CN111408867A - 一种适用于低温x80厚壁管线钢埋弧焊接用焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于低温X80厚壁管线钢埋弧焊接用焊丝，焊丝的化学成分按重量百分比为：0.05≤C≤0.10；0.5≤Mn≤1.3；0.10≤Si≤0.30；P≤0.008；S≤0.005；0.10≤Cr≤0.30；0.20≤Mo≤0.30；0.07≤Nb≤0.20；2.0≤Ni≤3.0；0.008≤B≤0.01；0.06≤Ti≤0.15；0.003≤Re≤0.01；其余为Fe。本发明焊丝配合相应的焊剂(SJ101氟碱型焊剂)对低温服役环境用X80钢级管线钢进行焊接后，‑45℃的冲击韧性值可达到100J以上，且焊缝外观形貌满足标准要求。

Description

一种适用于低温X80厚壁管线钢埋弧焊接用焊丝

技术领域：

本发明属于钢管焊接技术领域，具体涉及一种适用于低温X80厚壁管线钢埋弧焊接用焊丝。

背景技术：

近年来，随着国内外对石油、天然气开采的不断纵深和延伸，世界石油天然气的开采及储运已经逐渐延伸到了油气资源分布在高寒地区。那里气候寒冷、环境恶劣，油气分布不均匀，长年被冻土和冰雪覆盖。如美国横穿阿拉斯加的管道，途经冻土地区，气温低达-70℃；前苏联1985年所建的西西伯利亚一中央输气管线，途经常年冻土区，气温低达-63℃；我国新疆油田和大庆油田外输管道冬季最低温度为-34℃或更低。为保障国家能源安全，实现低碳排放和能源多元化供给，近年来我国正进一步加快“东北、西北、西南、海上”四大油气能源战略通道建设。其中，东北、西北通道途经高寒地区，严酷的低温施工和服役条件增加了该地区服役管道低温脆性失效的风险。

X80高钢级输送管的低温脆断问题急需引起高度重视，虽然常规X80埋弧钢管焊缝已经具备良好的强度，且具有较高的冲击韧性值，但由于更多的只是考虑常规地质条件，钢管焊接所用焊丝及焊缝韧脆转变临界温度仅能达到-20℃左右；当服役环境达到-40℃以下时，焊缝组织发生了极大的变化，其防脆性开裂能力和抗裂纹扩展的止裂能力出现了严重下降，致使低温韧性出现大幅的降低，最终而使钢管焊缝出现严重的质量事故。一般的，作为体心立方晶格的金属材料都有低温转脆的现象，但可以通过向焊缝添加微量合金元素，微合金处理手段对焊缝进行晶粒细化和提高纯净度等措施来改善低温韧性。由此可见，亟待开发低温服役环境用X80钢级埋弧钢管焊接用焊丝。

目前，如CN107813071A、CN106271212A、CN101722386A公布的专利焊丝焊接后焊缝强度均能够达到或超过X80钢级，且在-45℃以下具备了优良的低温韧性，但CN107813071A需对原焊缝进行后续淬火、回火热处理后才能达到相应的低温韧性及高强度要求；CN106271212A需要配套碱度为1.0-2.0专用焊剂才能达到相应的性能要求。然而，本发明焊丝只需配备常规的SJ101焊剂经焊接后焊缝强度就可满足X80水平要求，且-45℃下焊缝具备优良的低温韧性；CN101722386A焊丝需要与保护气体保护配套使用，本发明焊丝需要与保护剂配套使用，两种焊丝焊接所需保护介质及适用条件截然不同，另外，CN101722386A焊丝中具有较高Mn、Mo含量，在多丝大线能量焊接工艺下焊缝极易出现脆化现象，对于低温韧性极为不利，同时，致使焊缝强度过高，对于钢管低温环境服役极为不利。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种适用于低温X80厚壁管线钢埋弧焊接用焊丝，与氟碱型的焊剂匹配进行焊接后，向焊缝中过渡Mn、Ni、Mo、Nb、Ti、B等合金元素及微量稀土，通过细化焊缝晶粒，改良焊缝组织，净化焊缝金属微合金化处理作用，确保X80钢管焊缝在具备较高强度的基础上，在-45℃具备优良的韧性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种适用于低温X80厚壁管线钢埋弧焊接用焊丝，所述焊丝的化学成分按重量百分比为：0.05≤C≤0.10；0.5≤Mn≤1.3；0.10≤Si≤0.30；P≤0.008；S≤0.005；0.10≤Cr≤0.30；0.20≤Mo≤0.30；0.07≤Nb≤0.20；2.0≤Ni≤3.0；0.008≤B≤0.01；0.06≤Ti≤0.15；0.003≤Re≤0.01；其余为Fe。

本发明化学成分从C-Mn-Mo-Ni-B-Ti合金系出发，提出焊丝成分设计思路如下所示：

(1)C作为焊缝组织中的主要强化元素，对于焊缝拉伸性能起着重要作用，但随着碳含量的增加，将会引起硬度升高，并且在达到一定程度时，会改变组织构成，出现复相组织。考虑到焊接过程中C出现烧损，所以将C控制在0.05～0.10％；

(2)Mn的含量对焊缝金属的力学性能有很大的影响,一般随着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，另外，Mn还可以显著降低脆性转变温度，并提高焊缝的冲击韧性。鉴于此，将Mn含量控制在0.5～1.3％；

(3)Si对焊缝组织和性能重要影响，在焊缝金属中主要起脱氧作用，尤其当Mn、Si同时存在时，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，但同时由于Si可显著提高珠光体相变温度，在焊接过程中形成较为粗大的碳化物，这样既会影响焊缝的腐蚀性能又会影响焊缝冲击韧性，因此Si含量在0.10～0.30％；

(4)Cr可使焊缝具有高的耐磨性而对塑性、韧性影响又不大，同时，Cr作为中等碳化物形成元素，在所有各种碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，所以使得焊缝具有优良的塑性、韧性，本发明焊丝含量应控制在0.10～0.30％；

(5)Ni：在焊缝金属中Ni作为强化组元，可通过晶粒细化和固溶强化获得强化效果，Ni作为低温下最好的韧化组元，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，需要降低C含量和严格限制S、P含量。为了获得高的强度和低温韧性，本发明的焊丝中Ni含量控制在2.0-3.0％。

(6)Nb元素在焊缝金属中可以延迟奥氏体再结晶，降低相变温度，因而促进针状铁素体的形成。但是在较大的冷却速度下，含有Nb元素的焊缝组织中容易形成贝氏体，同时，Nb元素在焊缝金属中可形成细小的碳化物和氮化物，抑制奥氏体晶粒长大，从而达到细化铁素体晶粒作用，本发明的焊丝中Nb含量控制在0.07-0.20％。

(7)Mo作为一种铁素体稳定元素，在焊缝中可以促进AF形核，对焊缝冲击韧性的改善是有益的，但另一方面Mo对焊缝强度影响又有很大，随着含量的增加焊缝强度呈直线上升，但过高的Mo含量在大线能量焊接过程中易于造成焊缝脆化，对焊缝低温韧性造成不利影响，对焊丝中Mo含量限制在0.20-0.30％；

(7)Ti是最有效的促进有益夹杂物及针状铁素体形成的微合金元素之一，可改变焊缝夹杂物的成分、尺寸及分布形态，有效促进针状铁素体的大量形成。但在Ti含量极低的情况下，焊缝夹杂物主要以尺寸较大的Mn、Si等的氧化物为主，不能促进针状铁素体形核。当添加适量Ti时，将转变为含Ti的有益复合夹杂物，有效促进针状铁素体形成。同时，在增加合金元素时，也有利于同为中温转变产物的贝氏体形成。然而过量的Ti引起焊缝夹杂物成分的变化，不仅不能促进针状铁素体形成，还会造成贝氏体及硬脆相M-A组元大量生成，严重损害焊缝韧性。本发明的焊丝中Ti含量控制在0.06-0.15％。

(8)Re稀土元素可对焊缝金属起到净化和变质的作用,并对焊缝金属中夹杂物起到细化、球化的作用。在焊接过程中，可起到增加针状铁素体形核核心,增加了焊缝中针状铁素体的数量,提高焊缝金属的冲击韧性。稀土由于其化学性质活泼,很容易与氧、氢等元素发生化学作用。但如果稀土元素加入过多,会使熔池中细小夹杂物也增多,容易相互聚集形成大尺寸的夹杂物,导致针状铁素体形核质点减少,反而不利于得到细小的针状铁素体形成。本发明的焊丝中Re含量控制在0.003-0.01％。

本发明的有益效果在于：

1、本发明焊丝配合相应的焊剂(SJ101氟碱型焊剂)对低温服役环境用X80钢级管线钢进行焊接后，通过不同合金成分的细晶强化、沉淀强化和相变强化作用阻止奥氏体晶粒在加热过程中的进一步长大，使焊缝晶粒有效细化；改变焊缝凝固动力，促进焊缝中针状铁素体形核，保证焊缝获得大比例的针状铁素相组织；通过添加微量的稀土元素对焊接过程中夹杂物的异质化处理作用，达到有效净化焊缝金属。通过以上微合金化处理作用，确保X80钢管焊缝在具备较高强度的基础上，-45℃具备优良的韧性，冲击韧性值可达到100J以上，并且焊缝外观形貌满足标准要求。

2、本发明所焊接的熔敷金属Rt0.5＝557～620MPa，Rm＝641～678MPa，-45℃下冲击韧性Akv≥45J。

具体实施方式：

下面对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

采用真空感应炉，需用P、S、C杂质含量低的原料，严格进行S、P含量控制的铁水，经脱氧合金化后，冶炼出符合成分要求的钢水，烧铸成连铸坯，经高速无扭轧机轧制成

盘条，

盘条经剥壳除锈—电解酸洗—硼化处理—拉丝—脱脂—电解碱洗—电解酸洗—化学镀铜—制成

和

成品焊丝。该焊丝化学成分的质量百分含量为：C 0.07，Mn 1.25，Si 0.24，P 0.007，S 0.005，Cr 0.25，Nb 0.10，Mo 0.25,Ni2.29，Ti 0.11，B 0.01，Re 0.01，其余为Fe。

本发明焊丝与SJ101焊剂匹配进行熔敷金属焊接，按照相应的标准要求，试板采用Q235，厚度为25mm，坡口角度20°，根部间隙为15mm。焊接规范为电流475A～575A，电压27V～30V，焊接速度25±1.5m/h；道间温度150±15℃，熔敷金属屈服强度为584MPa，抗拉强度为678MPa，延伸率为30.0％，-45℃冲击吸收功为45J；

本发明焊丝与SJ101焊剂匹配，焊接21.4mm厚X80低温服役环境管线钢：C 0.10，Si0.16，Mn 1.80，P 0.010，S 0.008，Cu 0.17，Cr 0.23，Nb 0.05，Ti 0.017，Mo 0.24,Ni0.30V 0.02，Al 0.03，其余为铁。工艺方式为接头形式X型，内坡口角度30°，钝边大小7-8mm。焊接工艺采用内外双丝焊接，其中，第一根焊丝为直流，第二根焊丝为交流，焊接速度1.30～1.50m/min，内外双丝埋弧焊接，焊接后焊缝成型良好，焊趾处过渡良好。焊接后焊缝力学性能结果见表1。

表1焊接接头力学性能检测

实施例2：

采用真空感应炉，需用P、S、C杂质含量低的原料，严格进行S、P含量控制的铁水，经脱氧合金化后，冶炼出符合成分要求的钢水，烧铸成连铸坯，经高速无扭轧机轧制成

盘条，

盘条经剥壳除锈—电解酸洗—硼化处理—拉丝—脱脂—电解碱洗—电解酸洗—化学镀铜—制成

和

成品焊丝。该焊丝的质量百分含量为：C 0.09，Mn 1.05，Si 0.28，P 0.006，S 0.003，Nb 0.12，Cr 0.25，Ni 2.80，Mo 0.30,Ti0.09，B 0.006，Re 0.005，其余为Fe。

本发明焊丝与SJ101焊剂匹配进行熔敷金属焊接，按照相应的标准要求，试板采用Q235，厚度为25mm，坡口角度20°，根部间隙为15mm。焊接规范为电流475A～575A，电压27V～30V，焊接速度25±1.5m/h；道间温度150±15℃，熔敷金属屈服强度为595MPa，抗拉强度为655MPa，延伸率为24.6％，-45℃冲击吸收功为53J。

本发明焊丝与BG-SJ101焊剂匹配，焊接32.1mm厚X80低温环境服役管线钢：C0.05，Si 0.30，Mn 1.80，P 0.009，S 0.01，Cu 0.23，Ni 0.20，Cr 0.28，Al 0.01，Mo 0.32，Ti 0.004，Nb 0.06，B 0.0009，其余为铁。工艺方式为接头形式X型，内坡口角度35°，外坡口角度35°，钝边大小9-10mm。焊接工艺采用内外四丝焊接，其中，第一根焊丝为直流，第二、三、四根焊丝为交流，焊接速度1.20～1.40m/min，焊接后焊缝成型良好，焊趾处过渡良好，焊接后焊缝力学性能结果见表2。

表2焊接接头力学性能检测

Claims (1)

1.一种适用于低温X80厚壁管线钢埋弧焊接用焊丝，其特征在于：所述焊丝的化学成分按重量百分比为：0.05≤C≤0.10；0.5≤Mn≤1.3；0.10≤Si≤0.30；P≤0.008；S≤0.005；0.10≤Cr≤0.30；0.20≤Mo≤0.30；0.07≤Nb≤0.20；2.0≤Ni≤3.0；0.008≤B≤0.01；0.06≤Ti≤0.15；0.003≤Re≤0.01；其余为Fe。