效的强度增加元素和脱氧元素，有利于细化焊缝晶粒，增加针状铁素体含量，同时减少晶界先共析铁素体和侧板条铁素体的含量，从而改善焊缝金属的韧性。但过多的Mn含量易在晶界偏析，从而导致残余奥氏体、马氏体等组织产生。为了保证焊缝的强韧性配合，本发明的焊丝中Mn元素含量控制在1.5～2.0％。

Ni：对氧的亲和力较Fe小，焊接时几乎不烧损，固溶于奥氏体，扩大γ相区，形成无限固溶体，是焊缝金属中强韧化组元；热煨过程中具有细化晶粒和溶解于铁素体中可以提高铁素体的强度，也影响低温时铁素体位错中心的结构进而提高塑性变形能力。但过高的Ni含量会降低熔池的流动性，对焊缝成形不利，也易造成焊缝夹渣及气孔等缺陷。综上，控制其含量为1.0～3.0％。

Mo：是有效促进焊态焊缝金属针状铁素体形成的元素之一，在提高焊缝强度的同时也提高了焊缝金属的低温冲击韧性；热处理时降低C及碳化物形成元素的扩散能力而抑制碳化物的析出，提高淬透性。热煨时还可降低相变温度和针状铁素体的长大速度细化晶粒，同时减少回火脆性倾向。因此控制其含量为0.15～0.35％。

Ti：该元素是强脱氧剂、脱氮剂，适量的Ti与N、O结合生成TiN和Ti₂O₃成为结晶核心，一方面促进了母管焊缝中针状铁素体的生成，抑制侧板条铁素体和晶界铁素体的产生；另一方面这些弥散分布的第二相质点阻止了热煨过程中奥氏体晶粒的长大，有效增加焊缝的强度及韧性。本发明中控制Ti含量为0.01～0.05％。

B：焊丝中添加的微量元素。它能减小先共析铁素体含量，促进针状铁素体的形成，从而得到细小的焊缝纤维组织。B和Ti之间存在强烈的交互作用，焊缝中没有足够的Ti，B的有利影响不大；相反，没有B的存在，Ti对促进焊缝中针状铁素体形成效果也不佳。但B和Ti含量过高时将促进上贝氏体形成，使焊缝韧性下降，Ti和B对焊缝组织和性能的共同影响主要是由于Ti通过形成TiN而保护残余B不被氧化，因而有一定的自由B向奥氏体晶界偏析，在晶界上析出大量B的碳化物，它先于铁素体生成，由此可见焊缝金属中Ti、B元素含量都不能太高。本发明中控制B含量不大于0.005％。

Zr：焊缝中的有益微量元素。它具有较高的活性，与某些气体杂质具有较大的亲和力，用Zr对焊缝金属进行微合金化，可促进针状铁素体的形核，不仅能使焊缝组织变得细小，而且使组织的均匀性提高，还能使晶粒边界净化，避免了非金属夹杂和异类相的存在，并且使大块状的FeS与MnS等硫化物变成球状，焊缝组织的细化和均匀性得到提高，促使焊缝金属韧性得以改善。因此本发明中Zr含量不大于0.005％。

S，P：是必须严格限制的杂质元素，尽量减低其含量有利于焊接性的提升和韧性的改善。本发明中，其含量至少控制在S≤0.01％，P≤0.01％。

本发明中对匹配烧结焊剂的碱度做了要求，是基于脱渣性能和焊缝成形的要求，同时考虑焊缝中氧含量、夹杂物对焊缝力学性能的影响，因此将焊剂的碱度范围要求为：1.9～2.3。

本发明的有益效果：

1.本发明焊丝的优点在于，适合低温管线K65热煨弯管板材的埋弧焊接和焊缝热处理。焊丝采用Ni-Mo-Ti-B-Zr合金设计：较高的Ni提高焊缝强度和低温韧性；较高的Mo，增加材料的淬透性和冲击韧性，减少第二类回火脆性倾向；Ti元素在较大的焊接热输入时抑制先共析铁素体和侧板条铁素体的形成，细化晶粒。微量的B和Zr元素促进了焊缝针状铁素体的形成，并细化焊缝组织和提高组织的均匀性。总之，合金成分设计克服了传统H08Mn系焊丝制得热煨弯管焊缝金属中块状贝氏体和马氏体类组织的生成，并大幅提升了针状铁素体组织的体积含量，从而提高了热煨弯管焊缝的低温韧性。

2.本发明的焊丝与碱度为1.9～2.3的烧结焊剂匹配，采用双面多丝埋弧焊焊接K65热煨弯管板材时，焊接速度为1.0～1.6m/min，可用于较大热输入(50～120kJ/cm)焊接，焊缝无缺陷，成形性好。

3.采用该焊丝焊接的低温管线K65热煨弯管母管经1020～1200℃感应加热，并在热态下进行弯制，然后水淬，再经过500～750℃回火后，焊缝抗拉强度达到660～780MPa，焊缝-40℃冲击值Akv≥80J。

4.目前市场上的K65热煨弯管因韧性不足而合格率低，本发明的焊丝有望能够解决这一行业难题。

具体实施方式

以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1

采用上述方法制得Φ4mm的热煨弯管用埋弧焊丝成分(重量百分比％)：C0.02，Si 0.08，Mn 1.5，S 0.005，P 0.007，Ni 1.5，Mo 0.2，Ti 0.03，B 0.002，Zr 0.004，余量为Fe和不可避免的杂质；

本焊丝与碱度2.0烧结焊剂匹配，对厚度为26.4mm的K65管材进行埋弧焊接，焊接速度为1.5m/min，内外侧均为单道次四丝焊接，热输入分别为62kJ/cm和74kJ/cm。焊好的母管感应加热到1030℃，并在热态下进行弯制，然后水淬，再将整管放入加热炉中加热至550℃、并保温1.5个小时，即制得热煨弯管，其焊缝金属的抗拉强度为665MPa，-40℃冲击功平均值为95J。

实施例2

采用上述方法制得Φ4mm的热煨弯管用埋弧焊丝成分(重量百分比％)：C0.02，Si 0.08，Mn 1.5，S 0.005，P 0.007，Ni 2.0，Mo 0.15，Ti 0.01，B 0.002，Zr 0.003，余量为Fe和不可避免的杂质；

本焊丝与碱度1.9烧结焊剂匹配，对厚度为26.4mm的K65管材进行埋弧焊接，焊接速度为1.2m/min，内外侧均为单道次四丝焊接，热输入分别为55kJ/cm和65kJ/cm。焊好的母管感应加热到1020℃，并在热态下进行弯制，然后水淬，再将整管放入加热炉中加热至600℃、并保温2个小时，即制得热煨弯管，其焊缝金属的抗拉强度为670MPa，-40℃冲击功平均值为105J。

实施例3

采用上述方法制得Φ4mm的热煨弯管用埋弧焊丝成分(重量百分比％)：C0.02，Si 0.08，Mn 1.5，S 0.005，P 0.007，Ni 2.5，Mo 0.35，Ti 0.03，B 0.002，Zr 0.004，余量为Fe和不可避免的杂质；

本焊丝与碱度2.0烧结焊剂匹配，对厚度为30.8mm的K65管材进行埋弧焊接，焊接速度为1.5m/min，内外侧均为单道次四丝焊接，热输入分别为73kJ/cm和82kJ/cm。焊好的母管感应加热到1030℃，并在热态下进行弯制，然后水淬，再将整管放入加热炉中加热至650℃、并保温1.5个小时，即制得热煨弯管，其焊缝金属的抗拉强度为660MPa，-40℃冲击功平均值为113J。

实施例4

采用上述方法制得Φ4mm的热煨弯管用埋弧焊丝成分(重量百分比％)：C0.04，Si 0.0，Mn 1.8，S 0.004，P 0.009，Ni 3.0，Mo 0.2，Ti 0.05，B 0.005，Zr 0.001，余量为Fe和不可避免的杂质；

本焊丝与碱度2.0烧结焊剂匹配，对厚度为30.8mm的K65管材进行埋弧焊接，焊接速度为1.0m/min，内外侧均为单道次四丝焊接，热输入分别为80kJ/cm和118kJ/cm。焊好的母管感应加热到1080℃，并在热态下进行弯制，然后水淬，再将整管放入加热炉中加热至600℃、并保温1.5个小时，即制得热煨弯管，其焊缝金属的抗拉强度为680MPa，-40℃冲击功平均值为84J。

通过上述实施例可知，本发明所述埋弧焊丝，搭配碱度1.8～2.3的烧结焊剂可用于低温管线K65热煨弯管母管的焊接，使焊好的母管热煨弯制成K65热煨弯管成品后，其焊缝强度≥660MPa，-40℃冲击功≥80J。

Claims

1.一种低温管线K65热煨弯管用埋弧焊丝，其特征在于，按质量百分比组成包括：C 0.01～0.05，Si≤0.1，Mn 1.5～2.0，S≤0.01，P≤0.01，Ni 1.0～3.0，Mo0.15～0.35，Ti 0.01～0.05，B≤0.005，Zr≤0.005，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的低温管线K65热煨弯管用埋弧焊丝，其特征在于其焊接时与碱度为1.9～2.3的烧结焊剂相匹配，对K65热煨弯管母管进行双面多丝埋弧焊接，焊接线能量为50～120kJ/cm。

3.根据权利要求1所述的低温管线K65热煨弯管用埋弧焊丝，其特征在于采用该焊丝焊接的K65热煨弯管母管的热煨工艺为：1020～1200℃感应加热，并在热态下进行弯制，然后水淬，再经过500～750℃保温1.5～2小时。