CN113798641B - 一种双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计方法 - Google Patents

一种双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计方法，包括以下步骤：测量双金属复合管复层不锈钢板埋弧焊焊缝基层熔化区、焊丝熔敷填充区面积，确定提高双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝各个合金元素含量；根据设计要求确定双金属复合管基层合金元素含量和双金属复合管复层不锈钢合金元素含量；确定补偿双金属复合管复层不锈钢焊缝中合金元素含量的方法；设计双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分。本发明设计解决了采用埋弧焊工艺焊接双金属复合管复层不锈钢焊缝Cr、Ni、Mo、Mn、Si等合金元素偏低、影响复层不锈钢焊缝耐蚀性的问题。同时不需要添加或改造焊接装备，利用现有焊接装备即可完成双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊接。

Description

一种双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计方法
技术领域
本发明涉及埋弧焊焊丝材料领域，特别是一种双金属复合管埋弧焊焊丝化学成分设计方法。
背景技术
在油气集输过程中，由于油气中含有大量的H2S、CO2和Cl-等腐蚀介质，对集输管线会造成严重的腐蚀破坏，普通的碳钢管不能满足管道的安全服役要求。双金属复合管由于结合了碳钢管高强度、高韧性的力学性能和耐蚀合金管良好的耐腐蚀性能，综合性能优良、性价比高，是解决油气田集输管道腐蚀问题的有效方法之一。在集输管线设计时，可以根据输送压力和介质的腐蚀特点进行基层材料和复层材料的选择，满足管线的集输要求。由于不锈钢复合钢管的两种材质具有不同化学成分，在焊接过程中容易造成复层不锈钢焊缝合金元素含量的稀释，影响双金属复合管复层不锈钢焊缝的耐蚀性。为了避免双金属复合管焊接过程中复层不锈钢焊缝出现的合金元素含量稀释致使含量偏低，常用方法之一是在双金属复合管复层与基层界面处设计并焊接过渡层，匹配复层不锈钢板对应的焊丝焊接复层不锈钢；常用方法之二是在基层焊接完成后匹配复层不锈钢板对应的焊带电渣堆焊；常用方法之三是匹配比复层不锈钢板Cr、Ni、Mo、Mn、Si等合金元素含量高的不锈钢焊丝埋弧自动焊。前述双金属复合钢管焊接方法一、二其优点是复层不锈钢焊缝稀释率较低，缺点是焊接效率低，并且在碳钢焊管生产线焊接需要添加或改造焊接装备；前述双金属复合钢管焊接方法三其优点是焊接效率高，利用现有碳钢焊管生产线焊接装备即可完成焊接，缺点是稀释率高，对Cr、Ni、Mo、Mn、Si等合金元素含量不高的复层不锈钢板尽管匹配比复层不锈钢板Cr、Ni、Mo、Mn、Si等合金元素含量高的不锈钢焊丝可以补偿复层不锈钢焊缝中Cr、Ni、Mo、Mn、Si等合金元素含量的稀释，但无法做到与复层不锈钢板Cr、Ni、Mo、Mn、Si等合金元素含量一致，影响复层不锈钢焊缝耐蚀性能，特别是对Cr、Ni、Mo、Mn、Si等合金元素含量较高的复层不锈钢板焊接会出现找不到Cr、Ni、Mo、Mn、Si等合金元素含量更高的不锈钢焊丝，从而影响具有焊接效率高这一优点的不锈钢复合管埋弧焊工艺方法的推广应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计方法，设计对应双金属复合管复层不锈钢化学成分的埋弧焊焊丝，解决采用埋弧焊工艺焊接双金属复合管复层不锈钢焊缝中Cr、Ni、Mo、Mn、Si合金元素含量偏低、影响双金属复合管复层不锈钢焊缝耐蚀性问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计方法，包括以下步骤：
S1、测量双金属复合管复层不锈钢板埋弧焊焊缝基层熔化区、焊丝熔敷填充区面积，确定提高双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝各个合金元素含量；
S2、根据设计要求确定双金属复合管基层合金元素含量和双金属复合管复层不锈钢合金元素含量；确定补偿双金属复合管复层不锈钢焊缝中合金元素含量的方法；
S3、设计双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分；
通过以上步骤实现双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计。
优选方案中，在步骤S1中，还包括：
S11、设计双金属复合管复层不锈钢板焊接坡口尺寸；
双金属复合管复层不锈钢厚度3mm，复层焊接坡口角度45±2°，坡口深度2.0±0.5mm；
S12、设计双金属复合管复层不锈钢板三丝单道埋弧焊焊接规范；
S13、焊接双金属复合管复层不锈钢板并制作焊缝酸蚀样。
优选方案中，步骤S12中，三丝单道埋弧焊焊接规范为：一丝焊接电流700±50A,电弧电压32±2V，二丝焊接电流550±50A,电弧电压36±2V，三丝焊接电流500±50A,电弧电压40±2V，焊接速度1.4±0.1m/min；
焊丝选择直径φ4mm的不锈钢钢级焊丝，焊剂为SJ601焊剂。
优选方案中，三丝单道埋弧焊焊接规范对应的复层焊缝熔深为5.5～6.0mm。
优选方案中，步骤S13中，制作焊缝缝酸蚀样的方法是：
A1、制作腐蚀溶液：腐蚀溶液配置采用36％盐酸和100％硝酸，将盐酸12ml和硝酸10ml混合；
A2、将焊接好的双金属复合管复层埋弧焊焊缝试样抛光，将抛光好的试样面朝下在溶液中浸泡至断面可见；
A3、用水和乙醇对试样进行清洗。
优选方案中，步骤S2中，确定补偿复合管中合金元素含量的方法是：以焊缝合金元素含量与复层不锈钢板合金元素含量一致为原则设计焊丝合金元素含量，焊丝熔敷填充区合金元素含量足以补偿基层熔化区合金元素含量，并使焊丝熔敷填充区、基层熔化区与复层不锈钢板合金元素含量一致。
优选方案中，焊丝合金元素含量计算公式为：
A2×Di+A1×Ei＝Bi×(A1+A2)
式中：A1为基层熔化面积，A2为焊丝熔敷填充面积，B为复层不锈钢板合金元素含量、D为复层不锈钢板埋弧焊焊丝对应的合金元素含量，E为双金属复合管基层合金元素含量，i为合金元素。
优选方案中，步骤S2中，根据双金属复合管基层碳钢钢级按API 5L《管线钢管规范》确定双金属复合管基层碳钢合金元素含量,根据双金属复合管复层不锈钢钢级按API5LD《内覆或衬里耐腐蚀复合管规范》确定双金属复合管复层不锈钢合金元素含量。
优选方案中，步骤S3中，
C≤0.025％、S≤0.010％、P≤0.020％。
优选方案中，步骤S3中，焊丝成分进行设计时，按焊丝合金元素含量计算公式A2×Di+A1×Ei＝Bi×(A1+A2)，分别计算出焊丝对应的Mn、Si元素含量。
优选方案中，步骤S3中，焊丝成分进行设计时，根据双金属复合管中Cr、Ni和Mo含量，将双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝合金元素计算公式A2×Di+A1×Ei＝Bi×(A1+A2)简化为A2×Di＝Bi×(A1+A2)；按双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝合金元素简化计算公式A2×Di＝Bi×(A1+A2)分别计算出焊丝对应的Cr、Ni和Mo含量。
本发明提供了一种双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计方法，针对双金属复合管复层不锈钢采用埋弧焊工艺、焊缝Cr、Ni、Mo、Mn、Si等合金元素稀释率偏高，设计对应双金属复合管复层不锈钢化学成分的埋弧焊专用焊丝，提高焊丝中Cr、Ni、Mo、Cu、Mn、Si等合金元素含量，补偿双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊缝中Cr、Ni、Mo、Mn、Si等合金元素含量，解决采用埋弧焊工艺焊接双金属复合管复层不锈钢焊缝Cr、Ni、Mo、Mn、Si等合金元素偏低、影响复层不锈钢焊缝耐蚀性问题。同时采用本发明设计的双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝不需要添加或改造焊接装备，利用现有碳钢焊管生产线焊接装备即可完成双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊接。本发明有利于具有焊接效率高这一优点的双金属复合管复层不锈钢埋弧焊工艺方法的推广应用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明双金属复合管埋弧焊焊缝示意图；
图2是本发明双金属复合管埋弧焊焊缝宏观形貌图。
图中：不锈钢复层1；碳钢母材2；外焊3；预焊4；内焊5；基层熔化区6；复层熔化区7；焊丝熔敷填充区8。
具体实施方式
实施例1：
一种双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计方法，以双金属复合管碳钢基层钢级为X65、壁厚12mm，复层不锈钢钢级为316L、壁厚3mm为例：双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计步骤如下：
1、设计双金属复合管复层不锈钢板焊接坡口尺寸：双金属复合管复层不锈钢板焊接坡口角度45±2°，坡口深度2.0±0.5mm，其中，双金属复合管为不锈钢复层1和碳钢母材2，如图1。
2、设计双金属复合管复层不锈钢板三丝单道埋弧焊焊接规范：按复层焊缝熔深5.5～6.0mm(即基层熔化深度2.5～3.0mm)设计对应的三丝单道埋弧焊焊接规范，一丝焊接电流700±50A,电弧电压32±2V，二丝焊接电流550±50A,电弧电压36±2V，三丝焊接电流500±50A,电弧电压40±2V，焊接速度1.4±0.1m/min；复层埋弧焊选择直径φ4mm H(316L)焊丝(代表焊接双金属复合管不锈钢复层316L的焊丝)和SJ601焊剂。
3、焊接双金属复合管复层不锈钢板并制作焊缝酸蚀样：采用上述2焊接规范及焊丝、焊剂焊接上述1焊接坡口双金属复合管，制作复层不锈钢焊缝缝酸蚀样。依次对双金属复合管进行外焊3、预焊4和内焊5。腐蚀溶液的配置采用36％盐酸和100％硝酸，盐酸12ml和硝酸10ml在玻璃皿中混合，将抛光好的试样面朝下在溶液中浸泡30秒，然后再用水和乙醇清洗即可。图2为双金属复合管按照埋弧焊焊接规范焊接后的焊缝宏观形貌。
4、测量双金属复合管复层不锈钢板埋弧焊焊缝基层熔化区6、焊丝熔敷填充区8面积，确定提高双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝合金元素含量、补偿双金属复合管复层不锈钢焊缝中合金元素含量的方法。复层不锈钢板埋弧焊焊缝包括基层熔化区6、复层熔化区7、丝熔敷填充区8三部分，如图1所示，以复层不锈钢板埋弧焊焊缝合金元素含量与复层不锈钢板合金元素含量一致的原则设计双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝合金元素含量，此时只需焊丝熔敷填充区8合金元素含量足以补偿基层熔化区6合金元素含量并使焊丝熔敷填充区8、基层熔化区6与复层不锈钢板合金元素含量一致即可。检测基层熔化面积A1为15mm2、焊丝熔敷填充面积A2为38mm2、B为复层不锈钢板合金元素含量、E为基层碳钢板合金元素含量，D为复层不锈钢板埋弧焊焊丝对应的合金元素含量，则焊丝熔敷填充区8合金元素含量补偿基层熔化区6合金元素含量并使焊丝熔敷填充区8、基层熔化区6与复层不锈钢板合金元素含量一致时得到双金属复合管复层埋弧焊用焊丝合金元素含量计算公式A2×Di+A1×Ei＝Bi×(A1+A2)为38×Di+15×Ei＝53×Bi，i分别代表Cr、Ni、Mo、Mn、Si5种合金元素。
5、根据双金属复合管基层碳钢钢级按API 5L《管线钢管规范》确定双金属复合管基层合金元素含量、根据双金属复合管复层不锈钢钢级按API 5LD《内覆或衬里耐腐蚀复合管规范》确定双金属复合管复层不锈钢合金元素含量。基层X65、复层不锈钢316L化学成分见下表1。
表1：基层X65和复层不锈钢316L化学成分(wt％)表
钢级 C Mn Si S P Cr Ni Mo
X65 0.090 1.6 0.25 0.004 0.009 0.19 0.050 0.030
标准要求 ≤0.22 ≤1.65 / ≤0.015 ≤0.025 / / /
316L 0.025 1.50 0.50 0.010 0.020 17 12 2.5
标准要求 ≤0.03 ≤2.00 ≤0.75 ≤0.030 ≤0.045 17±1 12±2 2.0±0.5
6、双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计：影响双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊缝耐蚀性的合金元素主要有C、S、P、Cr、Ni、Mo、Mn、Si等8种，考虑碳是影响不锈钢晶间腐蚀的重要元素，严格控制C≤0.025％，S和P等有害元素影响焊缝热裂纹的敏感性，分别控制S≤0.010％、P≤0.020％，Mn、Si这2种焊丝合金元素含量按上述4双金属复合管复层埋弧焊用焊丝合金元素含量计算公式38×Di+15×Ei＝53×Bi分别计算，Cr、Ni、Mo这3种合金元素含量由于双金属复合管复层远大于双金属复合管基层，按双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝合金元素含量简化计算公式38×Di＝53×Bi分别计算，由此可完成双金属复合管复层不锈钢316L埋弧焊焊丝化学成分设计。焊接双金属复合管复层不锈钢316L焊丝H(316L)化学成分见下表2。
表2：焊丝H(316L)化学成分(wt％)表
C Mn Si S P Cr Ni Mo
0.025 1.5±0.1 0.60±0.1 ≤0.010 ≤0.020 24±1 17±1 4±0.5
实施例2：
以双金属复合管碳钢基层钢级为X60、壁厚12mm，复层不锈钢钢级为L2205、壁厚3mm为例，一种双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计方法步骤如下：
1、设计双金属复合管复层不锈钢板焊接坡口尺寸：双金属复合管复层不锈钢板焊接坡口角度45±2°，坡口深度2.0±0.5mm。
2、设计双金属复合管复层不锈钢板三丝单道埋弧焊焊接规范：设计复层焊缝熔深5.5～6.0mm(即基层熔化深度2.5～3.0mm)对应的三丝单道埋弧焊焊接规范，一丝焊接电流700±50A,电弧电压32±2V，二丝焊接电流550±50A,电弧电压36±2V，三丝焊接电流500±50A,电弧电压40±2V，焊接速度1.4±0.1m/min；复层埋弧焊选择直径φ4mm H(LC2205)焊丝(代表焊接双金属复合管不锈钢复层LC2205的焊丝)和SJ601焊剂。
3、焊接双金属复合管复层不锈钢板并制作焊缝酸蚀样：采用上述2焊接规范及焊丝、焊剂焊接上述1焊接坡口双金属复合管，制作复层不锈钢焊缝缝酸蚀样。腐蚀溶液的配置采用36％盐酸和100％硝酸，盐酸12ml和硝酸10ml在玻璃皿中混合，将抛光好的试样面朝下在溶液中浸泡30秒，然后再用水和乙醇清洗即可。
4、测量双金属复合管复层不锈钢板埋弧焊焊缝基层熔化区6、焊丝熔敷填充区8面积，确定提高双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝合金元素含量、补偿双金属复合管复层不锈钢焊缝中合金元素含量的方法。复层不锈钢板埋弧焊焊缝包括基层熔化区6、复层熔化区7、焊丝熔敷填充区8三部分，以复层不锈钢板埋弧焊焊缝合金元素含量与复层不锈钢板合金元素含量一致的原则设计双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝合金元素含量，此时只需焊丝熔敷填充区8合金元素含量足以补偿基层熔化区6合金元素含量并使焊丝熔敷填充区8、基层熔化区6与复层不锈钢板合金元素含量一致即可。检测基层熔化面积A1为15mm2、焊丝熔敷填充面积A2为38mm2、B为复层不锈钢板合金元素含量、E为基层碳钢板合金元素含量，D为复层不锈钢板埋弧焊焊丝对应的合金元素含量，则焊丝熔敷填充区8合金元素含量补偿基层熔化区6合金元素含量并使焊丝熔敷填充区8、基层熔化区6与复层不锈钢板合金元素含量一致时得到双金属复合管复层埋弧焊用焊丝合金元素含量计算公式A2×Di+A1×Ei＝Bi×
(A1+A2)为8×Di+15×Ei＝53×Bi，i分别代表Cr、Ni、Mo、Mn、Si5种合金元素。
S5、根据双金属复合管基层碳钢钢级按API 5L《管线钢管规范》确定双金属复合管基层合金元素含量、根据双金属复合管复层不锈钢钢级按API 5LD《内覆或衬里耐腐蚀复合管规范》确定双金属复合管复层不锈钢合金元素含量。基层X60、复层不锈钢LC2205化学成分见下表3。
表3：基层X60和复层不锈钢LC2205化学成分(wt％)表
钢级 C Mn Si S P Cr Ni Mo
X60 0.070 1.4 0.25 0.009 0.010 0.030 0.010 0.00
标准要求 ≤0.22 ≤1.65 / ≤0.015 ≤0.025 / / /
L2205 0.025 1.50 0.50 0.010 0.020 22 5.7 3
标准要求 ≤0.03 ≤2.00 ≤1.0 ≤0.020 ≤0.03 22±1 5.7±0.9 3±0.5
S6、双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计：影响双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊缝耐蚀性的合金元素主要有C、S、P、Cr、Ni、Mo、Mn、Si8种，考虑碳是影响不锈钢晶间腐蚀的重要元素，严格控制C≤0.025％，S和P等有害元素影响焊缝热裂纹的敏感性，分别控制S≤0.010％、P≤0.020％，Mn、Si这2种焊丝合金元素含量按上述4双金属复合管复层埋弧焊用焊丝合金元素含量计算公式38×Di+15×Ei＝53×Bi分别计算，Cr、Ni、Mo这3种合金元素含量由于双金属复合管复层远大于双金属复合管基层，按双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝合金元素含量简化计算公式38×Di＝53×Bi分别计算，由此可完成双金属复合管复层不锈钢L2205埋弧焊焊丝化学成分设计。焊接双金属复合管复层不锈钢L2205焊丝H(L2205)化学成分见下表4。
表4：焊丝H(L2205)化学成分(wt％)表
C Mn Si S P Cr Ni Mo
0.025 1.5±0.1 0.60±0.1 ≤0.010 ≤0.020 33±1 8±1 4.5±0.5
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计方法，其特征包括以下步骤：
S1、测量双金属复合管复层不锈钢板埋弧焊焊缝基层熔化区、焊丝熔敷填充区面积，确定提高双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝各个合金元素含量；
S2、根据设计要求确定双金属复合管基层合金元素含量和双金属复合管复层不锈钢合金元素含量；确定补偿双金属复合管复层不锈钢焊缝中合金元素含量的方法；
S3、设计双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分；
通过以上步骤实现双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计；
在步骤S1中，还包括：
S11、设计双金属复合管复层不锈钢板焊接坡口尺寸；
双金属复合管复层不锈钢厚度3mm，复层焊接坡口角度45±2°，坡口深度2.0±0.5mm；
S12、设计双金属复合管复层不锈钢板三丝单道埋弧焊焊接规范；
S13、焊接双金属复合管复层不锈钢板并制作焊缝酸蚀样；
步骤S12中，三丝单道埋弧焊焊接规范为：一丝焊接电流700±50A,电弧电压32±2V，二丝焊接电流550±50A,电弧电压36±2V，三丝焊接电流500±50A,电弧电压40±2V，焊接速度1.4±0.1m/min；
焊丝选择直径φ4mm的不锈钢钢级焊丝，焊剂为SJ601焊剂；
三丝单道埋弧焊焊接规范对应的复层焊缝熔深为5.5~6.0mm；
步骤S2中，确定补偿复合管中合金元素含量的方法是：以焊缝合金元素含量与复层不锈钢板合金元素含量一致为原则设计焊丝合金元素含量，焊丝熔敷填充区合金元素含量足以补偿基层熔化区合金元素含量，并使焊丝熔敷填充区、基层熔化区与复层不锈钢板合金元素含量一致；
焊丝合金元素含量计算公式为：
A2×Di+A1×Ei=Bi×(A1+A2)
式中：A1为基层熔化面积，A2为焊丝熔敷填充面积，B为复层不锈钢板合金元素含量、D为复层不锈钢板埋弧焊焊丝对应的合金元素含量，E为双金属复合管基层合金元素含量，i为合金元素；
步骤S3中，焊丝成分进行设计时，按焊丝合金元素含量计算公式A2×Di+A1×Ei=Bi ×(A1+A2)，分别计算出焊丝对应的Mn、Si元素含量；
步骤S3中，焊丝成分进行设计时，根据双金属复合管中Cr、Ni和Mo含量，将双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝合金元素计算公式A2×Di+A1×Ei=Bi ×(A1+A2)简化为A2×Di=Bi ×(A1+A2)；按双金属复合管复层不锈钢埋弧焊焊丝合金元素简化计算公式A2×Di =Bi ×(A1+A2)分别计算出焊丝对应的Cr、Ni和Mo含量。
2.根据权利要求1所述的一种双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计方法：步骤S13中，制作焊缝缝酸蚀样的方法是：
A1、制作腐蚀溶液：腐蚀溶液配置采用36%盐酸和100%硝酸，将盐酸12ml和硝酸10ml混合；
A2、将焊接好的双金属复合管复层埋弧焊焊缝试样抛光，将抛光好的试样面朝下在溶液中浸泡至断面可见；
A3、用水和乙醇对试样进行清洗。
3. 根据权利要求1所述的一种双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计方法：步骤S2中，根据双金属复合管基层碳钢钢级按API 5L《管线钢管规范》确定双金属复合管基层碳钢合金元素含量,根据双金属复合管复层不锈钢钢级按API 5LD《内覆或衬里耐腐蚀复合管规范》确定双金属复合管复层不锈钢合金元素含量。
4.根据权利要求1所述的一种双金属复合管不锈钢埋弧焊焊丝化学成分设计方法：步骤S3中，
C≤0.025％、 S≤0.010％、P≤0.020％。
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