CN104588914B

CN104588914B - 一种热煨弯管专用埋弧焊丝及焊接方法

Info

Publication number: CN104588914B
Application number: CN201410680460.3A
Authority: CN
Inventors: 张宇; 董利明; 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: 2014-11-24
Filing date: 2014-11-24
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2034-11-24
Also published as: CN104588914A

Abstract

本发明涉及一种热煨弯管专用埋弧焊丝及焊接方法，按质量百分比组成包括：C≤0.05％，Si<0.1％，Mn 1.0～1.45％，S≤0.01％，P≤0.01％，Ni 0.55～0.7％，Mo 0.2～0.5％，Cu 0.15～0.35％，Ti和Zr中的一种或以上，Ti+Zr含量为0.05～0.10％，其余为Fe及杂质元素。本焊丝搭配碱度1.5～1.8的烧结焊剂，在焊接速度1.8～2.2m/min，热输入45～76kJ/cm条件下制管、经热煨弯制制得弯管，其焊缝金属抗拉强度650～760MPa，‑40℃冲击功≥100J，满足相关标准对输油气管道建设的技术标准要求。

Description

一种热煨弯管专用埋弧焊丝及焊接方法

技术领域

本发明属于焊接材料领域，尤其涉及一种热煨弯管专用埋弧焊丝及焊接方法。

背景技术

经济和社会的高速发展带动了石油和天然气的需求持续增长，进而带动了输油气管道建设的热潮。长输油气管道网络包括干线和支线，要通过许多地形复杂、气候条件恶劣的地区，因此，建设中需要大量的弯管，其作用是根据需要改变管道的方向。同时，还具有缓冲管线所在地域的地层迁移、地震及外界环境温度变化等因素的有害作用。

干线和支线管道通常为直管，采用埋弧焊接制管工艺；而热煨弯管普遍采用直管为母管，经过在线感应加热装置将母管加热到高温、同时进行弯曲煨制；然后通过在线喷水进行水淬，最后进行中温回火处理以调解钢管的强度和低温冲击韧性。

钢管经弯制变形、水淬和中温回火后，其原始针状铁素体组织遭到破坏，焊缝中出现了大量的上贝氏体和岛链状马奥岛组织，导致低温韧性恶化。焊缝金属已成为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，因此市场亟需能够确保热煨弯管焊缝金属高韧性的焊接材料。

2013年7月10日公开的专利公开号为103192198A的专利公开了一种X90/100钢级弯管用埋弧焊丝，但针对X80级别和K65(俄罗斯牌号，强度相当于X80级别，但要求-40℃冲击功)，采用上述焊丝生产的弯管常常超出到强度范围，而且低温韧性不能满足API标准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热煨弯管专用埋弧焊丝及焊接方法，使用该焊丝匹配碱度1.5～1.8的烧结焊剂，在焊接速度为1.8～2.2m/min，热输入为45～76kJ/cm条件下焊制的母管，再经历中频加热、弯曲煨制、水淬和中温回火后，焊接接头的焊缝金属的抗拉强度≥650MPa，-40℃的冲击韧性≥100J，能够满足API的技术要求。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种热煨弯管专用埋弧焊丝，其特征在于，按质量百分比组成包括：C≤0.05％，Si<0.1％，Mn 1.0～1.45％，S≤0.01％，P≤0.01％，Ni 0.55～0.70％，Mo0.2～0.5％，Cu0.15～0.35％，Ti和Zr中的一种或以上，Ti+Zr含量为0.05～0.10％，其余为Fe及杂质元素。

所述热煨弯管专用埋弧焊丝经冶炼并制成坯料，然后经线材轧制机组制成盘条；盘条经剥壳、酸洗、拉拔、镀铜制成直径为2.0～6.0mm成品焊丝。

所述热煨弯管专用焊丝匹配碱度为1.5～1.8的烧结焊剂，在焊接速度1.8～2.2m/min，热输入45～76kJ/cm条件下焊接制管，制得的母管经热煨弯制和热处理后，可制得成品热煨弯管。热煨弯管的焊缝金属抗拉强度为650～760MPa，-40℃冲击功≥100J。

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含量会恶化焊接性，增加冷裂倾向，所以C含量也不宜过高；恶化焊缝金属冲击韧性的上贝氏体和马奥岛组织都与局部较高的C含量有关，因此应限定其含量在0.05％以下，从而减少局部偏析和富集。

Si：一方面是焊缝金属中的脱氧元素，另一方面通过固溶强化能够有效提高焊缝金属的强度。但在本发明中，由于Si容易促进C的富集，从而有利于焊缝金属在相转变过程中上贝氏体和马奥岛的生成、从而恶化冲击韧性，因此限定其含量小于0.1％。

此外，Si含量的降低也进一步减少了采用常规含B焊丝制得的焊缝金属在热煨弯制过程中的脆性组织的生成，从而提高了焊缝金属的冲击韧性。

Mn：在焊缝中是有效的强度增加元素和脱氧元素。但过高的Mn含量会使焊缝韧性降低，并增加焊缝的裂纹敏感性，因此优选Mn含量为1.0～1.45％。

Ni：主要是利用其韧化铁素体基体原理来提高焊缝金属的冲击韧性，在1％含量以下可韧化铁素体基体；但过高的Ni含量会降低焊缝金属的流动性，对焊缝成形不利，也易造成焊缝夹渣及气孔等缺陷，尤其是本发明中的Si含量很低。综上，控制其含量为0.55～0.70％。

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；此外，管道的多丝埋弧制管的焊接热输入量较高，Mo的添加可有效抵抗热输入量提高带给焊缝的韧性恶化副作用，因此控制其含量为0.2～0.5％。

Cu：可通过纳米相析出，在不损坏低温冲击韧性的前提下来提高焊缝金属强度。在普通焊态焊接接头焊缝金属中，Cu的添加对于强度和韧性的作用不明显，因为在快速的加热和冷却过程中，来不及析出；而在热煨弯管的热处理过程中，具有足够的热力学和动力学条件析出，其析出强化效果与其含量，热处理制度有关。此外，与Mo复合添加，可防止析出相粗化，从而保证其强化效果，考虑到Mo的含量，优选Cu含量为0.15～0.35％。

Ti：是本发明中的重要元素，该元素是强脱氧剂、脱氮剂，适量Ti的加入能在焊缝中形成细小难溶且弥散分布的氧化物质点，促进针状铁素体形核，细化焊缝组织，有效增加焊缝的强度及韧性。

有数据表明，当其含量超过0.05％后，其形成的氧化物类、氮化物类粒子的体积密度会大幅提升，同时粒子较小、不容易聚集长大；这些呈致密分布、小尺寸的高熔点粒子的存在，一方面促进了母管焊缝中针状铁素体生成、同时也抑制了侧板铁素体和晶界铁素体的生成；另一方面也抑制了母管焊缝金属在中频加热弯制过程中的奥氏体长大。上述两方面共同作用，则抑制了焊缝金属在中温回火过程中大块状贝氏体类或马氏体类组织的生成，从而提高了成品热煨弯管的焊缝金属的低温韧性。

此外TiN的析出还减少了焊缝金属中的自由氮含量，降低了其对低温韧性的不利影响。过高的Ti含量会导致焊缝韧性恶化。

Zr：与Ti同属强脱氧剂，但由于其密度高于Ti，因此其脱氧产生的氧化物离子易于在焊缝金属中均匀分布，从而提高组织和性能均匀性。此外，两者复合添加效果更好，因此控制钢中含有Ti和Zr的一种或以上，Ti+Zr含量为0.05～0.10％。

S，P对焊缝的低温韧性不利，应作为杂质元素应控制在合理范围，本发明中，控制其含量S≤0.01％，P≤0.01％。

本发明中对匹配焊剂的碱度做出要求，主要是基于焊缝成型和质量的内在要求；同时也考虑到其对焊缝金属氧含量、夹杂物的影响，因此将焊剂的碱度范围设置为1.5～1.8。

本发明的有益效果：

1.提供了K65钢级热煨弯管专用埋弧焊丝，解决了该等级弯管无专门焊丝的空白，有望解决该类焊管合格率低、韧性指标偏低的行业难题。

2.本发明焊丝采用超低Si中Mn的Ni-Mo-Cu设计，克服了传统高Mn的Ni-Mo或Ni-Mo-Cr系焊丝制得的热煨弯管焊缝金属经热处理后产生链状硬相组织从而恶化低温冲击韧性的缺点；采用MoCu复合添加，利用Cu的纳米相析出来强化焊缝金属，同时消除了链状硬相组织生成，从而提高了热煨弯管焊缝的低温韧性。

3.采用本发明焊丝、搭配碱度1.5～1.8焊剂，在焊接速度1.8～2.2m/min，焊接输入量45～76kJ/cm条件下，以及热煨弯制和热处理后，可制得成品热煨弯管，其焊缝金属抗拉强度650～760MPa，-40℃冲击功≥100J。

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。

所述热煨弯管专用埋弧焊丝的生产方法，采用真空感应炉进行冶炼、将冶炼钢坯放入加热炉、然后经高速无扭转轧机轧制成盘条；

盘条经剥壳、酸洗、拉拔、镀铜制成直径为2.0～6.0mm成品焊丝。

实施例1：

采用上述方法制得直径分别为4mm和3mm埋弧焊丝，以重量百分比为计的化学成分为：0.04％C，0.06％Si，1.21％Mn，0.55％Ni，0.46％Mo，0.004％S，0.007％P，0.25％Cu，0.08％Ti，其余为Fe及杂质元素。

本焊丝搭配碱度为1.65的烧结焊剂，对18.6mm厚K65钢级进行双面埋弧焊接，正反面均为三丝焊，各焊一道，焊接速度为2.2m/min，焊接热输入为45kJ/cm，制成直径为1219mm，壁厚为18.6mm的钢管。焊后经无损检验和组织观察未发现裂纹、未熔合等缺陷。

利用在线中频加热装备将母管加热、弯制；然后进行水淬，回火处理，即制得热煨弯管。经检测，焊缝金属的抗拉强度为665MPa，-40℃冲击功112J。

实施例2：

采用上述方法制得直径为4mm埋弧焊丝，以重量百分比为计的化学成分为：0.03％C，0.07％Si，1.43％Mn，0.65％Ni，0.30％Mo，0.004％S，0.007％P，0.32％Cu，0.04％Ti，0.05％Zr，其余为Fe及杂质元素。

本焊丝搭配碱度为1.54的烧结焊剂，对21mm厚K65钢级进行双面埋弧焊接，正反面均为四丝焊，各焊一道，焊接速度为2.0m/min，焊接热输入为66kJ/cm制成直径为1219mm，壁厚为21mm的钢管。焊后经无损检验和组织观察未发现裂纹、未熔合等缺陷。

利用在线中频加热装备将母管加热、弯制；然后进行水淬，回火处理，即制得热煨弯管。经检测，焊缝金属的抗拉强度为695MPa，-40℃冲击功108J。

实施例3：

采用上述方法制得直径为4mm埋弧焊丝，以重量百分比为计的化学成分为：0.02％C，0.05％Si，1.38％Mn，0.70％Ni，0.33％Mo，0.004％S，0.007％P，0.22％Cu，0.08％Zr，其余为Fe及杂质元素。

本焊丝搭配碱度为1.72的烧结焊剂，对21mm厚K65钢级进行双面埋弧焊接，正反面均为四丝焊，各焊一道，焊接速度为1.8m/min，焊接热输入为76kJ/cm制成直径为1420mm，壁厚为21mm的钢管。焊后经无损检验和组织观察未发现裂纹、未熔合等缺陷。

利用在线中频加热装备将母管加热、弯制；然后进行水淬，回火处理，即制得热煨弯管。经检测，焊缝金属的抗拉强度为686MPa，-40℃冲击功124J。

实施例4：

采用上述方法制得直径为4mm埋弧焊丝，以重量百分比为计的化学成分为：0.02％C，0.03％Si，1.40％Mn，0.55％Ni，0.20％Mo，0.004％S，0.007％P，0.22％Cu，0.06％Zr，其余为Fe及杂质元素。

本焊丝搭配碱度为1.8的烧结焊剂，对21mm厚K65钢级进行双面埋弧焊接，正反面均为四丝焊，各焊一道，焊接速度为2.1m/min，焊接热输入为70kJ/cm制成直径为1420mm，壁厚为21mm的钢管。焊后经无损检验和组织观察未发现裂纹、未熔合等缺陷。

利用在线中频加热装备将母管加热、弯制；然后进行水淬，回火处理，即制得热煨弯管。经检测，焊缝金属的抗拉强度为680MPa，-40℃冲击功118J。

通过上述实施例可知，本发明热煨弯管专用埋弧焊丝，搭配碱度1.5～1.8烧结焊剂，在焊接速度1.8～2.2m/min下，可用于输油气管道用K65钢极热煨弯管的加工制造，其焊缝金属抗拉强度650～760MPa，-40℃冲击功≥100J。

Claims

1.一种热煨弯管专用埋弧焊丝，其特征在于，按质量百分比组成包括：C≤0.05％，Si<0.1％，Mn 1.0～1.45％，S≤0.01％，P≤0.01％，Ni 0.55～0.70％，Mo 0.2～0.5％，Cu0.15～0.35％，Ti和Zr中的一种或以上，Ti+Zr含量为0.05～0.10％，其余为Fe及杂质元素。

2.根据权利要求1所述的热煨弯管专用埋弧焊丝的焊接方法，其特征在于，匹配的烧结焊剂碱度为1.5～1.8，以1.8～2.2m/min的焊接速度焊接制管，焊接热输入为45～76kJ/cm，焊好的母管经热煨弯制和热处理后，制得成品热煨弯管。

3.根据权利要求2所述的热煨弯管专用埋弧焊丝的焊接方法，其特征在于，热煨弯管的焊缝金属抗拉强度为650～760MPa，-40℃冲击功≥100J。