CN110524135A - 低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条及制备方法 - Google Patents

低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条，由低硫磷焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮药粉组成，该药皮药粉组成和含量为：碳酸盐40～44质量份、氟化物15～18质量份、金红石4～7.5质量份、二氧化硅6～8质量份、电解锰3～6质量份、硅铁8～11质量份、铁粉8～10质量份、纯碱0.5‑1.0质量份、海藻酸钠0.5～1.0质量份、石墨0.10～0.15质量份。与现有的相比，本发明焊条电弧稳定，飞溅小，脱渣好，成型美观，全位置操作性能好。

Description

低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条及制备方法
技术领域
本发明涉及焊接材料领域，特别涉及一种低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用 钢焊条及其制备方法。
背景技术
在我国酸性油气田的钻探开发初期，湿硫化氢环境中的油套管，集输管线 和设备的破裂，井口装置失灵，这些硫化物应力开裂的突发性事故，造成了巨 大损失。即使是H2S含量非常低的条件下，只要有水，也会使金属材料产生突 然的硫化物应力开裂。石油，天然气等资源以及一些化工产品的储存和运输中 因氢致腐蚀(HIC)、硫化物应力腐蚀(SSC)而产生的问题越来越受到重视， 对相应的材料的要求也越来越高。大量的研究和实践表明，HIC作为一组平行 于轧制面的面缺陷存在于钢中，对钢材的常规强度指标影响不大，但使钢材的 脆性倾向增大，对H2S环境断裂而言，具有决定意义的是材料的SSC敏感性。 但对于SSC敏感钢构件，HIC往往是SSC的起裂源。
随着我国经济的快速发展，对石油天然气等资源的需求正持续快速的增 长。油气资源的运输、储存及石油化工产品的加工等对所使用的材料提出了越 来越高的要求。抗氢诱发裂纹用钢Q345R(HIC)被较多的用于石油储运管道、 球罐，高压分离器，循环氢分液罐等压力容器。伴随石油、天然气、化工等行 业储运和运输管道、设备的制造数量增大，抗氢钢焊接材料的用量势必进一步 扩大，根据国家石化行业规划中装备由大变强的国产化项目，到2015年，全 国平均炼油能力提高到600万吨/年，形成若干个2000万吨/年的大型炼油基地， 且基本实现国产化的目标；以及国家能源安全考虑的油气储备工程，氢致裂纹(HIC)、硫化物应力腐蚀(SSC)用钢焊接材料的市场需求预计达到20-30 万吨/年左右。
虽然CN102528310A专利中，熔敷金属力学性能满足该专利要求，但其配 方中加入钼铁，其熔敷金属脆性增大，脆性转变温度会升高，不利于稳定的低 温冲击韧性；而CN201210547546的专利中，虽然都是抗HIC、SSC用钢焊条， 但其熔敷金属抗拉强度小于500MPa，使用的强度级别范围不一样，达不到本 专利要求。所以，本专利的申请具有创新性，现有专利中，不存在与之一致的 相关专利，配方具有独特性。
发明内容
本发明的目的之一就在于提供一种低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊 条，该焊条电弧稳定，飞溅小，脱渣好，成型美观，全位置操作性能好。
技术方案是：一种低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条及制备方法， 由低硫磷焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮药粉组成，该药皮药粉组成和含量为： 碳酸盐40～44质量份、氟化物15～18质量份、金红石4～7.5质量份、二氧化 硅6～8质量份、电解锰3～6质量份、硅铁8～11质量份、铁粉8～10质量份、 纯碱0.5-1.0质量份、海藻酸钠0.5～1.0质量份、石墨0.10～0.15质量份。
作为优选，所述低硫磷焊芯为H08GX(L)焊芯盘条。
作为优选，所述H08GX(L)焊芯盘条直径偏差±0.4mm，盘条椭圆度≤0.5mm。
作为优选，所述H08GX(L)焊芯组成成分为C≤0.10、Mn：0.30～0.55％、 Si≤0.08％、S≤0.0045％、P≤0.008％、Ni≤0.30％、Cr≤0.10％、Cu≤0.20％、 As≤0.007％、Al≤0.030％，余量为Fe及不可避免的杂质。
作为优选，所述碳酸盐42质量份、氟化物15质量份、金红石7.5质量 份、二氧化硅6质量份、电解锰5质量份、硅铁8质量份、铁粉9质量份、纯 碱0.6质量份、海藻酸钠0.8质量份、石墨0.1质量份；或
所述碳酸盐42质量份、氟化物15质量份、金红石4质量份、二氧化硅6 质量份、电解锰6质量份、硅铁10质量份、铁粉10质量份、纯碱0.6质量份、 海藻酸钠0.8质量份、石墨0.15质量份；或
所述碳酸盐42质量份、氟化物15质量份、金红石7.5质量份、二氧化 硅6质量份、电解锰6质量份、硅铁10质量份、铁粉10质量份、纯碱0.6 质量份、海藻酸钠0.8质量份、石墨0.15质量份。
作为优选，所述碳酸盐中CaCO3≥96％、S≤0.03％、P≤0.03％，颗粒度要求 为-30目100％、-40目≥97％、-170目≤70％；氟化物中CaF2≥96％、SiO2 ≤3.0％、C≤0.08％、S≤0.03％、P≤0.03％，颗粒度要求为-30目100％、-40 目≥97％、-170目≤70％；金红石中TiO2≥96％、S≤0.03％、P≤0.03％，粒 度要求为-40目≥100％、-160目≤30％；二氧化硅中Si 42-47％、C≤0.50％、 S≤0.020％、P≤0.040％，颗粒度要求为-30目100％、-40目≥98％、-200目≤ 20％；电解锰中Mn≥99.5％、C≤0.08％、S≤0.10％、P≤0.010％、Se+Si+Fe≤0.310％, 颗粒度要求为-30目100％、-40目≥98％、-170目≤50％；铁粉中ΣFe≥97％、Si≤0.20％、C≤0.10％、S≤0.020％、P≤0.020％，松装密度3.0±0.10g/cm3， 颗粒度要求为-30目100％、-40目≥98％、-170目≤20％；纯碱中Na2CO3≥99％、NaCl≤0.7％，颗粒度要求为-30目100、-40目≥98％；海藻酸钠中Na2O 9.5-13.0％、P≤0.050％、灰分20.0-30.0％，颗粒度要求为-100目100％；石 墨中固定碳≥90.0％、S≤0.05％、失重率≤2.0％，颗粒度要求为-200目100％。
本发明的目的之二在于提供一种低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条 的制备方法。
技术方案是：一种低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条的制备方法， 包括以下步骤：
①将上述药皮药粉混合均匀；
②加入占药皮药粉质量含量21-23wt％的20℃条件下的钾钠比例为1:1 的水玻璃，波美密度为41～42Be，进行湿混；
③采用H08GX(L)焊芯在油压式焊条生产设备上进行焊条制备。
本发明的目的之三在于提供一种低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢的焊 接方法。
技术方案是：一种低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢的焊接方法，该焊 接方法采用上述的低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条焊接低硫磷抗氢致 裂纹硫化氢腐蚀用钢。
本发明的目的之四在于提供一种低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条 焊接的焊接头。
技术方案是：一种低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条焊接的焊接头， 该焊接头熔敷金属成分为：C：0.098％、Mn：1.32％、Si：0.20％、S：0.004％、 P：0.008％、Cr：0.04％、Cu：0.016％，余量为Fe及不可避免的杂质。
作为优选，所述熔敷金属经620±15℃×2h热处理后，力学性能为：屈服 强度RpeL：402Mpa，抗拉强度Rm：520Mpa，延伸率A：30％，-30℃低温冲击 功能均值152J，抗氢致裂纹长度率、厚度率、敏感率均为0，抗硫化物应力腐 蚀试验中，720小时未发生开裂。
为便于理解发明内容，特将本发明中药皮原料各成分的主要作用说明如 下：
碳酸盐：焊条中使用碳酸盐，在电弧热的作用下分解成CaO和CO2是焊条 制造中及常用的建渣造气材料，提高熔渣碱度，稳定电弧增大熔渣与金属界面 张力和表面张力，改善脱渣，并有较好的脱S能力。
氟化物：调整熔渣的熔点个粘度，增加溶者的流动性，改善熔渣的物理性 能对焊缝成型、脱渣等起关键作用，也是降低焊缝中扩散氢的主要材料，但因 氟的存在，会造成电弧不稳定，并产生有毒气体。
金红石：焊条中的作用主要是建渣、稳弧，在本发明中，加入上述含量金 红石，对焊缝成形有关键作用。
二氧化硅：调整熔敷金属中Si元素的含量，对焊接工艺性能好处，但对 力学性能有恶化，需控制其加入量，本发明中硅铁的加入量为6～8％，且尽可能 的控制在下限。
铁粉：加入可提高焊接的熔敷效率同时还能起到一定的稳定电弧的作用。
电解锰：加入可起到脱硫脱氧的作用，还可以向焊缝过渡锰元素，提高焊 缝强度。根据熔敷金。
加入纯碱和海藻酸钠是为了保证生产、改善压涂性能。
发明原理及有益效果：
本发明保护的焊条通过上述焊条成分的有机结合，焊条生产工艺性能优 良，电弧稳定、基本无飞溅，脱渣性良好，焊缝成型美观，熔敷金属中合金元 素控制恰当，各项力学性能良好，-30℃低温冲击功能达到150J以上，抗氢致 裂纹长度率、厚度率、敏感率均为0，抗硫化物应力腐蚀试验中，720小时未 发生开裂，结果符合SY/T 4117-2012(高含硫化氢气田集输管道焊接技术规范) 的要求。
定义及解释
H08GX(L)：该类盘条为优质H08GX盘条，比普通H08GX盘条S、P含量 更低，保证熔敷金属中化学成分S含量小于0.005％，P含量小于0.01％。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
本发明焊条采用的药皮以碳酸盐、氟化物和合金为主，同时添加少量的金 红石和改善压涂物质。
药皮药粉各组分及其质量份数如下：碳酸盐42质量份、氟化物15质量 份、金红石7.5质量份、二氧化硅6质量份、电解锰5质量份、硅铁8质量 份、铁粉9质量份、纯碱0.6质量份、海藻酸钠0.8质量份、石墨0.1质量份。
本发明碳酸盐中优选CaCO3≥96％、S≤0.03％、P≤0.03％，颗粒度要求为-30 目100％、-40目≥97％、-170目≤70％的碳酸盐。
本发明氟化物中优选CaF2≥96％、SiO2≤3.0％、C≤0.08％、S≤0.03％、P ≤0.03％，颗粒度要求为-30目100％、-40目≥97％、-170目≤70％的氟化物。
本发明金红石中优选TiO2≥96％、S≤0.03％、P≤0.03％，粒度要求为-40 目≥100％、-160目≤30％的金红石。
本发明二氧化硅中优选Si 42-47％、C≤0.50％、S≤0.020％、P≤0.040％， 颗粒度要求为-30目100％、-40目≥98％、-200目≤20％的二氧化硅。
本发明电解锰中优选Mn≥99.5％、C≤0.08％、S≤0.10％、P≤0.010％、 Se+Si+Fe≤0.310％,颗粒度要求为-30目100％、-40目≥98％、-170目≤50％ 的电解锰。
本发明铁粉中优选ΣFe≥97％、Si≤0.20％、C≤0.10％、S≤0.020％、P≤0.020％，松装密度3.0±0.10g/cm3，颗粒度要求为-30目100％、-40目≥98％、 -170目≤20％的铁粉。
本发明纯碱中优选Na2CO3≥99％、NaCl≤0.7％，颗粒度要求为-30目 100、-40目≥98％的纯碱。
本发明海藻酸钠中优选Na2O 9.5-13.0％、P≤0.050％、灰分20.0-30.0％， 颗粒度要求为-100目100％的海藻酸钠；
本发明石墨中优选固定碳≥90.0％、S≤0.05％、失重率≤2.0％，颗粒度要 求为-200目100％的石墨。
将上述药皮药粉混合均匀，加入占药皮药粉质量含量21-23wt％的20℃ 条件下的钾钠比例为1:1的水玻璃，波美密度为41～42Be，进行湿混。采用专 用H08GX(L)焊芯在油压式焊条生产设备上进行焊条制备。
H08GX(L)焊芯盘条直径偏差±0.4mm，盘条椭圆度≤0.5mm。H08GX(L) 焊芯组成成分为C≤0.10、Mn：0.30～0.55％、Si≤0.08％、S≤0.0045％、P≤0.008％、 Ni≤0.30％、Cr≤0.10％、Cu≤0.20％、As≤0.007％、Al≤0.030％，余量为Fe及 不可避免的杂质。
焊接后熔敷金属成分为：C：0.098％、Mn：1.32％、Si：0.20％、S：0.004％、 P：0.008％、Cr：0.04％、Cu：0.016％，余量为Fe及不可避免的杂质。
实施例2
其它与实施例1相同，但是药皮药粉各组分及其质量份数如下：碳酸盐42 质量份、氟化物15质量份、金红石4质量份、二氧化硅6质量份、电解锰6 质量份、硅铁10质量份、铁粉10质量份、纯碱0.6质量份、海藻酸钠0.8质 量份、石墨0.15质量份。
实施例3
其它与实施例2相同，但是药皮药粉各组分及其质量份数如下：碳酸盐42 质量份、氟化物15质量份、金红石7.5质量份、二氧化硅6质量份、电解锰 6质量份、硅铁10质量份、铁粉10质量份、纯碱0.6质量份、海藻酸钠0.8 质量份、石墨0.15质量份。
实施1-3的低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条，采用直流反接焊接时 电弧稳定、基本无飞溅，脱渣性良好，全位置焊接性能优良，焊缝成型美观， 焊道高度适中。熔敷金属经620±15℃×2h热处理后，力学性能为：屈服强度 RpeL：402Mpa，抗拉强度Rm：520Mpa，延伸率A：30％，-30℃低温冲击功能 均值152J，抗氢致裂纹长度率、厚度率、敏感率均为0，抗硫化物应力腐蚀试 验中，720小时未发生开裂，结果符合SY/T 4117-2012(高含硫化氢气田集输 管道焊接技术规范)的要求。

Claims (10)

1.一种低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条，由低硫磷焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮药粉组成，其特征在于该药皮药粉组成和含量为：碳酸盐40～44质量份、氟化物15～18质量份、金红石4～7.5质量份、二氧化硅6～8质量份、电解锰3～6质量份、硅铁8～11质量份、铁粉8～10质量份、纯碱0.5-1.0质量份、海藻酸钠0.5～1.0质量份、石墨0.10～0.15质量份。
2.根据权利要求1所述的低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条，其特征在于：所述低硫磷焊芯为H08GX(L)焊芯盘条。
3.根据权利要求2所述的低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条，其特征在于：所述H08GX(L)焊芯盘条直径偏差±0.4mm，盘条椭圆度≤0.5mm。
4.根据权利要求2所述的低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条，其特征在于：所述H08GX(L)焊芯组成成分为C≤0.10、Mn：0.30～0.55％、Si≤0.08％、S≤0.0045％、P≤0.008％、Ni≤0.30％、Cr≤0.10％、Cu≤0.20％、As≤0.007％、Al≤0.030％，余量为Fe及不可避免的杂质。
5.根据权利要求1-4任一所述的低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条，其特征在于：所述碳酸盐42质量份、氟化物15质量份、金红石7.5质量份、二氧化硅6质量份、电解锰5质量份、硅铁8质量份、铁粉9质量份、纯碱0.6质量份、海藻酸钠0.8质量份、石墨0.1质量份；或
所述碳酸盐42质量份、氟化物15质量份、金红石4质量份、二氧化硅6质量份、电解锰6质量份、硅铁10质量份、铁粉10质量份、纯碱0.6质量份、海藻酸钠0.8质量份、石墨0.15质量份；或
所述碳酸盐42质量份、氟化物15质量份、金红石7.5质量份、二氧化硅6质量份、电解锰6质量份、硅铁10质量份、铁粉10质量份、纯碱0.6质量份、海藻酸钠0.8质量份、石墨0.15质量份。
6.根据权利要求1-4任一所述的低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条，其特征在于：所述碳酸盐中CaCO3≥96％、S≤0.03％、P≤0.03％，颗粒度要求为-30目100％、-40目≥97％、-170目≤70％；氟化物中CaF2≥96％、SiO2≤3.0％、C≤0.08％、S≤0.03％、P≤0.03％，颗粒度要求为-30目100％、-40目≥97％、-170目≤70％；金红石中TiO2≥96％、S≤0.03％、P≤0.03％，粒度要求为-40目≥100％、-160目≤30％；二氧化硅中Si42-47％、C≤0.50％、S≤0.020％、P≤0.040％，颗粒度要求为-30目100％、-40目≥98％、-200目≤20％；电解锰中Mn≥99.5％、C≤0.08％、S≤0.10％、P≤0.010％、Se+Si+Fe≤0.310％,颗粒度要求为-30目100％、-40目≥98％、-170目≤50％；铁粉中ΣFe≥97％、Si≤0.20％、C≤0.10％、S≤0.020％、P≤0.020％，松装密度3.0±0.10g/cm3，颗粒度要求为-30目100％、-40目≥98％、-170目≤20％；纯碱中Na2CO3≥99％、NaCl≤0.7％，颗粒度要求为-30目100、-40目≥98％；海藻酸钠中Na2O 9.5-13.0％、P≤0.050％、灰分20.0-30.0％，颗粒度要求为-100目100％；石墨中固定碳≥90.0％、S≤0.05％、失重率≤2.0％，颗粒度要求为-200目100％。
7.一种权利要求1-6任一权利要求所述的低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条的制备方法，包括以下步骤：
①将上述药皮药粉混合均匀；
②加入占药皮药粉质量含量21-23wt％的20℃条件下的钾钠比例为1:1的水玻璃，波美密度为41～42Be，进行湿混；
③采用H08GX(L)焊芯在油压式焊条生产设备上进行焊条制备。
8.一种低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢的焊接方法，该焊接方法采用权利要求1-6任一所述的低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条焊接低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢。
9.一种权利要求1-6任一所述的低硫磷抗氢致裂纹硫化氢腐蚀用钢焊条焊接的焊接头，该焊接头熔敷金属成分为：C：0.098％、Mn：1.32％、Si：0.20％、S：0.004％、P：0.008％、Cr：0.04％、Cu：0.016％，余量为Fe及不可避免的杂质。
10.根据权利要求9所述的船用LNG储罐高锰奥氏体超低温钢焊接头，其特征在于所述熔敷金属经620±15℃×2h热处理后，力学性能为：屈服强度RpeL：402Mpa，抗拉强度Rm：520Mpa，延伸率A：30％，-30℃低温冲击功能均值152J，抗氢致裂纹长度率、厚度率、敏感率均为0，抗硫化物应力腐蚀试验中，720小时未发生开裂。
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