CN111151922B - 用于高含硫化氢气田的往复式压缩机组用钢的焊条 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高含硫化氢气田的往复式压缩机组用钢的焊条，涉及焊接材料技术领域，解决现有的用于高含硫化氢气田的往复式天然气机组用钢的焊接材料抗氢致开裂和抗应力腐蚀开裂的能力差的问题。本发明包括焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮，所述药皮质量为总质量的25～31％，按质量份数计，所述药皮的组成成分为：萤石220～240份、硅微粉80～110份、大理石420～440份、雾化铁粉60～80份、金红石45～75份、镍粉15～25份、硅铁28～32份、电解锰15～20份、纯碱9～12份、羧甲基纤维素钠5～8份、纳米级硅钙合金4～6重量份、纳米级钛粉4～6份、稀土氧化物10～15份，本发明所制得的焊条主要用于高含硫化氢气田的往复式压缩机组用钢Q345E(HIC)焊接，焊缝金属具有良好的抗HIC、抗SSC性能。
Description
技术领域
本发明涉及焊接材料技术领域，更具体的是涉及一种用于高含硫化氢气田的往复式压缩机组用钢的焊条，用于提供一种具有良好的抗HIC、抗SSC性能的焊接材料。
背景技术
随着科技的快速发展，能源需求日益加剧，天然气的需求逐年增加，而往复式天然气压缩机在天然气的开采中占据着重要位置。储备地下的天然气中含有硫化氢、二氧化碳酸性气体，遇到水蒸气会形成酸性溶液，对往复式压缩机组钢材有较大的腐蚀性能，腐蚀会加剧钢材失效，缩短往复式压缩机的使用寿命。
对于高含硫化氢气田的往复式天然气机组用钢，现有的传统抗氢钢焊接材料已经不能满足高含硫化氢气田的往复式机组用钢的焊接。目前传统抗氢钢焊条冲击功要求KV2≥54J(-30℃)，对于更低温度(-45℃)下的冲击功已不能保证要求。因此，为了满足高含硫化氢气田的往复式天然气机组用钢Q345E(HIC)匹配焊条的使用，研究适用更低温度的抗HIC、抗SSC性能的焊条是大势所趋。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决现有的用于高含硫化氢气田的往复式天然气机组用钢的焊接材料抗氢致开裂和抗应力腐蚀开裂的能力差的问题，本发明提供一种用于高含硫化氢气田的往复式压缩机组用钢的焊条。
本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
用于高含硫化氢气田的往复式压缩机组用钢的焊条，包括焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮，所述药皮质量为总质量的25～31％，按质量份数计，所述药皮的组成成分为：萤石220～240份、硅微粉80～110份、大理石420～440份、雾化铁粉60～80份、金红石45～75份、镍粉15～25份、硅铁28～32份、电解锰15～20份、纯碱9～12份、羧甲基纤维素钠5～8份、纳米级硅钙合金4～6重量份、纳米级钛粉4～6份、稀土氧化物10～15份。
进一步地，按质量分数计，所述萤石的组分中CaF2≥96.00％、SiO2≤3.00％、C≤0.08％、S≤0.030％、P≤0.030％；所述硅微粉的组分中SiO2≥99.00％、Fe2O3≤0.50％、S≤0.020％、P≤0.025％；所述大理石的组分中CaCO3≥96.00％、S≤0.030％、P≤0.030％；所述雾化铁粉的组分中Fe≥98.00％、C≤0.10％、Mn≤0.50％、Si≤0.30％、S≤0.025％、P≤0.025％；所述金红石的组分中TiO2≥97.00％、S≤0.025％、P≤0.030％；所述镍粉的组分中Ni≥99.80％；所述硅铁的组分中Si为40.00％～47.00％、Mn≤0.70％、Cr≤0.50％、S≤0.020％、P≤0.035％；所述电解锰的组分中Mn≥99.80％；所述纯碱的组分中Na2CO3≥99.00％、NaCl≤0.70％；所述羧甲基纤维素钠的组分中C8H11O5Na≥99.00％；所述硅钙合金的组分中Si为50.00％～65.00％、Ca为30.00％～40.00％；所述钛粉的组分中Ti≥99.00％；所述稀土氧化物的组分中LaO+CeO2+Y2O3≥80.00％、Fe≤20.00％。
进一步地，所述萤石的颗粒度要求为40目以下≥97％且160目以下≤80％；所述硅微粉颗粒度要求为60目以下100％；所述大理石颗粒度要求为40目以下≥98％且160目以下≤80％；所述雾化铁粉颗粒度要求为40目以下100％；所述金红石颗粒度要求为40目以下≥100％且160目以下≤65％；所述镍粉颗粒度要求为60目以下100％；所述硅铁颗粒度要求为60目以下100％；所述电解锰颗粒度要求为60目以下100％；所述纯碱颗粒度要求为40目以下100％；所述羧甲基纤维素钠颗粒度要求为40目以下100％；所述硅钙合金颗粒度要求为100～400nm；所述钛粉颗粒度要求为50～100nm；所述稀土氧化物颗粒度要求为80目以下100％。
进一步地，按质量分数计，所述焊芯成分中C为0.05～0.09％，Si为0.01～0.03％，Mn为0.40～0.60％，Ni为0.15～0.30％，Cr为0.10～0.20％，P≤0.010％，S≤0.005％，As≤0.010％，Pb≤0.005％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％，Bi≤0.005％，余量为铁与微量杂质。
发明原理：
稀土氧化物是可以生成稀土硫化物，改变了夹杂物的形态，降低了焊缝金属中硫的含量，降低热裂纹出现的概率，提高了抗裂性能。
纳米级硅钙合金粉不仅可以起到脱氧、脱硫的作用，更重要的是还可以起到氧化物冶金作用，诱导晶内铁素体在焊接过程中生成的CaO、CaS等非金属夹杂物上形核和抑制晶粒尺寸长大。
萤石可以改善熔渣的熔点和粘度，增加熔渣的流动性，对焊缝脱渣、成型等起重要作用，萤石熔点较低，在高温作用下产生氟气，能和H原子结合生成HF排出熔池，降低了熔池的H含量，但因氟的存在，若含量过多会造成电弧不稳定。
硅微粉在焊条中主要起造渣、造气的作用，加入适量的硅微粉，可以提高电弧的稳定性。
大理石是造渣、造气的主要材料，可以提高熔渣碱度，稳定电弧，增大熔渣与金属界面张力和表面张力，粗化熔滴，改善焊缝脱渣性能，并有较好的脱硫能力。
金红石是一种重要的作稳弧、造渣剂，能够调节熔渣的熔点、粘度、表面张力和流动性，改善焊缝成形、减小飞溅。对焊缝成形、电弧稳定性起关键作用。
雾化铁粉的加入可以提高焊条的熔敷效率，还可以改善焊接工艺性能，降低焊缝表面气孔出现的概率。
电解锰加入不仅可起到脱硫、脱氧的作用，还可以向焊缝过渡锰元素，提高焊缝金属的强度。
硅铁不仅是重要的脱氧剂同时也是焊缝金属重要的合金剂，硅可以降低焊缝金属的含氧量，提高焊缝金属的冲击韧性，但含量太高则会造成强度过高，冲击韧性下降。
纳米级钛粉可起到氧化物冶金作用，诱导晶内铁素体在焊接过程中生成的TiO和Ti2O3等非金属夹杂物上形核和抑制晶粒尺寸长大。
金属镍粉不仅能促进针状铁素体形成，还能降低焊缝金属的低温脆性转变温度，使焊缝金属在较低的温度下具有良好的冲击韧性。
加入纯碱、羧甲基纤维素钠是为了改善焊条的压涂性能。
本发明的有益效果如下：
1.本发明所制得的焊条主要用于高含硫化氢气田的往复式压缩机组用钢Q345E(HIC)焊接，焊缝金属具有良好的抗HIC、抗SSC性能，熔敷金属扩散氢含量≤4.0mL/100g，在常温熔敷金属抗拉强度在490～670MPa、屈服强度≥345MPa、断后伸长率≥21.0％，在低温-45℃条件下冲击功可达100J以上。
2.本发明性能优良，焊条表面光滑，成品率高，偏心稳定；焊接时脱渣容易，电弧稳定，焊缝成型美观，焊道高度适中，焊条操作性能优异，全位置操作性好。
具体实施方式
为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合以下实施例对本发明作进一步详细描述。以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种用于高含硫化氢气田的往复式压缩机组用钢的焊条，所述焊芯成分中C为0.05～0.09％，Si为0.01～0.03％，Mn为0.40～0.60％，Ni为0.15～0.30％，Cr为0.10～0.20％，P≤0.010％，S≤0.005％，As≤0.010％，Pb≤0.005％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％，Bi≤0.005％，余量为铁与微量杂质。
所述药皮组成成分为：萤石240g、硅微粉90g、大理石430g、雾化铁粉80g、金红石45g、金属镍粉25g、硅铁32g、电解锰15g、碳酸钠12g、羧甲基纤维素钠8g、纳米级硅钙合金4g、纳米级钛粉4g、稀土氧化物15g。将上述药皮粉料混合均匀后，加入浓度为42°Be’的钾钠水玻璃240g搅拌混合均匀，接着将其裹覆于焊芯上，再经低温100℃烘焙2.0h，最后经高温380℃烘焙1.0h，即得规格3.2mm焊条。
实施例2
本实施例提供一种用于高含硫化氢气田的往复式压缩机组用钢的焊条，所述焊芯成分中C为0.05～0.09％，Si为0.01～0.03％，Mn为0.40～0.60％，Ni为0.15～0.30％，Cr为0.10～0.20％，P≤0.010％，S≤0.005％，As≤0.010％，Pb≤0.005％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％，Bi≤0.005％，余量为铁与微量杂质。
所述药皮组成成分为：萤石220g、硅微粉80g、大理石440g、雾化铁粉70g、金红石75g、金属镍粉25g、硅铁29g、电解锰20g、纯碱12g、羧甲基纤维素钠8g、纳米级硅钙合金6g、纳米级钛粉5g、稀土氧化物10g。
将上述药皮粉料混合均匀后，加入浓度为42°Be’的钾钠水玻璃245g搅拌混合均匀，接着将其裹覆于焊芯上，再经低温100℃烘焙2.0h、最后经高温380℃烘焙1.0h，即得规格3.2mm焊条。
实施例3
本实施例提供一种用于高含硫化氢气田的往复式压缩机组用钢的焊条，所述焊芯成分中C为0.05～0.09％，Si为0.01～0.03％，Mn为0.40～0.60％，Ni为0.15～0.30％，Cr为0.10～0.20％，P≤0.010％，S≤0.005％，As≤0.010％，Pb≤0.005％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％，Bi≤0.005％，余量为铁与微量杂质。
所述药皮组成成分为：萤石230g、硅微粉110g、大理石440g、雾化铁粉60g、金红石50g、金属镍粉20g、硅铁30g、电解锰20g、纯碱10g、羧甲基纤维素钠5g、纳米级硅钙合金4g、纳米级钛粉6g、稀土氧化物15g。
将上述药皮粉料混合均匀后，加入浓度为42°Be’的钾钠水玻璃250g搅拌混合均匀，接着将其裹覆于焊芯上，再经低温100℃烘焙2.0h、最后经高温380℃烘焙1.0h，即得规格4.0mm焊条。
将实施例1～3中所制得的三种焊条焊接Q345E(HIC)钢，焊接工艺参数如表1所示。
表1焊接工艺参数
上述焊条工艺性能良好，脱渣容易，电弧稳定，飞溅小，焊缝成型美观，没有粘渣和气孔现象。
上述焊条焊接完成后焊件进行焊后热处理620℃×1h，焊接接头化学成分和力学性能分别如表2和表3所示。
表2化学成分(质量分数，％)
| C | Si | Mn | S | P | Ni | Cr | Mo | |
| 实施例1 | 0.055 | 0.31 | 1.04 | 0.007 | 0.010 | 0.81 | 0.01 | 0.01 |
| 实施例2 | 0.057 | 0.30 | 1.05 | 0.006 | 0.008 | 0.79 | 0.01 | 0.01 |
| 实施例3 | 0.058 | 0.29 | 1.08 | 0.006 | 0.009 | 0.71 | 0.01 | 0.01 |
表3力学性能
上述焊条焊接试件先进行焊后热处理620℃×1h，而后进行抗氢致开裂(HIC)试验，试验温度为25±3℃，周期为96h，试验溶液为A溶液，即质量分数为5％NaCl和0.50％CH3COOH的饱和H2S水溶液，结果如表4所示。
表4 HIC试验结果
上述焊条焊接试件先进行焊后热处理620℃×1h，而后进行抗硫化物应力开裂(SSC)试验，试验温度为24±3℃，周期为720h，试验溶液为A溶液，即质量分数为5％NaCl和0.50％CH3COOH的饱和H2S水溶液，结果如表5所示。
表5 SSC试验结果
采用上述焊条按表1焊接工艺参数进行熔敷金属扩散氢含量(水银法)试验，结果如表6所示。
表6熔敷金属扩散氢含量
根据上述实验数据可得，焊缝金属具有良好的抗HIC、抗SSC性能。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.用于高含硫化氢气田的往复式压缩机组用钢的焊条，其特征在于：包括焊芯和裹覆于焊芯表面的药皮，所述药皮质量为总质量的25～31％，按质量份数计，所述药皮的组成成分为：萤石220～240份、硅微粉80～110份、大理石420～440份、雾化铁粉60～80份、金红石45～75份、镍粉15～25份、硅铁28～32份、电解锰15～20份、纯碱9～12份、羧甲基纤维素钠5～8份、纳米级硅钙合金4～6重量份、纳米级钛粉4～6份、稀土氧化物10～15份；按质量分数计，所述焊芯成分中C为0.05～0.09％，Si为0.01～0.03％，Mn为0.40～0.60％，Ni为0.15～0.30％，Cr为0.10～0.20％，P≤0.010％，S≤0.005％，As≤0.010％，Pb≤0.005％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％，Bi≤0.005％，余量为铁与微量杂质。
2.根据权利要求1所述的用于高含硫化氢气田的往复式压缩机组用钢的焊条，其特征在于：按质量分数计，所述萤石的组分中CaF2≥96.00％、SiO2≤3.00％、C≤0.08％、S≤0.030％、P≤0.030％；所述硅微粉的组分中SiO2≥99.00％、Fe2O3≤0.50％、S≤0.020％、P≤0.025％；所述大理石的组分中CaCO3≥96.00％、S≤0.030％、P≤0.030％；所述雾化铁粉的组分中Fe≥98.00％、C≤0.10％、Mn≤0.50％、Si≤0.30％、S≤0.025％、P≤0.025％；所述金红石的组分中TiO2≥97.00％、S≤0.025％、P≤0.030％；所述镍粉的组分中Ni≥99.80％；所述硅铁的组分中Si为40.00％～47.00％、Mn≤0.70％、Cr≤0.50％、S≤0.020％、P≤0.035％；所述电解锰的组分中Mn≥99.80％；所述纯碱的组分中Na2CO3≥99.00％、NaCl≤0.70％；所述羧甲基纤维素钠的组分中C8H11O5Na≥99.00％；所述硅钙合金的组分中Si为50.00％～65.00％、Ca为30.00％～40.00％；所述钛粉的组分中Ti≥99.00％；所述稀土氧化物的组分中LaO+CeO2+Y2O3≥80.00％、Fe≤20.00％。
3.根据权利要求1所述的用于高含硫化氢气田的往复式压缩机组用钢的焊条，其特征在于：所述萤石的颗粒度要求为40目以下≥97％且160目以下≤80％；所述硅微粉颗粒度要求为60目以下100％；所述大理石颗粒度要求为40目以下≥98％且160目以下≤80％；所述雾化铁粉颗粒度要求为40目以下100％；所述金红石颗粒度要求为40目以下≥100％且160目以下≤65％；所述镍粉颗粒度要求为60目以下100％；所述硅铁颗粒度要求为60目以下100％；所述电解锰颗粒度要求为60目以下100％；所述纯碱颗粒度要求为40目以下100％；所述羧甲基纤维素钠颗粒度要求为40目以下100％；所述硅钙合金颗粒度要求为100～400nm；所述钛粉颗粒度要求为50～100nm；所述稀土氧化物颗粒度要求为80目以下100％。
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