CN107138872B

CN107138872B - 提高碳钢焊接接头耐二氧化碳腐蚀的实芯焊丝及其应用

Info

Publication number: CN107138872B
Application number: CN201610114587.8A
Authority: CN
Inventors: 徐连勇; 路永新; 韩永典; 赵雷
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2016-03-01
Filing date: 2016-03-01
Publication date: 2019-04-30
Anticipated expiration: 2036-03-01
Also published as: CN107138872A

Abstract

本发明公开了一种能够提高碳钢焊接接头耐二氧化碳腐蚀的实芯焊丝及其应用，焊丝按照重量百分比包括金属镍粉0.3～0.6％，金属铬粉0.3～0.6％，金属铜粉0.2～0.4％，金属钼粉0.2～0.4％，金属锰粉0.8％～1.2％，硅粉0.2～0.4％，碳粉0.06～0.1％，磷和硫含量控制在0.015％以下，余量为铁粉。对比本发明的实芯焊丝与传统焊丝所得焊缝金属在含CO₂油田模拟水溶液中的腐蚀速率，发现本发明的实芯焊丝能显著提高焊接接头的耐腐蚀性能，延长了使用寿命。

Description

提高碳钢焊接接头耐二氧化碳腐蚀的实芯焊丝及其应用

技术领域

本发明涉及一种实芯焊丝，具体地说，是涉及对碳钢焊接接头耐CO₂腐蚀性能进行改善的实芯焊丝。

背景技术

在石油天然气管线建设中，焊接技术是一种常见的连接技术。然而，由于焊材和焊接热循环的作用，焊缝区金属的成分和组织与母材有着较大的差异，进而引起了焊缝区与母材腐蚀行为的不同。同时，焊接接头不同区域的电化学特征不同，这将导致接头不同区域间发生电偶腐蚀。在生产实践中，焊缝区往往作为电偶对中的阳极被优先腐蚀。据报道，与天然气相关的工业中有36％的腐蚀失效事故是源于焊缝区的点蚀或电偶腐蚀。因此，在设计输油气管道焊接结构时，以焊接接头在CO₂环境中的耐蚀性能作为整体接头的耐蚀性能，而不是母材的耐蚀性能。焊缝区的点蚀和电偶腐蚀对焊接接头的耐蚀性有着较大影响，容易造成整体结构的过早失效。因此改进焊材成分可消除焊缝区的点蚀，提高焊缝区的电极电位，也可以改善和提高焊接接头的耐蚀性能，具有极大的经济和社会效益。

目前工程应用中改善碳钢管线焊接接头耐CO₂腐蚀的方法多种多样，如生产制造过程中改进焊接工艺，管线使用过程中添加缓蚀剂等等。这些方法能部分地提高焊缝金属耐CO₂腐蚀性能，但并未从根本上解决问题。况且在管线使用过程中添加缓蚀剂，往往增加额外的经济成本。因此，针对提高碳钢焊接接头耐CO₂腐蚀性能，需要更加经济和有效的改善方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高碳钢焊接接头耐二氧化碳腐蚀的实芯焊丝及其应用，解决碳钢焊缝金属在CO₂油田模拟输出液中过早腐蚀失效的技术问题，使得碳钢焊缝处的耐蚀性改善,从而提高碳钢焊缝处的耐腐蚀性能。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

提高碳钢焊接接头耐二氧化碳腐蚀的实芯焊丝，按照重量百分比由如下组分组成：金属镍粉0.3～0.6％，金属铬粉0.3～0.6％，金属铜粉0.2～0.4％，金属钼粉0.2～0.4％，金属锰粉0.8％～1.2％，硅粉0.2～0.4％，碳粉0.06～0.1％，磷和硫的重量百分比控制在0.015％以下，余量为铁粉。

优选如下组分含量：金属镍粉0.4～0.5％，金属铬粉0.4～0.5％，金属铜粉0.3～0.4％，金属钼粉0.2～0.3％，金属锰粉1.0％～1.2％，硅粉0.2～0.3％，碳粉0.08～0.1％，磷和硫的重量百分比控制在0.015％以下，余量为铁粉。

在上述技术方案中，各个组分选择粉末进行混合和制备，目数为100—300目，纯度大于等于99.99％。

与现有技术相比，与传统的碳钢TIG焊打底焊丝所得焊接接头相比，本发明选用含合金元素的实芯焊丝所得焊接接头满足力学性能要求，且在腐蚀环境中的使用寿命大大延长，保证了管线的正常运行，极大地提高了其经济效益。

附图说明

图1是使用普通焊丝进行焊接后焊缝金属的金相组织照片。

图2是使用本发明焊丝进行焊接后焊缝金属的金相组织照片。

图3是使用本发明焊丝和普通焊丝进行拉伸性能对比图。

图4是本发明的焊丝和普通焊丝焊缝金属在90℃，0.1MPa CO₂分压下的开路电位对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。各个组分选用纯度大于等于99.99％，目数在200目的粉末进行混合制备，按照常规焊丝制备工艺进行即可，配方如下表所示(重量百分比)：

根据金属的电极电位顺序表可知，铜和镍的电极电位均高于铁，铬的电极电位低于铁。在铁基体中加入少量的铜和镍能提高其电极电位，达到提高耐蚀性的目的。而铁基体中加入少量铬，在发生腐蚀时，试样表面能迅速形成一层致密的腐蚀产物膜Cr(OH)₃。该腐蚀膜可以阻碍侵蚀性阴离子通过腐蚀膜而接触到金属基体，从而起到防腐的目的。铁基体中加入少量钼元素，以提高基体的耐磨性，同时起到防腐蚀的目的。本发明的实芯焊丝除常规的碳、硅、锰、磷和硫元素外，采用多种元素合金化，以Cr-Ni-Cu-Mo合金系作为实芯焊丝的合金系统。焊丝直径为2.4mm，用于填充焊丝的非熔化极TIG焊接。

将本发明制备的焊丝和普通焊丝JG-50(购自林肯电气(锦州)焊接材料有限公司)采用相同的焊接工艺进行对比，焊接母材为A106B碳钢，化学成分如下表所示：

焊接工艺如下表所示，将JG50替换为本发明的焊丝，进行TIG焊接：

焊接后的焊缝金属进行金相组织的形貌观察，与普通实芯焊丝焊缝金属金相组织中多边形铁素体相比，本发明焊丝焊缝金属中的有较多的针状铁素体和弥散分布的珠光体。

在室温20—25摄氏度下，利用INSTRON 5848微小力学实验机，以0.05mm/s的拉伸速率对本发明的焊丝和普通焊丝焊缝金属进行拉伸实验测试，应力应变曲线如图3所示，力学性能数值(平均值)如下表所示。

从上表可看出本发明的焊丝焊缝金属屈服强度和抗拉强度均高于普通焊丝焊缝金属，延伸率略有下降。

按照GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验法》和GB/T228-2002《金属材料室温拉伸标准》加工室温拉伸试样，采用圆棒试样。试验设备采用长春试验机研究所生产的的DDL-300拉伸试验机，加载位移速率1mm/min，屈服强度使用引伸计测定，试验精度为±0.5％。取三个平行试样进行试验，试验结果数据按照GB/T 228-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》的规定进行处理，结果如下表所示，断裂位置位于母材上，并不在焊缝处，说明焊接接头强度良好：

按照GB/T229-2007《金属夏比缺口冲击试验方法》和GB/T2650-2008《焊接接头冲击试验法》加工冲击试样，采用10×10×55mm的V型缺口标准试样。设备采用吴忠材料试验机有限公司生产的JBD-300B型冲击试验机，取三个试样进行试验，结果取其平均值，所得实验结果如下表所示。本发明的焊丝焊缝金属的冲击功和母材相当，比普通焊丝焊缝金属的低，本发明的焊丝所得接头热影响区的冲击功比母材高，而低于普通焊丝所得接头热影响区的冲击功，但利用本发明焊丝得到的焊缝和热影响区的冲击功明显高于母材，与上述拉伸试验结合，可以得到利用本发明焊丝得到的焊缝可有效配合母材的力学性能。

从焊缝金属中截取4×8×3mm的测试试样，测试前用SiC水砂纸逐级打磨至1000#，用蒸馏水清洗，酒精擦拭除油除水，吹干置于干燥箱备用。电化学测试采用GamryInterface 1000电化学工作站及三电极体系，参比电极为高温高压Ag/AgCl(1mol/L KCl)，辅助电极为铂电极，工作电极为试样。测试温度为90℃，0.1MPa CO₂分压。所有腐蚀实验介质均为模拟油田采出液，利用去离子水与分析纯试剂配制，各离子含量依次为Na⁺11193mg/L，K⁺548mg/L，Ca²⁺1001mg/L,Mg²⁺175.8mg/L,Fe²⁺35.3mg/L，Cl^-19747mg/L，SO₄ ^2-603mg/L，HCO^3-245mg/L。将工作电极置于测试溶液中，持续测试其自腐蚀电位1h,即为其开路电位，结果如图4所示，随后，以0.5mV/s的速度从相对于开路电位-300mV测试到+300mV得到极化曲线，极化曲线结果如下表所示。本发明的焊丝焊缝金属开路电位在-715mV左右，普通焊丝焊缝金属开路电位在-730mV左右，可见普通焊丝焊缝金属的开路电位更低，有更大的腐蚀热力学倾向，且本发明焊丝焊缝金属的腐蚀电流小于普通焊丝焊缝金属。

根据ASTM G31-2004《金属的实验室浸泡腐蚀标准》，对发明的焊丝和普通焊丝焊缝金属在90℃，0.1MPa CO₂分压，流速1m/s条件下(采用上述模拟油田采出液)进行7天浸泡实验。根据失重法计算腐蚀速率，取三个试样进行试验，结果取其平均值。所得实验结果如下表所示。试样的腐蚀速率越小，说明其耐蚀性越好。

试样	普通焊丝焊缝金属	发明焊丝焊缝金属
			腐蚀速率(mm/y)	0.09	0.04

根据Q/SY-TGRC《ERW钢管沟槽腐蚀实验室测试方法》，对发明的焊丝和普通焊丝所得焊接接头在90℃，0.1MPa CO₂分压条件下，用-550mV(vs.Ag/AgCl)恒电位极化144h。从焊接的钢管上沿长度方向取16×8×6mm的测试试样，焊缝平行于试样宽度，且位于试样长度的中心并横跨试样厚度。测试前将待测面用SiC水砂纸逐级打磨至1000#，用蒸馏水清洗，酒精擦拭除油除水，吹干置于干燥箱备用。测试溶液和电化学测试装置与开路电位、极化曲线的一致。取三个试样进行试验，结果取其平均值。所得实验结果如下表所示。试样的沟槽腐蚀系数越接近1，说明焊缝金属的耐蚀性越好。

试样	普通焊丝焊缝金属	发明焊丝焊缝金属
			沟槽腐蚀系数	1.25	1.06

由上述试验结果可知，使用本发明的焊丝进行焊接得到的焊接金属的耐腐蚀性强于普通焊丝，可以预见发明焊丝焊接接头在CO₂环境中长期服役时，焊缝金属和母材的腐蚀速率相当，呈现均匀腐蚀的形式。综上所述，利用本发明焊丝得到的焊缝金属的力学性能与普通焊丝相当，而发明焊丝焊缝金属的耐蚀性得到了较大的提高。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.提高碳钢焊接接头耐二氧化碳腐蚀的实芯焊丝，其特征在于，按照重量百分比由如下组分组成：金属镍粉0.3～0.6％，金属铬粉0.3～0.6％，金属铜粉0.2～0.4％，金属钼粉0.2～0.4％，金属锰粉0.8％～1.2％，硅粉0.2～0.4％，碳粉0.06～0.1％，磷和硫的重量百分比控制在0.015％以下，余量为铁粉。

2.根据权利要求1所述的提高碳钢焊接接头耐二氧化碳腐蚀的实芯焊丝，其特征在于，优选如下组分含量：金属镍粉0.4～0.5％，金属铬粉0.4～0.5％，金属铜粉0.3～0.4％，金属钼粉0.2～0.3％，金属锰粉1.0％～1.2％，硅粉0.2～0.3％，碳粉0.08～0.1％，磷和硫的重量百分比控制在0.015％以下，余量为铁粉。

3.根据权利要求1或者2所述的提高碳钢焊接接头耐二氧化碳腐蚀的实芯焊丝，其特征在于，各个组分选择粉末，目数为100—300目，纯度大于等于99.99％。

4.如权利要求1或者2所述的实芯焊丝在提高碳钢焊接接头耐二氧化碳腐蚀性能中的应用。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述碳钢为A106B碳钢。