CN103121148A

CN103121148A - 用于焊接x100级管线钢的焊接材料及焊接工艺

Info

Publication number: CN103121148A
Application number: CN2013100437254A
Authority: CN
Inventors: 齐丽华; 池强; 吉玲康; 王鹏; 李炎华; 王海涛; 黄呈帅; 胡美娟
Original assignee: China National Petroleum Corp
Current assignee: China National Petroleum Corp
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: CN103121148B

Abstract

本发明公开了一种用于焊接X100级管线钢的焊接材料，其化学成分质量百分比为：C：0.05~0.10%，Si：0.20～0.45%，Mn：1.10～1.45%，P≤0.015%，S≤0.003%，Cr：0.20-0.40%，Mo：0.20~0.50%，Ni：1.0~3.50%，Ceq：0.38～0.48%，Pcm：0.18~0.23%，余量为Fe和微量元素。本发明还公开了一种使用上述焊接材料焊接X100级管线钢的焊接工艺。本发明提供的一种用于焊接X100级管线钢的焊接材料及焊接工艺，使X100级管线钢现场焊缝的力学性能分别达到：焊缝的抗拉强度大于760MPa，-20℃低温冲击韧性大于180J。

Description

用于焊接X100级管线钢的焊接材料及焊接工艺

技术领域

本发明属于钢铁领域，特别涉及一种用于焊接X100级管线钢的焊接材料及焊接工艺。

背景技术

目前国际上对天然气的需求保持快速增长的趋势，应用X100或更高等级的管线钢建造长距离运输管道有着重要的意义。它不仅可以提高天然气管道的运输压力，还可以通过降低管体厚度和减少环焊缝横向焊接耗材节约原材料成本。由于X100级管线钢尚处于研发阶段，国内外均没有生产出性能稳定的X100级管体材料，对X100级管线钢的现场焊接问题也没有形成较为***合理的基础理论，更没有生产出能够实际应用的性能稳定的焊丝和相对成熟的焊接工艺。

由于X100级管线钢是通过细晶强化、位错强化获得的低碳高强钢，其焊接冷裂纹敏感性较大。现场焊接时出现焊接热影响区软化、焊缝接头低温韧性较差，对现场焊接环境要求苛刻，焊接工艺较窄等特点。因此，X100级管线钢的现场焊接问题一直是难以解决的难题。

从X100级管线铺设和服役角度，还必须考虑以下两个问题：（1）在满足焊缝高强度的基础上，焊缝的低温韧性一直是难以解决的问题。必须开发出适用于现场施焊的气体保护焊丝，以保证焊缝区域强度满足要求的基础上，具有良好的低温韧性（180J-20℃），同时具备良好的焊接性；（2）由于X100级管线钢以细晶强化和位错强化为主，因此必须采取合理的焊接工艺防止出现焊接热影响区软化和焊接热影响区韧性下降问题。目前，国内还没有开发出合格的针对X100级管线钢现场焊接的专用焊丝。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能提高X100级管线钢焊缝的抗拉强度和低温冲击韧性的用于焊接X100级管线钢的焊接材料及焊接工艺。

为解决上述技术问题，本发明一个方面提供了一种用于焊接X100级管线钢的焊接材料，其化学成分质量百分比为：

C：0.05~0.10%，Si：0.20～0.45%，Mn：1.10～1.45%，P≤0.015%，S≤0.003%，Cr：0.20-0.40%，Mo：0.20~0.50%，Ni：1.0~3.50%，Ceq：0.38～0.48%，Pcm：0.18~0.23%，余量为Fe和微量元素。

本发明的另一个方面提供了一种使用上述焊接材料焊接X100级管线钢的焊接工艺，包括：在对管线钢管体进行对接环焊时，采用上述焊接材料先进行填充焊，然后进行盖面焊；所述焊接材料的强度级别为X100，管径为Ф813mm~1219mm，管壁厚度为14.3mm~30mm。

进一步地，当使用所述管径为Ф813mm、管壁厚度为14.3mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊3遍，然后进行盖面焊1遍。

进一步地，所述进行填充焊时，焊接的电流为220~280A，电压18~24V，焊接速度为25~35cm/min；

所述进行盖面焊时，焊接的电流为180~260A，电压为18~22V，焊接速度为22~32cm/min。

进一步地，当使用所述管径为Ф1016mm、管壁厚度为18.6mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊5遍，然后进行盖面焊1遍。

进一步地，所述进行填充焊时，焊接的电流为200~260A，电压18~22V，焊接速度为22~32cm/min；

所述进行盖面焊时，焊接的电流为180~240A，电压为18~22V，焊接速度为20~30cm/min。

进一步地，当使用所述管径为Ф1219mm、管壁厚度为23.5mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊7遍，然后进行盖面焊1遍。

进一步地，所述进行填充焊时，焊接的电流为200~260A，电压18~24V，焊接速度为22~32cm/min；

所述进行盖面焊时，焊接的电流为180~240A，电压为18~24V，焊接速度为20~30cm/min。

进一步地，所述管线钢焊接后得到焊缝和热影响区在-20℃时韧性大于180J，焊缝的抗拉强度大于760MPa。

本发明提供的一种用于焊接X100级管线钢的焊接材料及焊接工艺，使X100级管线钢现场焊缝的力学性能分别达到：焊缝的抗拉强度大于760MPa，-20℃低温冲击韧性大于180J。

具体实施方式

本发明提供的一种用于焊接X100级管线钢的焊接材料，其化学成分质量百分比为：C：0.05～0.10%，Si：0.20～0.45%，Mn：1.10～1.45%，P≤0.015%，S≤0.003%，Mo：0.20～0.50%，Ni：1.0～3.50%，Cu：0.12～0.50%，Ceq：0.38～0.48%，Pcm：0.18～0.23%，余量为Fe和微量元素。

本发明的埋弧焊丝以C-Mn合金系为基础，在此基础上加入了Cr、Mo、Ni等元素来提高热处理后焊缝的强韧性。本发明的埋弧焊丝的主要成分特点如下：

本发明设计的焊丝中C控制在0.05~0.10%。为了提高金属的焊接性及低温韧性，焊接材料中将尽量降低焊缝中的含碳量，这时焊缝金属的强度将主要依靠Mn、Ni、Mo、Cr等合金元素来保证。但是考虑到必需保留一定的碳含量以保证与微合金元素交互作用，碳含量的确定应充分考虑铁素体中碳的溶解度，即0.01%～0.04%。焊丝中含碳量的增加，可以增加焊缝中针状铁素体的含量，减少先共析铁素体的含量，进而提高焊缝强度。但是，焊缝中过多的含碳量，会促进焊缝中下贝氏体和马氏体的形成，导致焊缝的强度过高的同时，焊缝的韧性和抗裂性下降。

本发明焊丝中Si的含量控制在0.20～0.45%。Si是缩小γ区的元素，作为合金元素可以起到固溶强化的作用。焊缝中Si通过与O反应形成SiO2，起到脱氧的作用。在Mn与Si比例合适时，其脱氧效果极佳，有助于改善韧性。过多的Si含量会对焊缝的韧性产生不利的影响。

本发明焊丝中Mn的含量控制在1.10～1.45%。Mn是奥氏体稳定化元素，能够降低奥氏体向铁素体的转变温度。焊缝金属中Mn充当固溶强化组元，增加Mn含量有助于细化晶粒，增加针状铁素体的含量，同时减少晶界先共析铁素体和侧板条铁素体的含量，从而改善焊缝金属的韧性。在焊缝金属中Mn还可以起到脱氧的作用，而且能够与硫反应生成稳定的MnS，从而防止低熔点相FeS的生成，有利于提高焊缝金属的抗热裂纹及层状撕裂的能力。但过多的Mn含量时，易于在晶界偏析，从而导致残余奥氏体、马氏体等组织产生。

本发明焊丝中Ni的含量控制在1.0~3.50%。Ni可以使γ区扩展，与γ-Fe形成无限固溶体，与α-Fe形成有限固溶体。Ni的加入由于减小了奥氏体与铁素体的自由能差，使得γ→α的转变温度明显降低，对贝氏体转变有较大的推迟作用。在焊缝金属中Ni作为强化组元，通过晶粒细化和固溶强化获得强化效果。Ni也是最好的韧化组元，作为合金元素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，应严格限制S、P含量。

本发明焊丝中Cr和Mo的含量分别控制在0.20-0.40%和0.20~0.50%。铬和钼元素都是固溶强化元素，可以有效提高焊缝的淬透性。与Mn元素相似，可以增加焊缝中针状铁素体含量，减少先共析铁素体含量。但当超过一定数量时，会导致贝氏体或马氏体的形成。

S、P是必须严格限制的杂质元素，尽量降低其含量有利于焊接性和韧性的改善，要获得高韧性高强度的X100管线钢的焊接接头，必须严格控制硫、磷含量，现代冶金技术可以控制为P≤0.015%，S≤0.003%。本发明焊丝中含有较高的Ni元素，所以必须严格控制S含量，以防止大热输入情况下焊缝的抗热裂能力降低。P元素本身是一种低温脆化元素，应尽可能加以限制。

本发明提供的一种使用上述焊接材料焊接X100级管线钢的焊接工艺，

包括：在对管线钢管体进行对接环焊时，采用上述焊接材料先进行填充焊，然后进行盖面焊。焊接材料的强度级别为X100，管径为Ф813mm～1219mm，管壁厚度为14.3mm～30mm。当使用管径为Ф813mm、管壁厚度为14.3mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊3遍，然后进行盖面焊1遍。进行填充焊时，焊接的电流为220～280A，电压18～24V，焊接速度为25～35cm/min；进行盖面焊时，焊接的电流为180～260A，电压为18～22V，焊接速度为22～32cm/min。当使用管径为Ф1016mm、管壁厚度为18.6mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊5遍，然后进行盖面焊1遍。进行填充焊时，焊接的电流为200～260A，电压18～22V，焊接速度为22~32cm/min；进行盖面焊时，焊接的电流为180~240A，电压为18～22V，焊接速度为20~30cm/min。当使用管径为Ф1219mm、管壁厚度为23.5mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊7遍，然后进行盖面焊1遍。进行填充焊时，焊接的电流为200~260A，电压18~24V，焊接速度为22~32cm/min；进行盖面焊时，焊接的电流为180~240A，电压为18~24V，焊接速度为20~30cm/min。管线钢焊接后得到焊缝和热影响区在-20℃时韧性大于180J，焊缝的抗拉强度大于760MPa。

以下通过具体实施例来对本发明的具体实施方式进行说明。

实施例一：

本实施例提供的焊接材料的化学成分质量百分比为C：0.055%，Si：0.21%，Mn：1.11%，P：0.0015%，S：0.001%，Mo：0.22%，Ni：1.5%，Cu：0.13%，Ceq：0.385%，Pcm：0.185%，余量为Fe和微量元素。焊接材料的管径为Ф813mm、管壁厚14.3mm。目前采用E8010Ф3.2mm焊条进行根焊，焊接电流为100~130A，电压20~26V，焊接速度为8~12cm/min。填充焊和盖面焊道均采用本实施例提供的专用焊丝，其中填充焊为3遍，盖面焊为1遍。其中填充焊接的电压为220~280A，电压18~24V，焊接速度为25~35cm/min,盖面焊接的电压为180~260A，电压为18~22V，焊接速度为22~32cm/min。其焊缝组织的力学性能，经过性能检测，由表1可见，其性能达到X100级管道API Spec5L/ISO3183:2007相关技术标准要求。

实施例二：

本实施例提供的焊接材料的化学成分质量百分比为C：0.10%，Si：0.45%，Mn：1.45%，P：0.015%，S：0.003%，Mo：0.50%，Ni：3.50%，Cu：0.50%，Ceq：0.48％，Pcm：0.23%，余量为Fe和微量元素。焊接材料的管径为Ф1016mm、管壁厚18.6mm。目前采用E8010Ф3.2mm焊条进行根焊，焊接电流为100~130A，电压20~26V，焊接速度为8~12cm/min。而如果填充焊和盖面焊道均采用本实施例提供的专用焊丝，其中填充焊为5遍，盖面焊为1遍。其中填充焊接的电压为200~260A，电压18~22V，焊接速度为22~32cm/min,盖面焊接的电压为180~240A，电压为18~22V，焊接速度为20~30cm/min。其焊缝组织的力学性能，经过性能检测，由表1可见，其性能达到X100级管道相关技术标准，由表1可见，其性能达到X100级管道API Spec 5L/ISO3183:2007相关技术标准要求。

实施例三：

本实施例提供的焊接材料的化学成分质量百分比为C：0.85%，Si：0.35%，Mn：1.30%，P：0.010%，S：0.0003%，Mo：0.38%，Ni：2.55%，Cu：0.36%，Ceq：0.42%，Pcm：0.211%，余量为Fe和微量元素。焊接材料的管径为Ф1219mm、管壁厚23.5mm。目前采用E8010Ф3.2mm焊条进行根焊，焊接电流为100~130A，电压20~26V，焊接速度为8~12cm/min；填充焊和盖面焊道均采用我们试制的专用焊丝，其中填充焊为7遍，盖面焊为1遍。其中填充焊接的电压为200~260A，电压18~24V，焊接速度为22~32cm/min,盖面焊接的电压为180~240A，电压为18~24V，焊接速度为20~30cm/min。其焊缝组织的力学性能，经过性能检测，由表1可见，其性能达到X100级管道API Spec 5L/ISO3183:2007相关技术标准要求。

表1焊缝组织的力学性能表

本发明提供的一种用于焊接X100级管线钢的焊接材料及焊接工艺与现有技术相比的技术效果具体表现如下：

（1）本发明的焊丝化学成分的特点在于：Mn含量控制在1.10～1.45%，防止过量的Mn元素在晶界偏析，导致残余奥氏体、马氏体等组织产生，降低焊缝的韧性；Ni含量提高并控制在1.0~3.50%，以提高焊缝的淬透性和低温韧性；焊丝中C控制在0.05~0.10%。为了提高金属的焊接性及低温韧性，焊接材料中将尽量降低焊缝中的含碳量。同时提高了Cr和Mo的含量，分别控制在0.20-0.40%和0.20~0.50%。使得在碳含量较低的条件下，可以有效提高焊缝的淬透性，提高焊缝的强度。

（2）本发明焊丝专门用于X100级管线钢的对接环焊缝焊接。采用管径为Ф813mm～1219mm，管壁厚度为14.3mm～30mm进行试验研究，对于输送石油、天然气的高钢级焊接管线（螺旋埋弧焊管和直缝埋弧焊管），该尺寸具有普遍的代表性。无缝管和高频电阻焊管仅适用于较低钢级（X60、X70）和较低输气压力管线，因此本发明专利不适用其管线的对接连接。

（3）为防止过大的焊接热输入量引起焊缝区和焊接热影响区的范围扩大和晶粒粗大而导致焊接区的韧性降低、焊接热影响区韧性较低并出现软化现象，故而采用多层多道焊接，且保持焊接热输入量在10~15kJ/cm，相邻两道焊缝之间起到遇热和后热处理的热力学过程，使得焊缝组织具有高强度的同时保持较高的韧性。

（4）几种不同厚度管材均采用相同的根焊、填充焊和盖面焊工艺，根据管体厚度不同而填充焊接的道次略有变化，其余工艺均相同。另为保证管体对接环焊缝表面成型良好，盖面焊的电流和焊接速度略低于填充焊。即保证了表面焊缝的良好成型，同时又避免由于焊接电流过大而出现咬肉等焊接缺陷。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种用于焊接X100级管线钢的焊接材料，其特征在于，其化学成分质量百分比为：

2.一种使用权利要求1所述的焊接材料焊接X100级管线钢的焊接工艺，其特征在于：

在对管线钢管体进行对接环焊时，采用权利要求1所述的焊接材料先进行填充焊，然后进行盖面焊；

所述焊接材料的强度级别为X100，管径为Ф813mm～1219mm，管壁厚度为14.3mm～30mm。

3.如权利要求2所述的焊接工艺，其特征在于：

当使用所述管径为Ф813mm、管壁厚度为14.3mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊3遍，然后进行盖面焊1遍。

4.如权利要求3所述的焊接工艺，其特征在于：

所述进行填充焊时，焊接的电流为220～280A，电压18～24V，焊接速度为25～35cm/min；

所述进行盖面焊时，焊接的电流为180～260A，电压为18～22V，焊接速度为22～32cm/min。

5.如权利要求2所述的焊接工艺，其特征在于：

当使用所述管径为Ф1016mm、管壁厚度为18.6mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊5遍，然后进行盖面焊1遍。

6.如权利要求5所述的焊接工艺，其特征在于：

所述进行填充焊时，焊接的电流为200～260A，电压18～22V，焊接速度为22～32cm/min；

所述进行盖面焊时，焊接的电流为180～240A，电压为18～22V，焊接速度为20～30cm/min。

7.如权利要求2所述的焊接工艺，其特征在于：

当使用所述管径为Ф1219mm、管壁厚度为23.5mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊7遍，然后进行盖面焊1遍。

8.如权利要求7所述的焊接工艺，其特征在于：

所述进行填充焊时，焊接的电流为200～260A，电压18～24V，焊接速度为22～32cm/min；

所述进行盖面焊时，焊接的电流为180～240A，电压为18～24V，焊接速度为20～30cm/min。

9.如权利要求2～8任一项所述的焊接工艺，其特征在于：

所述管线钢焊接后得到焊缝和热影响区在-20℃时韧性大于180J，焊缝的抗拉强度大于760MPa。