CN114083174A

CN114083174A - 焊丝、焊接方法及其应用

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Publication number: CN114083174A
Application number: CN202010856627.2A
Authority: CN
Inventors: 付彦宏; 李国鹏; 刘华光; 侯树林; 赵波; 潘小燕; 李涛; 杨玮玮
Original assignee: Hebei Huayou Steel Pipe Design Research Institute Co ltd; China National Petroleum Corp; CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Hebei Huayou Steel Pipe Design Research Institute Co ltd; China National Petroleum Corp; CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2020-08-24
Filing date: 2020-08-24
Publication date: 2022-02-25
Anticipated expiration: 2040-08-24
Also published as: CN114083174B

Abstract

本发明公开了一种焊丝、焊接方法及其应用，属于石油天然气开采领域。焊丝包括以下重量百分比的化学成分：C：0.03％‑0.07％，Si：0.05％‑0.1％，Mn：0.5％‑0.8％，P≤0.008％，S≤0.003％，Cu：0.6％‑0.8％，Ni：0.3％‑0.4％，Ti：0.05％‑0.09％，B：0.005％‑0.009％，Mo：0.1％‑0.2％，O：0.035％‑0.055％，N≤0.06％，其余为Fe及杂质；其中，Mn+Cu+Ni+Mo的重量百分比为1.5％‑1.9％，Ti/B为9‑11，Cu/Ni≤2。本发明焊缝抗拉强度≥530MPa，焊缝耐‑40℃的低温冲击。

Description

焊丝、焊接方法及其应用

技术领域

本发明涉及石油天然气开采领域，特别涉及一种焊丝、焊接方法及其应用。

背景技术

石油天然气开采领域，在温度较低的开采区域，二氧化硫(H₂S)含量较大，且地层温度低，容易对埋设在地层内的管道造成腐蚀，且由于该地区温度低，对管道的材质提出了更高的要求。

相关技术提供的管道包括以下重量百分比的组分：C：0.03～0.04wt％，Si：0.25～0.35wt％，Mn：≤1.20wt％，P：≤0.008wt％，S：≤0.001wt％，Cu：0.10～0.20wt％，Ni：0.10～0.20wt％，Cr：≤0.15wt％，Nb：0.05～0.10wt％，V：≤0.06wt％，Ti：0.15～0.20wt％，Mo：0.01～0.02wt％，Al：0.04～0.10wt％，B≤0.0005wt％，Ca≤0.002wt％，其余为铁和不可避免的杂质。

发明人发现，相关技术中存在以下技术问题：

相关技术公开的焊丝，在温度低于-10℃时，会使得通过该焊丝焊接的管道易出现裂纹，进而导致天然气或石油泄漏。

发明内容

本发明实施例提供了一种焊丝、焊接方法及其应用，可以解决相关技术中在温度低于-40℃时，会使得通过该焊丝焊接的管道易出现裂纹，进而导致天然气或石油泄漏的问题。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种焊丝，所述焊丝包括以下重量百分比的化学成分：C：0.03％-0.07％，Si：0.05％-0.1％，Mn：0.5％-0.8％，P≤0.008％，S≤0.003％，Cu：0.6％-0.8％，Ni：0.3％-0.4％，Ti：0.05％-0.09％，B：0.005％-0.009％，Mo：0.1％-0.2％，O：0.035％-0.055％，N≤0.06％，其余为Fe及杂质；

其中，Mn+Cu+Ni+Mo的重量百分比为1.5％-1.9％，Ti/B为9-11，Cu/Ni≤2。

可选地，所述焊丝包括以下重量百分比的化学成分：C：0.05％-0.07％，Si：0.07％-0.09％，Mn：0.6％-0.7％，P≤0.008％，S≤0.003％，Cu：0.7％-0.8％，Ni：0.35％-0.4％，Ti：0.05％-0.09％，B：0.005％-0.009％，Mo：0.15％-0.2％，O：0.035％-0.055％，N≤0.06％，其余为Fe及杂质；

其中，Mn+Cu+Ni+Mo的重量百分比为1.6％-1.9％，Ti/B为10-11,Cu/Ni≤2。

可选地，所述焊丝的直径为3-4mm。

另一方面，本发明实施例提供了一种焊接方法，所述方法包括将权利要求1所述的焊丝与碱性焊剂匹配进行焊接。

可选地，所述碱性焊剂的碱度为1.3％-1.5％。

可选地，所述方法还包括在33-48V的电压下进行焊接。

可选地，所述方法还包括在600-1100A的电流下进行焊接。

可选地，所述方法还包括以1.55-1.66m/min的焊接速率进行焊接。

可选地，所述方法还包括对管道的内层焊接与外层焊接，所述内层焊接与所述外层焊接的焊接电流均为600-1100A。

还一方面，本发明实施例提供了一种焊丝的应用，将上述任一所述的焊丝用于天然气或石油管线钢管埋弧的焊接。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的焊丝在焊接时，能够获得适应天然气或石油管道焊接接头要求的焊缝，焊缝抗拉强度≥530MPa，焊缝可以耐-40℃的低温冲击，且-40℃冲击韧性平均值≥90焦耳，并具备优良的耐二氧化硫腐蚀性能。

具体实施方式

除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。

本发明实施例提供了一种焊丝，该焊丝包括以下重量百分比的化学成分：C：0.03％-0.07％，Si：0.05％-0.1％，Mn：0.5％-0.8％，P≤0.008％，S≤0.003％，Cu：0.6％-0.8％，Ni：0.3％-0.4％，Ti：0.05％-0.09％，B：0.005％-0.009％，Mo：0.1％-0.2％，O：0.035％-0.055％，N≤0.06％，其余为Fe及杂质；

其中，Mn+Cu+Ni+Mo的重量百分比为1.5％-1.9％，Ti/B为9-11,Cu/Ni≤2。

本发明实施例提供的焊丝至少具有以下技术效果：

本发明实施例提供的焊丝在焊接时与碱性焊剂(碱度1.3-1.5)匹配，能够获得适应天然气或石油管道焊接接头要求的焊缝，焊缝抗拉强度≥530MPa，焊缝可以耐-40℃的低温冲击，且-40℃冲击韧性平均值≥90焦耳，并具备优良的耐二氧化硫腐蚀性能。

以下将通过可选地实施例进一步地描述本发明实施例提供的焊丝。

在以下可选地实施例中，所涉及的操作未注明条件者，均按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用原料未注明生产厂商及规格者均为可以通过市购获得的常规产品。

可选地，焊丝包括以下重量百分比的化学成分：C：0.05％-0.07％，Si：0.07％-0.09％，Mn：0.6％-0.7％，P≤0.008％，S≤0.003％，Cu：0.7％-0.8％，Ni：0.35％-0.4％，Ti：0.05％-0.09％，B：0.005％-0.009％，Mo：0.15％-0.2％，O：0.035％-0.055％，N≤0.06％，其余为Fe及杂质；

作为一种示例，本发明实施例提供的焊丝，C的重量百分比可以为0.03％、0.04％、0.05％、0.06％、0.065％、0.07％等；Si的重量百分比可以为0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％、0.1％等；Mn的重量百分比可以为0.5％、0.55％、0.6％、0.65％、0.7％、0.75％、0.8％等；P的重量百分比可以为0.008％、0.007％、0.006％、0.005％、0.004％、0.003％、0.002％、0.0025％、0.001％等；S的重量百分比可以为0.003％、0.002％、0.0025％、0.001％等；Cu的重量百分比可以为0.6％、0.62％、0.64％、0.65％、0.67％、0.69％、0.7％、0.75％、0.76％、0.79％、0.8％等；Ni的重量百分比可以为0.3％、0.31％、0.32％、0.33％、0.34％、0.35％、0.36％、0.37％、0.38％、0.39％、0.4％等；Ti的重量百分比可以为0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％等；B的重量百分比可以为0.005％、0.006％、0.007％、0.008％、0.009％等；Mo的重量百分比可以为0.1％、0.11％、0.12％、0.13％、0.14％、0.15％、0.16％、0.17％、0.18％、0.19％、0.2％等；O的重量百分比可以为0.035％、0.036％、0.037％、0.038％、0.040％、0.045％、0.046％、0.048％、0.05％、0.055％等；N的重量百分比可以为0.06％、0.05％、0.04％、0.03％、0.02％、0.01％等。

Mn+Cu+Ni+Mo的重量百分比为1.5％-1.9％。示例的，可以为1.5％、1.6％、1.7％、1.8％、1.9％等。Ti/B为9-11，示例的，可以为9、10、11等。Cu/Ni≤2，示例的，Cu/Ni的值可以为2、1.5、1等。

通过本发明实施例提供的焊丝与碱性焊剂(产品代号为SJ101S)碱度为1.3-1.5％，共同用于低温环境下抗H₂S腐蚀管线钢埋弧焊接时，该钢管的型号为X52MS-X60MS。经过测试，通过本发明实施例提供的焊丝进行焊接后，焊缝可以耐-40℃的冲击，且-40℃冲击韧性平均值≥90焦耳，焊接接头的抗拉强度≥530MPa，且焊接接头经过试验测试具备优良的耐H₂S腐蚀性能。

本发明实施例提供的焊丝采用上述含量的化学成分，采用现有的冶炼技术，在炼钢过程中通过调整各化学成分的含量即：降低C、Mn、Si、P、S含量、增加Cu含量并控制Mn+Cu+Ni+Mo总含量以及Ti/B等含量的方式，得到低C、Mn、P、S含量的多元合金材料，作为本发明实施例提供的焊丝。以下将对本发明实施例提供的焊丝所选用的化学成分进行进一步地说明：

基于C元素对焊缝的强韧性具有较大影响，C含量较低时，焊缝强度较低，铁素体比例增加，韧性较好。C含量较高时，易出现马氏体，使焊丝的硬度升高，焊丝对裂纹的敏感性增加，容易引起碳化物偏析，造成偏析区的硬度与周围组织存在差异，宜导致氢致开裂(Hydrogen induced cracking，简称HIC)。考虑到本发明实施例提供的焊丝可以用于含钢量较低的管道的焊接，因此，将C含量控制在0.03-0.07％之间，可以提高通过焊丝焊接后焊缝的韧性和抗氢致开裂。

Si具有脱氧作用，通过镇静焊接时形成的熔池、增加熔池内的流动性来消除焊接式出现的气孔以提高焊丝的焊接性。同时Si对于抗H₂S腐蚀有显著的影响。当Mn、Si同时存在时，随着Mn-Si含量的增加，Si元素易于偏析于晶粒边缘，会助长晶间裂纹的形成，导致焊缝硬度过高，影响焊缝抗H₂S腐蚀性能，且P在晶界上的偏析浓度与Si含量有关，Si和P在晶界上形成Si-P复合物，促使晶界脆化。因此，Si含量不易太高，示例的，可以在0.05-0.1％之间。

Mn元素可以起脱氧作用，防止在焊接过程中导致热裂纹产生的碳化铁夹杂物形成，促使铁素体晶粒和碳化物细化，从而提高焊缝的强度和韧性。但Mn和S结合易于形成MnS，产生带状偏析，易于表现出高硬度，易产生裂纹，导致氢原子易于聚集于此，增加焊后组织开裂倾向，易萌生裂纹并扩展直至断裂，使焊缝中抵抗硫化物应力腐蚀的能力降低。所以，本发明实施例中Mn含量控制在0.5-0.8％较低的范围内，可以降低焊丝焊接后焊缝的强度以及增强通过焊丝焊接后的焊缝的抗H₂S腐蚀性能。

S、P元素均为杂质元素，即使含量很低，但也可以提高焊丝焊接后焊缝的抗H₂S腐蚀能力。其中，S元素易于形成MnS的带状分布和FeS非金属夹杂物，使局部显微组织疏松，会诱发点蚀和应力腐蚀开裂，促使析氢腐蚀加剧，增加了湿硫化氢环境下焊缝的HIC的敏感性。P元素也能在MnS、氧化物杂质以及晶界上形核扩展，磷的偏析易于造成磷化铁带状组织，易导致HIC开裂。因此，将S、P的含量控制的越低越好，即本发明实施例提供的P≤0.008％，S≤0.003％。

Cu元素可以提高焊丝的耐腐蚀性能，但是Cu含量超过1.0％时会大幅度降低焊缝的韧性，Cu含量在0.15-0.85％之间对焊缝金属既能强化又能韧化，还能提高焊接接头的耐腐蚀性能，因此，本发明实施例中，将Cu的含量控制在0.6-0.8％之间。

Ni元素在焊缝金属中作为强化元素，通过晶粒细化和固溶强化提高焊缝强度，也能降低焊缝金属的韧脆转变温度。Ni是本发明实施例中一个重要的控制元素，因此将Ni含量控制在0.3-0.4％之间，Cu是低熔点金属，Cu偏聚会造成Cu裂，Ni可以控制Cu偏聚，控制Cu/Ni≤2可避免Cu偏聚造成的裂纹。

Ti元素在焊缝金属中韧化效果很好，Ti与奥氏体中的N反应生成TiN颗粒，TiN具有很低的溶解度，在焊缝中形成很细的弥散物，可以有效地阻止晶粒长大，同时成为针状铁素体的形核核心，有效提高焊缝的低温韧性。此外，Ti与N反应生成TiN颗粒，避免N与B反应使B在焊丝中的作用降低。过高的Ti会形成粗大夹杂物降低焊缝韧性也降低焊缝耐腐蚀性。因此，将Ti含量控制在0.05-0.09％之间，微量B偏聚在晶界阻止先共析铁素体形成，促进针状铁素体形成，显著提高焊缝低温韧性，降低韧脆转变温度，过量的B会降低焊缝低温韧性，升高焊缝韧脆转变温度。B含量0.005-0.009％，且Ti/B在9-11之间促进形成的夹杂物细小均匀，抑制先共析铁素体形成、促进生成细小均匀针状铁素体，从而提高焊缝低温韧性，N含量过高会使B的作用减弱甚至消失，过多N会使焊缝韧性变差，因此本发明实施例中的N含量小于等于0.06％。

O元素含量过高会形成粗大的夹杂物，降低焊缝韧性同时降低焊缝耐H₂S腐蚀性能。对于低Mn焊缝，O含量过低，形成细小夹杂物过少，针状铁素体成核点少，导致针状铁素体减少，使焊缝低温韧性下降。因此，本发明实施例提供的O含量控制在0.035-0.055％之间。

Mo元素在焊缝中易促进针状铁素体形核，对焊缝低温冲击韧性有一定的改善作用，但另一方面，Mo对焊缝强度的影响也很大，随着Mo含量的增加，焊缝强度呈直线上升，为了避免强度过高而造成应力腐蚀敏感性增加，且考虑适应于低钢级的焊接，故将Mo含量控制在0.1-0.2％之间。Mn+Cu+Ni+Mo含量过低会导致先共析铁素体生成，降低焊缝低温韧性，Mn+Cu+Ni+Mo含量过高会导致焊缝硬度高，从而导致焊缝的抗H₂S腐蚀能力降低，Mn+Cu+Ni+Mo含量控制在1.5-1.9％范围，可以获得良好焊缝低温韧性和抗H₂S耐腐蚀能力。

可选地，焊丝的直径为3-4mm。

本发明实施例提供的焊丝的直径可以为3mm、3.1mm、3.5mm、4mm等。

另一方面，本发明实施例提供了一种焊接方法，该方法包括将上述的焊丝与碱性焊剂进行匹配进行焊接。

可选地，碱性焊剂的碱度为1.3％-1.5％。

本发明实施例通过将碱性焊剂的碱度限制在1.3％-1.5％之间，可以保证碱性焊剂与本发明实施例提供了焊丝更好的配合，使得焊接后的焊缝可以耐-40℃的低温，且具有很好的抗H₂S腐蚀能力。

可选地，该焊接方法还包括在33-48V的电压下进行焊接。

示例的，本发明实施例提供的焊接方法可以在33V、36V、38V、48V的电压下进行焊接。

可选地，该焊接方法还包括在600-1100A的电流下进行焊接。

示例的，本发明实施例提供的焊接方法可以在600A、700A、900A、1100A的电流下进行焊接。

可选地，该焊接方法还包括以1.55m/min-1.66m/min的焊接速率进行焊接。

示例的，本发明实施例提供的焊接方法可以1.55m/min、1.66m/min的焊接速率进行焊接。

可选地，该焊接方法还包括对管道的内层焊接与外层焊接，内层焊接与外层焊接的焊接电流均为600-1100A。

以下结合优选实施例对本发明实施例提供的焊丝作进一步的说明。

实施例1：

焊丝化学成分如表1所示。

表1焊丝化学成分％

C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Ti	B	Mo	O	N
												0.06	0.07	0.75	0.003	0.001	0.62	0.31	0.07	0.007	0.16	0.04	0.05

采用本发明实施例提供的焊丝结合碱性焊剂(商品代号为SJ101S)(碱度1.3)进行X52钢级Φ914×23.83mm抗酸埋弧焊管试制，X52MS管线钢的主要化学成分为C：0.03％；Mn：1.09％；Si：0.24％；Ni：0.106％；Cr：0.12％；Cu：0.15％；Nb：0.028％；Ti：0.01％。埋弧焊管试制焊接工艺参数如表2。

表2焊接工艺参数

X52MS抗酸埋弧焊管焊接后焊缝形貌好，焊后焊缝力学性能如表3所示。对焊缝进行HIC、硫化物抗腐蚀性能检测，采用A溶液(硫化氢饱和5.0％氯化钠+0.5％冰乙酸)，试验开始前测试PH值为2.7，试验结束时，PH值3.6，抗腐蚀性能见表4和表5。

表3焊接接头力学性能检测结果

表4焊接接头HIC性能检测结果(A溶液，96小时)

截面	CLR(％)	CTR(％)	CSR(％)
				截面单值	0、0、0	0、0、0	0、0、0
平均值	0	0	0

表5焊接接头SSCC性能检测结果(方法B四点弯曲，A溶液，720小时)

实施例2：

焊丝化学成分如表6所示。

表6焊丝化学成分％

C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Ti	B	Mo	O	N
												0.03	0.10	0.55	0.005	0.001	0.75	0.40	0.08	0.008	0.10	0.05	0.055

采用本发明实施例提供的焊丝结合碱性焊剂(商品代号为SJ101S)(碱度为1.5)进行X60钢级Φ559×16mm抗酸埋弧焊管试制，X60MS管线钢的主要化学成分为C：0.03％；Mn：1.25％；Si：0.24％；Ni：0.1％；Cr：0.19％；Cu：0.15％；Nb：0.042％。埋弧焊管试制焊接工艺参数如表7。

表7焊接工艺参数

X60MS抗酸埋弧焊管焊接后焊缝形貌好，焊后焊缝力学性能如表8所示。对焊缝进行HIC、SSCC抗腐蚀性能检测，采用A溶液(硫化氢饱和5.0％氯化钠+0.5％冰乙酸)，试验开始前PH值2.7，试验结束时，PH值3.8，抗腐蚀性能见表9和表10。

表8焊接接头力学性能检测结果

表9焊接接头HIC性能检测结果(A溶液，96小时)

表10焊接接头SSCC性能检测结果(方法B四点弯曲，A溶液，720小时)

其中，上述表中，碱性焊剂(商品代号为SJ101S)(碱度1.3-1.5)为高纯净度原料，焊剂中的S、P含量等杂质比较低，焊接过程中过渡到焊缝中的S、P含量低，减少了氢的聚集点，增强了焊缝的抗H2S耐腐蚀能力。

采用该焊丝与焊剂进行X52MS-X60MS管线钢埋弧焊接后，确保焊缝既具有较好的低温冲击韧性、拉伸强度，同时又具有十分优异的抗HIC和SSCC性能。

还一方面，本发明实施例还提供了一种焊丝的应用，将上述任一的焊丝用于天然气或石油管线钢管埋弧的焊接。

上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本公开的可选实施例，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的说明性实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种焊丝，其特征在于，所述焊丝包括以下重量百分比的化学成分：C：0.03％-0.07％，Si：0.05％-0.1％，Mn：0.5％-0.8％，P≤0.008％，S≤0.003％，Cu：0.6％-0.8％，Ni：0.3％-0.4％，Ti：0.05％-0.09％，B：0.005％-0.009％，Mo：0.1％-0.2％，O：0.035％-0.055％，N≤0.06％，其余为Fe及杂质；

2.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，所述焊丝包括以下重量百分比的化学成分：C：0.05％-0.07％，Si：0.07％-0.09％，Mn：0.6％-0.7％，P≤0.008％，S≤0.003％，Cu：0.7％-0.8％，Ni：0.35％-0.4％，Ti：0.05％-0.09％，B：0.005％-0.009％，Mo：0.15％-0.2％，O：0.035％-0.055％，N≤0.06％，其余为Fe及杂质；

3.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，所述焊丝的直径为3-4mm。

4.一种焊接方法，其特征在于，所述方法包括将权利要求1所述的焊丝与碱性焊剂匹配进行焊接。

5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述碱性焊剂的碱度为1.3％-1.5％。

6.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述方法还包括在33-48V的电压下进行焊接。

7.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述方法还包括在600-1100A的电流下进行焊接。

8.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述方法还包括以1.55-1.66m/min的焊接速率进行焊接。

9.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，所述方法还包括对管道的内层焊接与外层焊接，所述内层焊接与所述外层焊接的焊接电流均为600-1100A。

10.一种焊丝的应用，其特征在于，将权利要求1-3任一所述的焊丝用于天然气或石油管线钢管埋弧的焊接。