CN101444877A

CN101444877A - X80等级钢油、气输送管埋弧焊用焊剂

Info

Publication number: CN101444877A
Application number: CNA2008100462325A
Authority: CN
Inventors: 曾志超; 毛兴贵; 朱腾辉; 李延丰; 高俊星; 王立柱; 刘立伟
Original assignee: NORTH CHINA PETROLEUM STEEL TUBE FACTORY; SICHUAN ATLANTIC CHINA WELDING CONSUMABLES Inc
Current assignee: NORTH CHINA PETROLEUM STEEL TUBE FACTORY; SICHUAN ATLANTIC CHINA WELDING CONSUMABLES Inc
Priority date: 2008-10-08
Filing date: 2008-10-08
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2028-10-08
Also published as: CN101444877B

Abstract

本发明属于一种生产X80等级钢油、气输送管用埋弧焊焊剂，包括重量百分比含量分别为：SiO₂ 14－17％，MgO 20－25％，Al₂O₃ 24－26％，CaF₂ 27－33％，CaO 3－6％，MnO 1－3％，Na₂O2－5％，TiO₂ 1.0－2.0％的主成份及粘结剂：将主成份按比例混合均匀后加入粘结剂造粒，再经低温烘烤、高温烧结、筛分即成。焊剂中各成份合理匹配对改善焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好作用，与相应的焊丝配套、其焊缝具有与X80级钢管本体相近的高强度、高韧性、较好的抗腐蚀性及较低的硬度等优良性能，并能进行单、多丝焊及内、外高速焊，多丝大线能量焊接可达100m/h，且焊缝气孔、夹渣、裂纹以及外观边缘和咬边等均完全满足API SPEC 5L和西气东输工程埋弧焊管标准要求等特点。

Description

X80等级钢油、气输送管埋弧焊用焊剂

技术领域

本发明属于金属材料焊接生产过程中与焊丝配套用焊剂，特别是一种采用埋弧焊生产X80等级钢油、气输送管用焊剂。采用该焊剂与相应的焊丝配套既能对X80等级钢进行单丝焊、多丝焊及内、外高速焊，又能满足焊接成管道(体)后焊缝具有与管道本体相近的高强度、高韧性、较好的抗腐蚀性及较低的硬度等优良性能。

背景技术

管道输送是长距离运输石油天然气最理想的运输方式，具有经济、安全、高效、节能、不间断，以及对环境破坏程度小等显著特点。因而，世界各国高度重视管道输送技术的发展，许多国家不惜花费大量财力和物力，大力发展管道运输业。管道运输已成为继公路、铁路、水路和航空运输之后的第五大运输业。

管线建设的发展趋势是向长距离、高压力、大口径发展；此外，由于从油气产地到消费地往往长达数千公里，沿途地质条件复杂、气候多变，对管线钢的强度、韧性也提出越来越高的要求。随着现代科技的发展，管线钢级别由X56、X60、X65发展到X70、X80。目前，国外管线建设普遍采用X70钢级管线钢，部分长距离管线建设开始采用X80管线钢，但全世界累计长度仅为1750km。而国内西气东输二线天然气管道干线全长约4800km，该工程干线所需的X80级Φ1219×18.4mm螺旋埋弧焊管和X80级Φ1219×22、26.4、33mm直缝埋弧焊管生产所需的焊剂、如采用X70等级钢埋弧焊用焊剂，在焊接成管道后焊缝的性能却难以与X80管材的性能更好地匹配。X70级管线钢成份的最大值为：C 0.080％，Mn 1.65％，Si 0.35％，S 0.005％，P 0.020％，Mo 0.30％，Cr 0.25％，Nb 0.06％，V0.06％，其余微量元素和铁含量97.225％，X70等级钢性能为：屈服强度485-620Mpa，最小抗拉强度570Mpa，最大屈强比0.90，最小伸长率22％，-10℃冲击功(J)平均值最小180，单个最小值135，焊接接头强度最小值570Mpa；而X80等级钢成分的最大值为：C 0.080％，Mn 1.85％，Si 0.42％，S 0.005％，P 0.020％，Mo 0.35％，Cr 0.45％，Nb 0.11％，V 0.04％，其余微量元素和铁含量97.675％，X80级管线钢性能为：屈服强度555-690Mpa，抗拉强度625-825Mpa，最大屈强比0.93，最小伸长率21％，-10℃冲击功(J)平均值最小180，单个最小值140，焊接接头强度最小625Mpa。

从以上参数和生产中的实际测得的数据得知X80等级钢性能远优于X70等级钢，因此对其焊缝各项性能指标的要求更高，现有的焊剂已不能满足X80等级钢焊管生产的需求。

发明内容

本发明的目的是研究设计一种X80等级钢油、气输送管埋弧焊用焊剂，以便与相应的焊丝配套，达到焊接成管道后焊缝的性能与X80管材的性能更理想地匹配，使焊缝具有与管道本体相近的高强度、高韧性、较好的抗腐蚀性及较低的硬度等优良性能，并能进行单丝焊、多丝焊以及内、外高速焊等目的。

本发明的解决方案是根据X80等级钢及所采用焊丝成份配制其焊剂，本发明焊剂主成份中各成份重量百分比含量为：SiO₂ 14-17％，MgO 20-25％，Al₂O₃ 24-26％，CaF₂27-33％，CaO 3-6％，MnO 1-3％，Na₂O 2-5％，TiO₂ 1.0-2.0％；将各成份(均为粉料)按比例混合均匀后、再加入物料总量20-25％的粘结剂造粒，再经100-200℃低温烘烤、700-740℃高温烧结、筛分，即制得本发明焊剂制品。

所用粘结剂为钠水玻璃或钾水玻璃、或钾钠水玻璃。本发明焊剂中：

CaF₂是一种多成因的矿物质，属于碱性氟化物，在埋弧焊剂中是一种造渣剂、稀释剂并能起到去氢作用，CaF₂在焊接电弧作用下电离出F^-，能降低电弧气氛中氢的分压，具有与碳酸盐相同的效果。CaF₂的分解能降低熔敷金属中氧的含量，有利于提高焊缝金属的低温冲击韧度，CaF₂熔点较低，能有效降低熔渣高温粘度，改善熔渣流动性，并提高导电性，改善焊缝成形，对改善焊接工艺，提高熔敷金属机械性能有很大的作用，合理的CaF₂含量能起到稳定电弧的作用，如果CaF₂过高则电弧稳定性变差，熔渣***，交流可焊性变差。试验证明CaF₂在27-33％时有较好效果。

MgO是一种强碱性物质，也是一种优良的造渣材料，它对焊缝形状的控制非常重要。对于碱性渣系，MgO能提高焊缝金属冲击韧性，降低扩散氢。但MgO熔点较高，增大熔渣粘度，提高熔渣凝固温度，抑制渣的流动性，当加入量超过30％时会使焊缝成形变差，焊道中央凸起，熔渣***，脱渣困难。所以在加入时控制在20-25％。

CaO是碱性氧化物，在焊剂中起造渣和提高焊剂碱度作用，它能有效提高焊剂抗大电流能力，改善焊缝力学性能。但CaO的al值与金属al值非常接近，它在高温液态下与表层金属形成齿状耦合，延长熔渣与液稠金属共存时间，极大的影响焊缝成形和脱渣性。但CaO易与SiO₂形成CaO(SiO₂)n的多元络合物，降低自由CaO浓度，提高熔渣al值，从而有效地改善脱渣性。加入时控制在3-6％。

Al₂O₃是两性氧化物，Al₂O₃具有增大熔渣表面张力的作用，是熔渣粘度的调整剂，通过大量的试验对比认为增加一定量的Al₂O₃会减少压坑及其倾向，但过高的Al₂O₃含量会使焊缝弧度更尖且不平滑，易产生气孔和麻点，渣壳***，Al₂O₃含量过低又使焊缝表面凹凸不平，影响成形，所以量控制在24-26％.

SiO₂是一种酸性物质，降低焊剂碱度，焊剂中与CaF₂合理搭配，能影响焊剂的抗气孔能力，一般采用高SiO₂与低CaF₂配比，反之，低SiO₂采用高CaF₂，这样会使焊剂具有优良的抗气孔性能，SiO₂参与造渣，调整渣的凝固点、表面张力及熔渣高温粘度，对焊缝成形的控制非常重要。在本次发明中，结合X80钢的特点，为了得到良好的工艺和机械性能，我们采用少量的SiO₂含量，因为过高的SiO₂含量会造成焊丝烧损过度，过大地降低焊剂碱度，使焊缝回Si增加，低温冲击韧性下降，为此，确定SiO₂含量在14-17％。

MnO在焊接过程中与SiO₂结合成复合的硅酸盐，形成良好的焊渣，保护熔敷金属，使熔敷金属不受空气中N和O的影响，而且被还原的锰元素是焊缝中主要合金成分，能提高焊缝强度和冲击韧性，同时，被还原的锰与焊缝中的S化合，形成MnS起到了脱S的作用，减少焊缝产生热裂纹倾向，为此，确定MnO含量在1-3％。

Na₂O是低电离度氧化物，能提高电弧稳定性，在焊剂中加入量控制在2-5％。

TiO₂是酸性氧化物，能改善渣的物理性能，把长渣变为短渣，使熔渣随温度的变化快，使焊缝成型良好，所以量控制在1-2％。

此外，为了满足焊缝的脱渣性、脱氧性、焊缝表面成形和良好的机械性能等要求，我们选择了Si、Mn联合脱氧并渗[Mn]的脱氧剂，而且锰的加入可以提高强度和韧性，也是一种很好的脱硫剂。焊剂中各成份合理匹配，对焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好的作用。

因而，本发明与相应的焊丝配套焊接成管道后，使焊缝具有与X80级与管道本体相近的高强度、高韧性、较好的抗腐蚀性及较低的硬度等优良性能，并能进行单丝焊、多丝焊及内、外高速焊，多丝大线能量高速焊接可达100m/h，且焊缝内部气孔、夹渣、裂纹以及外观边缘和咬边等缺陷明显降低并能完全满足API SPEC 5L和西气东输二线天然气管道工程用埋弧焊管技术标准要求等特点。

具体实施方式

实施例1：将：SiO₂ 14kg，MgO 20kg，Al₂O₃ 24kg，CaF₂ 33kg，CaO 3.0kg，MnO 3.0kg，Na₂O 2.0kg，TiO₂ 1.0kg的工业纯粉料置于混合器内、搅拌混合均匀后，加入22kg钠水玻璃混合造粒，再经150℃烘烤、720℃高温烧结，、筛分，即得焊剂碱度为2.25的焊剂。

该焊剂与化学成分(按重量百分比计)为：C 0.085％，Mn 1.63％，Si 0.32％，S 0.002％，P 0.008％，Mo 0.32％，Cu 0.12％，Ti 0.11％，Cr 0.025％，Ni 0.022％，F_e 97.354％，余量为杂质的焊丝配合；采用实测化学成分(按重量百分比计)为C 0.034％，Mn 1.63％，Si0.24％，S 0.002％，P 0.01％，Cr 0.24％，Mo 0.001％，Cu 0.14％，Ti 0.014％，Nb 0.10％，Ni 0.11％，N 0.004％，V 0.004％，F_e 97.465％，余量为杂质的X80级钢板，对Φ1219×22mm的管体实施四丝内、外高速直缝埋弧焊接。焊接接头夏比冲击试验(-10℃)结果为：管体325-415J，焊缝130-160J，热影响区205-230J，焊接接头强度为710Mpa，焊缝、母材、热影响区显微硬度(HV₁₀)检测结果分别为222-242、210-220、208-220(标准为≤275HV₁₀)。

实施例2：将工业纯粉料：SiO₂ 15kg，MgO 20kg，Al₂O₃ 26kg，CaF₂ 27kg，CaO 6.0kg，MnO2.0kg，Na₂O 2.0kg，TiO₂ 2.0kg置于混合器内、搅拌混合均匀后，加入24kg钾水玻璃混合造粒，以下与实施例1同。焊剂碱度为1.93，采用X80级钢板的实测化学成分(按重量百分比计)为C 0.047％，Mn 1.75％，Si 0.20％，S 0.002％，P 0.006％，Cr 0.28％，Mo 0.001％，Cu 0.16％，Ti 0.014％，Nb 0.10％，Ni 0.10％，N0.004％，V0.004％，F_e97.330％，余量为杂质。对Φ1219×26.4mm的管体实施四丝内、外高速直缝埋弧焊接。焊接接头夏比冲击试验(-10℃)结果为：管体405-445J，焊缝200-235J，热影响区215-245J，焊接接头强度为695Mpa，焊缝、母材、热影响区显微硬度(HV₁₀)检测结果分别为219-243、210-234、208-225(标准为≤275 HV₁₀)。

实施例3：将工业纯粉料：SiO₂ 17kg，MgO 22kg，Al₂O₃ 25kg，CaF₂ 28kg，CaO 4.0kg，MnO1.0kg，Na₂O 2.0kg，TiO₂ 1.0kg置于混合器内、搅拌混合均匀后，加入23kg钾钠水玻璃混合造粒，以下与实施例1同。焊剂碱度为1.88，采用X80级钢板的实测化学成分(按重量百分比计)为C 0.04％，Mn 1.72％，Si 0.20％，S 0.003％，P 0.006％，Cr 0.29％，Mo0.001％，Cu 0.17％，Ti 0.013％，Nb 0.10％，Ni0.12％，N 0.004％，V 0.004％，F_e 97.32％，余量为杂质。对Φ1219×33mm的管体实施四丝内、外高速直缝埋弧焊接。焊接接头夏比冲击试验(-10℃)结果为：管体410-425J，焊缝205-240J，热影响区230-250J，焊接接头强度为730Mpa；焊缝、母材、热影响区显微硬度(HV₁₀)检测结果分别为219-245、208-228、210-236(标准为≤275 HV₁₀)。

Claims

1.一种X80等级钢油、气输送管埋弧焊用焊剂，包括主成份及粘结剂，其特征在于主成份中各成份重量百分比含量分别为：SiO₂ 14-17％，MgO 20-25％，Al₂O₃ 24-26％，CaF₂27-33％，CaO 3-6％，MnO 1-3％，Na₂O 2-5％，TiO₂ 1.0-2.0％；将各成份按比例混合均匀后、再加入主成份总量20-25％的粘结剂造粒，再经100-200℃低温烘烤、700-740℃高温烧结、筛分，即制得本发明焊剂制品。

2.按权利要求1所述X80等级钢油、气输送管埋弧焊用焊剂，其特征在于粘结剂为钠水玻璃或钾水玻璃、或钾钠水玻璃。