CN107553003A - 一种低温服役环境x90钢级弯管、管件用埋弧焊丝 - Google Patents

Abstract

为了解决现有埋弧焊丝焊接的X90钢级弯管、管件的焊缝处的强度和低温韧性无法满足使用要求的问题，本发明提供了一种低温服役环境X90钢级弯管、管件用埋弧焊丝，其化学成分按重量百分比为：C 0.04‑0.09，Mn1.4‑1.9，Si 0.05‑0.3，Cr≤0.4，Mo 0.3‑0.65，Ni 2.5‑3.5，Nb0.035‑0.065，Ti 0.06‑0.12，V 0.008‑0.016，S≤0.01，P≤0.01，余量为Fe和不可避免的杂质。用本发明焊接的弯管、管件其焊缝处的最低服役温度可降低至‑45℃。

Description

一种低温服役环境X90钢级弯管、管件用埋弧焊丝

技术领域

本发明涉及一种低温服役环境X90钢级弯管、管件用埋弧焊丝。

背景技术

随着全世界能源的需求不断增加，近年来新发现的油气田大都在偏远地区和地理、气候条件恶劣的地带，与此相配套的管道多在气候恶劣、人烟稀少和地质地貌条件极其复杂的地区建设，如美国横穿阿拉斯加的管道，途经冰冻地区，气温低达-70℃；位于俄罗斯西西伯利亚的管道，沿线积雪厚度70～90cm，气温低达-63℃；墨西哥湾北部海域管道最低服役温度为-40℃；我国西气东输管道高寒地区站场环境温度一般达到-30～-40℃，西气东输二线西段、中俄东线等管道工程还面临多年冻土等特殊地区及-45℃以下的严苛气候条件。目前，我国高钢级弯管、管件(三通、弯头、异径管等)只能满足-30℃以上的使用工况。因此，当使用温度低于-30℃时，西二线建设采取了保温伴热措施，解决了工程急需，但长输管道存在极端低温工况的站场阀室多位于交通不便、无人看守的高海拔地区，而伴热保温方法需要较高频次的人工日常维护，且可靠性较差。

随着管道服役温度的降低,管线钢的韧性明显下降,材料由韧性状态变为脆性状态。为满足在这种低温条件下的安全服役,管线钢必须有大的韧性储备。弯管、管件是长距离输送油气管线重要的组成部分，因此开发低温服役环境高钢级弯管、管件制造用埋弧焊丝尤为重要。

高钢级弯管、管件的生产不同于直管，需要通过热加工成形。此外，为了恢复母管的力学性能，保证管件的整体性能，成形完成后需要进行热处理(一般进行淬火+回火)。所以，弯管、管件焊缝往往在热处理态使用，而直管焊缝在焊态使用。目前，高管线钢焊接用埋弧焊丝比较多，如中国专利号为ZL01106520.6、ZL200410073353.0、ZL200510018993.6、ZL200610124514.3、ZL200610145593.6的专利等。采用以上焊丝焊接的焊缝，具有良好的焊态强韧性，完全能够达到直管的性能要求。但是，采用以上焊丝焊接完成的焊缝不适合进行焊后热加工。关于高钢级弯管、管件埋弧焊丝的专利较少，其中专利ZL200910242734.X是关于X80管件用埋弧焊丝，用来焊接X90管件时焊缝处的强度和低温韧性无法满足要求。研究表明，进一步提高管线钢级是实现超大输量天然气输送的主要途径之一，钢级的增加具有提高输送压力、减小管材壁厚等优势。目前关于X90弯管、管件用埋弧焊丝的专利未见报道，试验研究及生产实践表明，采用现有的埋弧焊丝焊接的X90钢级弯管、管件母管，成品弯管、管件的焊缝处的强度和低温韧性无法满足使用要求。

发明内容

为了解决现有埋弧焊丝焊接的X90钢级弯管、管件的焊缝处的强度和低温韧性无法满足使用要求的问题，本发明提供了一种低温服役环境X90钢级弯管、管件用埋弧焊丝。

本发明的技术解决方案是：

一种低温服役环境X90钢级弯管、管件用埋弧焊丝，其特殊之处在于，所述埋弧焊丝的化学成分按重量百分比为：C 0.04-0.09，Mn 1.4-1.90，Si 0.05-0.3，Cr≤0.4，Mo0.3-0.65，Ni 2.5-3.5，Nb 0.035-0.065，Ti 0.06-0.12，V 0.008-0.016，S≤0.01，P≤0.01，余量为Fe和不可避免的杂质。

优选地，上述埋弧焊丝的主要化学成分按重量百分比为：C 0.085，Mn 1.72，Si0.21，Cr 0.31，Mo 0.39，Ni 3.3，Nb 0.04，Ti 0.1，V 0.01，S 0.004，P 0.0093。

进一步地，上述埋弧焊丝配合使用的焊剂为CHF606。

以下对埋弧焊丝中各种合金元素的作用进行介绍：

C元素：C是焊缝中最重要的合金元素，C扩大γ相区。由于C对钢的淬硬性有很大影响，为了防止氢致裂纹和焊缝发生脆性断裂，焊缝中C含量通常保持很低的水平。当钢中的C含量接近零时,钢的连续冷却转变曲线中的贝氏体鼻子就会左移,在很宽范围的冷却速率下形成贝氏体组织。焊缝金属的硬度、屈服强度、抗拉强度均随C含量的增加而提高,但焊缝的冲击韧性随C含量的增加而降低,这是因为C为间隙固溶强化元素,引起基体点阵的强烈的显著畸变,致使基体微裂纹易于产生和扩展,因而将使焊缝金属的冲击功大大下降低，由此可见，C的控制要适当。所以，本焊丝中含碳量控制范围为0.04-0.09％。

Mn元素：Mn是奥氏体稳定化元素，能显著降低奥氏体向铁素体转变的相变温度。Mn的主要作用是增加过冷奥氏体的稳定性，使奥氏体相变移向较低的温度，共析反应在较低的碳浓度下进行，抑制在较高温度下向多边形铁素体和侧板条铁素体相变。焊缝中Mn的含量对焊缝金属的力学性能有很大的影响：随着Mn含量的增加，焊缝金属的屈服强度和拉伸强度呈线性增加，每增加0.01％(质量分数)Mn可使焊缝的屈服强度及拉伸强度增加10MPa；Mn虽然不能提高钢的室温冲击韧性，但却能显著降低脆性转变温度。但Mn含量过多时，易于在晶界偏析，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，本发明的焊丝中锰元素含量控制在1.4-1.9％。

Si元素：Si是缩小γ相区的元素，也即是α铁素体稳定元素。Si对焊缝组织和性能的影响，主要是在焊缝金属中起脱氧作用而体现出来的，尤其当Mn、Si同时存在时，对焊缝金属组织和性能都有重大的影响: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Si能显著提高珠光体相变温度，在较高的温度下形成较为粗大的碳化物，这样就促使多边形铁素体的析出，对韧性不利，因此焊缝中应控制Si的含量，本焊丝中Si含量控制在0.05-0.3％。

Cr元素：Cr是扩大γ相区的元素，降低γ→α相变临界温度，使奥氏体转变在较低的温度下进行。焊缝金属的硬度随Cr含量的增加而渐增，在低Mn含量时基本上呈线性增加，但在高Mn含量时则呈非线性。Cr对焊缝强度的影响与Mn相似，随着Cr含量的增加，焊缝金属强度增大，只是Cr的作用较Mn弱，但经研究发现Cr含量超过0.5％时，随Cr含量的增加，生成带第二相的SF而使焊缝的韧性受到不利的影响，因此对于韧性要求较高的管线钢焊缝，Cr的添加应慎重，本发明的焊丝中Cr含量控制在0-0.4％。

Mo元素：Mo是强碳化物形成元素，具有明显的沉淀强化作用。当其含量较低时，可与碳形成复合渗碳体，含量较高时，则形成特殊的碳化物。钼元素的熔点是2610℃，所以在高温情况下钼就可以和碳形成渗碳体，该碳化物作为高温质点存在于液相中，可提高金属材料的形核率，从而起到细化晶粒的作用，使得焊缝的强度提高。钼元素不仅能显著提高钢的淬硬性，而且在回火时有二次硬化的作用。所以在进行多道焊接过程中，由于焊接热循环的作用，极易造成焊缝脆化，使其低温冲击韧性急剧下降，因此本焊丝中Mo含量控制在0.3-0.65％。

Ni元素：Ni使γ区扩展，与γ-Fe形成无限固溶体，与α-Fe形成有限固溶体。镍元素不与碳形成化合物，是形成和稳定奥氏体的重要合金元素；Ni的加入由于减小了奥氏体与铁素体的自由能差，使得γ→α的转变温度明显降低，对贝氏体转变有较大的推迟作用。在焊缝金属中Ni作为强化组元，通过晶粒细化和固溶强化获得强化效果。Ni也是最好的韧化组元，作为合金元素能够显著改善焊缝金属的低温韧性。为了发挥Ni的有利作用，在增加其含量的同时，应该降低碳含量和严格限制S、P含量。为了获得高的强度和低温韧性，本焊丝中Ni含量控制在2.5-3.5％。

Nb、Ti、V元素：作为微合金元素，通过细化晶粒，改变相变动力学和溶质原子过饱和状态的脱溶以弥补降碳所损失的强度。Nb、Ti、V也是强碳、氮化物形成元素，而且碳、氮化物的沉淀硬化容易造成韧脆转变温度的升高。Ti是焊缝金属中最重要的微合金元素，其化学性质十分活泼，在焊缝中与O有很高的亲和力，形成高熔点的Ti2O3(≥1400℃)，能够强烈促进铁素体的形核。Ti能够与氮元素生成高温下(＞1350℃)不易溶解的TiN颗粒相，能够限制奥氏体晶粒的长大，促进针状铁素体形核，具有改善焊缝金属强韧性的作用。

S、P元素：S、P是必须严格限制的杂质元素，尽量降低其含量有利于焊接性和韧性的改善，现代冶炼技术已经能够将其控制较低的水平，本焊丝中S≤0.01％，P≤0.01％。

本发明的有益效果：

1.本发明是针对更高一级(X90)钢级的弯管、管件专用埋弧焊丝；用本发明焊接的弯管、管件其焊缝处的最低服役温度可降低至-45℃，因此在一些极低温环境中弯管、管件可以不采用保温伴热措施，从而降低运营成本。

2.本发明Mn含量较高，控制在1.4％以上可以保证焊丝的力学性能达到X90级别强度，控制在1.9％以内能够防止过量的Mn元素在晶界偏析而导致残余奥氏体、马氏体等组织产生而降低焊缝的韧性；本发明Cr含量值在0.4％以下可以提高焊缝强度；本发明中Ni含量较高，为2.5-3.5％，能够显著改善焊缝金属的低温韧性和淬透性。为了充分发挥Ni的有利作用，本发明在增加Ni含量的同时，降低了碳含量并严格限制S、P含量。

3.利用本发明的焊丝焊接的焊缝，特别适合X90感应加热弯管、管件的热加工；通过焊后热处理，焊缝除了具有高强度，还有良好的低温韧性；焊后890℃～930℃水淬，600℃～700℃空气回火后，焊缝可以获得最佳的强韧性配合，焊缝抗拉强度达到≥695Mpa，焊缝-45℃冲击功平均值AKV≥75J，完全能够满足X90弯管、管件对焊缝的韧性要求。

4.利用本发明的焊丝焊接的焊缝，其焊缝的焊后热处理规范与X90管件钢热处理规范要求一致。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行进一步详述：

根据本发明化学成分范围，采用电炉冶炼焊丝钢，冶炼后通过拉拔镀铜工艺制成Φ4mm的埋弧焊丝。表1为成品埋弧焊丝的化学成分；本发明的埋弧焊丝与CHF606焊剂配合使用，焊丝1-4分别对应的熔敷金属主要化学成分、力学性能分别如表2、表3所示。

表1埋弧焊丝主要化学成分(wt％)

序号	焊丝1	焊丝2	焊丝3	焊丝4
					C	0.085	0.04	0.09	0.06
Mn	1.72	1.9	1.4	1.7
					Si	0.21	0.05	0.3	0.15
Cr	0.31	0.20	0.4	0
					Mo	0.39	0.3	0.65	0.5
Ni	3.3	2.5	3.5	2.8
					Nb	0.04	0.035	0.065	0.05
Ti	0.1	0.06	0.12	0.09
					V	0.01	0.008	0.016	0.012
S	0.004	0.01	0	0.006
					P	0.0093	0	0.01	0.005

表2熔敷金属主要化学成分(wt％)

序号	C	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	P	S	Cu	V
											1	0.056	0.28	1.45	0.22	0.35	3.23	0.0053	0.014	0.18	0.0073
2	0.046	0.18	1.75	0.18	0.30	2.83	0.0013	0.017	0.20	0.0070
											3	0.060	0.28	1.45	0.30	0.45	3.56	0.0050	0.005	0.16	0.0068
4	0.044	0.28	1.80	0.02	0.33	3.00	0.0048	0.016	0.22	0.0073

表3熔敷金属力学性能

实施例1：

使用上述焊丝1与CHF606焊剂配合使用，焊接生产X90感应加热弯管。弯管厚度26.4mm，采用角度为60°的X型坡口。焊接线能量为35KJ/cm。焊后热处理工艺：热煨制温度为950℃，淬火方式为快速水冷，煨制完成后再进行600℃×1.5h空气回火。焊接接头的力学性能如表4所述。

表4 X90感应加热弯管焊接接头力学性能

实施例2：

使用上述焊丝1与CHF606焊剂配合使用，焊接生产X90热挤压三通。三通厚度52mm，采用角度为60°的X型坡口。焊接线能量为32KJ/cm。焊后热处理工艺：930℃盐水淬火，再进行650℃×1.5h空气回火。焊接接头的力学性能如表5所述。

表5 X90热加工三通焊接接头力学性能

实施例3：

使用上述焊丝2与CHF606焊剂配合使用，焊接生产X90感应加热弯管。弯管厚度26.4mm，采用角度为60°的X型坡口。焊接线能量为35KJ/cm。焊后热处理工艺：热煨制温度为950℃，淬火方式为快速水冷，煨制完成后再进行600℃×1.5h空气回火。焊接接头的力学性能如表6所述。

表6 X90感应加热弯管焊接接头力学性能

实施例4：

使用上述焊丝2与CHF606焊剂配合使用，焊接生产X90热挤压三通。三通厚度52mm，采用角度为60°的X型坡口。焊接线能量为32KJ/cm。焊后热处理工艺：930℃盐水淬火，再进行650℃×1.5h空气回火。焊接接头的力学性能如表7所述。

表7 X90热加工三通焊接接头力学性能

实施例5：

使用上述焊丝3与CHF606焊剂配合使用，焊接生产X90感应加热弯管。弯管厚度26.4mm，采用角度为60°的X型坡口。焊接线能量为35KJ/cm。焊后热处理工艺：热煨制温度为950℃，淬火方式为快速水冷，煨制完成后再进行600℃×1.5h空气回火。焊接接头的力学性能如表8所述。

表8 X90感应加热弯管焊接接头力学性能

实施例6：

使用上述焊丝3与CHF606焊剂配合使用，焊接生产X90热挤压三通。三通厚度60mm，采用角度为60°的X型坡口。焊接线能量为32KJ/cm。焊后热处理工艺：930℃盐水淬火，再进行650℃×1.5h空气回火。焊接接头的力学性能如表9所述。

表9 X90热加工三通焊接接头力学性能

实施例7：

使用上述焊丝4与CHF606焊剂配合使用，焊接生产X90感应加热弯管。弯管厚度26.4mm，采用角度为60°的X型坡口。焊接线能量为35KJ/cm。焊后热处理工艺：热煨制温度为950℃，淬火方式为快速水冷，煨制完成后再进行600℃×1.5h空气回火。焊接接头的力学性能如表10所述。

表10 X90感应加热弯管焊接接头力学性能

实施例8：

使用上述焊丝4与CHF606焊剂配合使用，焊接生产X90热挤压三通。三通厚度52mm，采用角度为60°的X型坡口。焊接线能量为32KJ/cm。焊后热处理工艺：930℃盐水淬火，再进行650℃×1.5h空气回火。焊接接头的力学性能如表11所述。

表11 X90热加工三通焊接接头力学性能

从上述实施例1-8的焊接接头力学性能数值可以看出，利用本发明的焊丝焊接的焊缝，通过憨厚热处理，焊缝除了具有高强度，还有良好的低温韧性；焊后930℃盐水淬火，再进行650℃×1.5h空气回火，焊缝抗拉强度可达到大于等于695Mpa，焊缝-45℃冲击功平均值AKV≥75J，完全能够满足X90弯管、管件对焊缝的韧性要求。

Claims (3)

1.一种低温服役环境X90钢级弯管、管件用埋弧焊丝，其特征在于，所述埋弧焊丝的化学成分按重量百分比为：C 0.04-0.09，Mn 1.4-1.9，Si0.05-0.3，Cr≤0.4，Mo 0.3-0.65，Ni2.5-3.5，Nb 0.035-0.065，Ti 0.06-0.12，V 0.008-0.016，S≤0.01，P≤0.01，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的低温服役环境X90钢级弯管、管件用埋弧焊丝，其特征在于：所述埋弧焊丝的主要化学成分按重量百分比为：C 0.085，Mn 1.72，Si 0.21，Cr 0.31，Mo0.39，Ni 3.3，Nb 0.04，Ti 0.1，V 0.01，S 0.004，P 0.0093。

3.根据权利要求1或2所述的低温服役环境X90钢级弯管、管件用埋弧焊丝，其特征在于：所述埋弧焊丝配合使用的焊剂为CHF606。