CN104588913A - 一种适用于x70海洋油气输送钢埋弧焊接用焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合于X70海洋油气输送用管线钢埋弧焊接用焊丝，组成该焊丝中各组分重量百分比为：0.04≤C≤0.10；1.20≤Mn≤1.50；0.2≤Si≤0.4；0.2≤Ni≤0.4；0.2≤Cr≤0.5；0.05≤Cu≤0.1；0.02≤Ti≤0.07；0.005≤B≤0.01；P≤0.005；S≤0.003；其余为Fe。本发明采用合理的成分设计，可适应于厚壁原料的焊接，并在焊接后焊缝具有优良的力学性能与抗开裂和裂纹扩展的能力，含有较低的P、S等有害的杂质；进行X70海洋油气输送钢管焊接后，可显著提高焊缝耐H2S、CO2等有害物质的腐蚀。

Description

一种适用于X70海洋油气输送钢埋弧焊接用焊丝

技术领域：

本发明属于冶金领域，涉及一种焊丝，尤其是一种适用于X70海洋油气输送钢管埋弧焊用焊丝，本发明针对于海洋用天然气输送管线输油、输气应用要求，开发了一种适用于X70海洋油气输送钢管埋弧焊用焊丝。

背景技术：

现有技术中。近年来，随着油气天然气勘探距离的不断延伸，远距离、特殊环境及介质下油气输送已成为当前发展的主要趋势，我国海洋油气储量丰富，勘探前景良好，开发潜力巨大，将成为未来油气开发的主要热点，但由于管道处于海底，工作环境比较恶劣，如何正确合理地选材，将极大程度的保证海洋中管道结构的性能、寿命、使用安全和经济性等。因此，现阶段，海底管道多采用大壁厚设计，且为了减轻海洋工程结构重量，同时增加结构整体安全性，对于焊缝机械性能要求比较高，要求焊缝具有一定的塑性疲劳和低温韧性等特殊要求；另外，由于铺设于海底一定深度的管道，常常处于潮差或波浪破碎带，因海水飞溅腐蚀而常常引起管道发生腐蚀，同时，由于海水中含有少量的H₂S,可导致焊接接头部位发生硫化氢应力腐蚀开裂(SSCC)。因此，为了确保油气管线在海底中正常使用，要求设计合理的焊丝，确保焊缝具有良好的力学性能，低温下优越的冲击韧性，优良的抵抗开裂和裂纹扩展的能力(CTOD)，同时要求在海洋H2S、CO2的环境中焊缝具有优越的耐腐蚀性能，而普通X70管线钢用的焊丝，主要侧重于焊缝的强韧性问题，而没有考虑腐蚀问题，所以需要研制一种海洋油气输送钢管埋弧焊用焊丝。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种适用于X70海洋油气输送钢埋弧焊接用焊丝，采用本发明的焊丝，配合相应高碱性低氢型焊剂与X70海洋油气输送用管线钢进行焊接后，可在保证焊缝良好的冲击韧性、优良的抵抗开裂和裂纹扩展的能力情况下，具有良好的耐H₂S、CO₂等有害物质的腐蚀能力。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

本发明设计一种X70钢级海洋天然气输送管线钢埋弧焊接用焊丝，在与相应 的焊剂匹配，进行双面内外埋弧焊接后，使焊缝在满足强韧性要求的前提下，按照海洋标准要求，满足抗腐蚀要求，力学性能优良。

一种适用于X70海洋油气输送管线钢埋弧焊接用焊丝，按照重量百分比，所述焊丝组成为：0.04≤C≤0.10；1.20≤Mn≤1.50；0.2≤Si≤0.4；0.2≤Ni≤0.4；0.2≤Cr≤0.5；0.03≤Cu≤0.5；0.02≤Ti≤0.07；0.005≤B≤0.01；P≤0.005；S≤0.003；其余为Fe。

按照重量百分比，0.05≤Cu≤0.3。

按照重量百分比，0.005≤S≤0.008，P≤0.012。

所述焊丝用于X70海洋油气输送管线钢埋弧焊接。

本发明从Mn-Cr-Mo-Ti-B合金系出发，提出焊丝成分如下所示：

1)C作为焊缝组织中的主要强化元素，能够提高珠光体体积分数和强度，但在海洋油气用钢中，碳含量太高，将会引起硬度升高，并且在达到一定程度时，会改变组织构成，出现复相组织，引起严重的晶间腐蚀，使焊缝耐腐蚀性大大降低。另外，碳在焊接过程中，容易溶解在焊接接头处产生硬脆相，可引起焊缝热影响区开裂，所以本次试制将碳控制在0.04-0.10；

2)Mn在焊缝中主要作为铁素体固溶强化元素而存在，它是焊缝中最主要的强化元素，增加焊缝中的Mn含量可以增加焊缝组织中的针状铁素体，并减少先共析铁素体，并有利于提高焊缝的A_k值。但随着Mn的增加，低温、淬硬组织及MnS夹杂也相应增多，从而降低焊缝在酸性的、含H₂S介质的稳定性。鉴于此，将Mn含量控制在1.20-1.50；

3)Si对焊缝组织和性能具有重要影响，其在焊缝金属中主要起脱氧作用，尤其当Mn、Si同时存在时，随着Mn-Si含量的增加，可使连续冷却的相变温度逐渐降低、组织细化，但同时由于Si可显著提高珠光体相变温度，在焊接过程中形成较为粗大组织，这样既会影响焊缝的腐蚀性能又会影响焊缝冲击韧性，考虑到焊剂冶金反应中焊缝存在增硅现象，因此焊丝中应控制Si含量在0.20-0.40；

4)Ni是一种比较稳定的元素，它在焊缝中的作用与Mn相同，既可以提高钢的强度和冲击韧性，又能有效提高钢的抗大气腐蚀能力，而且还能提高钢材的耐海水腐蚀性能。但当其含量增高时，增加了焊缝中热裂纹的存在几率，并 促进马氏体相形成而降低在硫化氢溶液中对应力腐蚀开裂的抵抗力。另外，由于焊缝中大量的Fe、Mn、Si、Cr等与氧亲和力较大的元素的存在，可以极大地减小Ni的烧损率，使母材中Ni得到有效地过渡。因此焊丝中应控制Si含量在0.20-0.40；

5)Cr对于减慢海水中的CO2、H2S环境中腐蚀速度极为有利；另一方面它的弥散碳化物也是氢的强陷阱，所以Cr的含量要足够高，含量应为0.2-0.5；

6)Cu主要在焊缝中在腐蚀过程中起着活性阴极的作用，它对焊缝中力学性能的贡献较小，这是由于它在一定条件下可以促进钢产生阳极钝化降低钢的腐蚀速度，并且与P配合对海水中和飞溅区效果更好，其与氧亲和力较小，过渡率较高，所以考虑从母材中进行过渡，因此焊丝中含量在0.05-0.3；

7)Ti在焊缝中可以提高强度，改善钢的冷成形性能和焊接性能，在焊接过程中可与N、O结合形成TiN或TiO质点，阻止奥氏体晶粒的长大而达到细化晶粒的目的，同时又可在焊接冷却过程中作为相变核心促进晶内形核铁素体的形成，使焊缝的韧性得到提升，但若Ti过量，由于在晶界上形成钛的氧化物和硫化物而引起钢的脆化，使焊缝抵抗开裂和裂纹扩展的能力下降，因此对于焊丝中Ti的含量要求在0.02-0.07。

9)B在焊接过程中与N、O都有很强的亲和力，可降低焊缝中的N含量，同时其可通过控制γ→α相变而使组织均匀化和细微化，可抑制引起氢脆的粗大的游离铁素体的析出，特别是与Ti共存时抑制效果最明显，但当B含量过高时，又会引起焊缝抗拉强度和伸长率下降，因此，对B的含量要求在0.005-0.01。

8)P和S作为杂质元素，直接对于焊缝的耐腐蚀有严重影响，其中，S通过对酸性环境下的腐蚀速率影响加剧焊缝的腐蚀敏感性，另外，其形成的不间断分布的硫化物夹杂物会诱发点蚀和应力腐蚀破裂而其含量增多又将会产生冷脆，恶化钢的韧性，所以将S含量控制在S<0.005％；；P由于磷化物存在，促使析氢腐蚀加剧，但在海洋环境中，磷又能改善钢的耐蚀性能，因此对P控制在0.012左右。

采用上述成分设计的焊丝，配合相应的碱性低氢型焊剂进行X70钢级海洋油气输送用管线钢焊接后，能有效地降低焊缝中有害杂质物含量，提高焊缝的强韧性，且保证焊缝不增硅、不回磷，硬度适中，很好的保证了焊缝在海洋环境中既 具有优越的力学性能，又有良好的抗腐蚀性能。同时，确保焊缝还具有良好工艺性。

结合管线钢埋弧焊接制管工艺，本发明有益的作用为：

1、本发明焊丝特意对原料中S含量进行了严格控制，其中，S含量控制在0.005％-0.008％。

2、采用本发明焊丝与相应的焊剂进行X70钢级海洋用管线钢海洋油气输送用管线钢钢管内外双面埋弧焊接后，焊缝不增硅、不回磷，内外焊缝硬度小于22HRC，焊缝纯净度较高，焊缝具有优越的CTOD性能，其中S杂质控制在0.006％-0.008％，P杂质控制在0.012％以下；

3、本焊丝匹配相应焊剂，焊缝工艺性能良好，熔敷金属R_t0.5＝480-660MPa，R_m≥400MPa，-20℃下冲击韧性A_kv≥100J，适应于强度级别为X70的海洋油气输送用管线钢海内外双面埋弧焊接，且具有较宽的焊接工艺参数适应范围；

4、采用本发明焊丝与相应的焊剂进行X70钢级海洋油气输送用管线钢内外双面埋弧焊接后，焊缝耐蚀性能良好，按照NACE标准进行对焊缝进行抗HIC和SSCC检测，HIC的裂纹敏感率、裂纹长度率、裂纹厚度率均为零；在A溶液中，试样加载90％σs，均未出现裂纹或断裂。

5、采用本发明焊丝与相应的焊剂进行X70钢级海洋油气输送用管线钢内外双面埋弧焊接后，焊缝具有优良的抗开裂和裂纹扩展的能力，按照《ASTM E1290-1999测量裂缝尖端开口位移(CTOD)裂缝韧性的试验方法》标准进行CTOD试验检测，检测结果符合标准要求。

具体实施方式：

下面对本发明做进一步详细描述：

实施例：

1)焊丝成分(wt％):C0.036，Mn1.2，Si0.19，Cr0.25，Ni0.28，Cu0.04，Ti0.07，B0.005，S0.005，P0.015,；

2)采用真空感应炉，需用P、S、C杂质含量低的原料，严格进行S、P含量控制的铁水，经脱氧合金化后，冶炼出符合成分要求的钢水，烧铸成连铸坯，经高速无扭轧机轧制成盘条，并对盘条经剥壳除锈—电解酸洗—硼化 处理—拉丝—脱脂—电解碱洗—电解酸洗—化学镀铜制成和成品焊丝。

2)本发明焊丝与BG-SJ101G4焊剂匹配进行熔敷金属焊接，按照《GB/T 12470-2003埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》标准要求，试板采用Q235，厚度为20mm，坡口角度30°，根部间隙为12mm。焊接规范为电流475A-575A，电压27V-30V，焊接速度25±1.5m/h；道间温度150±15℃，焊接后熔敷金属力学性能如表1所示，熔敷金属化学成分如表2所示。

表1 熔敷金属力学性能

3)本发明与BG-SJ101G₄焊剂匹配，焊接厚度为16.0mm X70海洋油气输送用管线钢C0.05，Si0.24，Mn1.51，P0.007，S0.001，Cu0.17，Ni0.19，Cr0.17，Mo0.19，Ti0.015，V0.012，Al0.035，B0.0002，其余为铁。工艺方式为接头形式X型，内坡口角度70°，外坡口角度80°，钝边大小8-9mm。焊接采用内焊四、外焊五丝工艺，焊接后焊缝成型良好，焊趾处过渡良好。焊接后焊缝力学性能结果见表3，CTOD检测结果见表4，焊缝HIC、SSCC性能检测结果见标表5、表6。

表3 X70焊接接头力学性能检测

表4 X70焊接接头CTOD性能检测结果 

表5 X70焊接接头HIC性能检测

表6 X70焊接接头SSCC性能检测(A溶液，加载90％σs)

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、 等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种适用于X70海洋油气输送管线钢埋弧焊接用焊丝，其特征在于，按照重量百分比，所述焊丝组成为：0.04≤C≤0.10；1.20≤Mn≤1.50；0.2≤Si≤0.4；0.2≤Ni≤0.4；0.2≤Cr≤0.5；0.03≤Cu≤0.5；0.02≤Ti≤0.07；0.005≤B≤0.01；P≤0.005；S≤0.003；其余为Fe。

2.如权利要求1所述适用于X70海洋油气输送管线钢埋弧焊接用焊丝，其特征在于，按照重量百分比，0.05≤Cu≤0.3。

3.如权利要求1所述适用于X70海洋油气输送管线钢埋弧焊接用焊丝，其特征在于，按照重量百分比，0.005≤S≤0.008，P≤0.012。

4.如权利要求1、2或3所述焊丝的用途，其特征在于：所述焊丝用于X70海洋油气输送管线钢埋弧焊接。