CN111687562A - 一种适用于抗细菌腐蚀集输管线钢埋弧焊接用焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于抗细菌腐蚀集输管线钢埋弧焊接用焊丝，该焊丝的成分按重量百分比为：C：0.04～0.07％、Mn：0.25～0.5％、Si：0.1～0.22％、P≤0.005％、S≤0.004％、Cu：2.0～2.5％、Ni：0.8～1.3％、Ti：0.02～0.05％、B：0.005～0.012％、Re：0.06～0.15％，其余为Fe，且1/3≤Ni/Cu≤2/3。本发明焊丝主要针对X42～X65钢级抗细菌腐蚀集输管线钢埋弧焊接用焊丝而开发，发明焊丝在降Mn的基础上，增加Cu，引入Re，以确保X42～X65钢级抗细菌腐蚀集输管焊接接头的力学性能和优异的抗细菌腐蚀性能。

Description

一种适用于抗细菌腐蚀集输管线钢埋弧焊接用焊丝

技术领域：

本发明涉及焊接材料领域，具体涉及一种适用于抗细菌腐蚀集输管线钢埋弧焊接用焊丝。

背景技术：

随着全球天然气市场需求的不断增长，世界各国越来越重视非常规天然气特别是页岩气等的开发与利用。在页岩气田开采集输过程中，通常含有硫酸盐还原菌(SRB)、铁细菌(IB)等细菌，特别是四川、新疆等地的页岩气集输管线存在严重的微生物腐蚀，极易造成集输管网腐蚀减薄和穿孔失效，所以需开发出满足现场服役要求的抗微生物腐蚀集输管材新产品。

在钢中加入定量的Cu元素，可破坏细菌的蛋白质凝固和酶***，导致细菌繁殖能力丧失和代谢***紊乱，含Cu钢材可实现良好抗菌能力。但要将含Cu钢制成埋弧集输焊管，在埋弧焊接过程中，含Cu量较大的焊缝极易铜脆开裂。目前，油气田集输管普遍采用X65钢级及以下，国内无缝抗细菌腐蚀集输钢管已成功开发，但是未见抗细菌腐蚀集输埋弧焊管，这主要受制于埋弧焊接专用焊丝开发。中国专利CN108247234A，主要针对X80钢级左右的焊丝，焊丝中的Mn含量较高，Mn含量设计在0.6～1.2wt％，Cu含量设计在0.5～1wt％，抗拉强度达到700MPa以上，属于高强度的管线钢用焊丝，不适合较低钢级的集输管线，也没有抗细菌腐蚀试验数据，抗细菌腐蚀性不得而知。中国专利CN104907731A、CN106001987A、CN109048117A等埋弧焊丝Cu含量设计最高在0.5～0.9wt％范围内，焊丝焊接后的焊缝金属具有耐腐蚀能力，但Cu含量本身不高，再加上Cu经过焊接的烧损，焊缝金属无法达到优异的抗菌腐蚀性能，加上上述专利没有抗细菌腐蚀试验数据，采用这些焊丝施焊后的焊缝抗细菌腐蚀性能无法保障。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种适用于抗细菌腐蚀集输管线钢埋弧焊接用焊丝，该焊丝配合相应的BG-SJ101G4焊剂与抗细菌腐蚀集输管线钢(290～450Mpa)进行埋弧焊接后，可保证焊接接头硬度≤235HV10，-20℃焊接接头夏比吸收功≥100J，焊接接头拉伸强度适中，且焊接接头具有十分优异的抗细菌腐蚀性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种适用于抗细菌腐蚀集输管线钢埋弧焊接用焊丝，焊丝的成分按重量百分比为：C：0.04～0.07％、Mn：0.25～0.5％、Si：0.1～0.22％、P≤0.005％、S≤0.004％、Cu：2.0～2.5％、Ni：0.8～1.3％、Ti：0.02～0.05％、B：0.005～0.012％、Re(稀土元素)：0.06～0.15％，其余为Fe，且1/3≤Ni/Cu≤2/3。

本发明的抗细菌腐蚀集输管线钢埋弧焊接用焊丝的成分设计思路如下所示：

(1)C是焊缝组织中的主要强化元素，C含量过高会影响焊缝金属的抗裂性能和冲击韧性，在焊缝中也是致脆元素，容易引起焊接性能变差，尤其易于引起焊缝碳化物偏析与周围组织的差异，并造成偏析区的硬度升高，导致夹杂物腐蚀破裂敏感性升高。因此，本焊丝采用超低碳设计，将C控制在0.04％～0.07％；

(2)Mn是良好的脱氧剂和固溶强化元素，能提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性，但Mn却极易形成组织上的偏析和夹杂，是抗腐蚀管中的“癌症”。Mn和S结合易形成MnS，产生带状偏析，易于表现出高硬度和夹杂，导致H原子在此聚集，增加焊后组织开裂倾向，萌生裂纹并扩展直至断裂，Mn含量低于0.25％则难以达到必要的强度和韧性，本焊丝采用超低Mn设计，Mn含量控制在0.25％～0.5％之间；

(3)Si在焊缝金属中主要起脱氧和强化作用，Si≤0.10％不能充分脱氧，Si对于冲击韧性及抗腐蚀有显著的改善作用，但在焊缝中易于形成气孔等缺陷，Si元素易偏析于晶粒边缘，会助长晶间裂纹的形成，致使焊缝及热影响区硬度过高，影响焊缝的抗腐蚀性能，且P在晶界上的偏析浓度与Si含量有关，因此将焊丝中Si含量控制在0.10％～0.22％之间；

(4)P、S作为杂质元素含量越低越好，抗细菌腐蚀焊丝要求对P、S元素控制的越低越好，因此将焊丝中P含量控制在0.005％以下，S含量控制在0.004％以下；

(5)Cu可以提高焊丝用盘条的抗细菌腐蚀能力，Cu和C一样可以提高奥氏体的稳定性，增加奥氏体的过冷度，提高铁素体的形核率，起到细化晶粒的作用，大幅度增加Cu可以弥补Mn含量降低所损失的强度，Cu元素通过沉淀强化对焊缝起到强化和抗腐蚀关键性作用，再加上焊接后对焊缝的时效热处理，可弥散析出纳米尺寸富Cu相，增加Cu的析出强化。为焊缝获得优异的抗细菌腐蚀性能，在考虑Cu元素在焊接时候的烧损和稀释性，在焊丝设计中，大幅增加了Cu含量，同样，Cu含量过高，会增加焊接接头产生热裂纹的敏感性，会对钢的冲击韧性产生不利影响，本发明的焊丝将Cu含量设定为2.0～2.5％之间；

(6)Ni降低焊缝金属的低温脆性转变温度，又能保持良好的塑性和韧性。将Ni引入焊缝，一方面抵消低Mn带来的强度损失，提高对焊缝疲劳的斥力和低温脆性转变温度，另一方面主要是调节焊缝因增Cu后的强韧性和可焊接性。Ni不仅耐酸，而且耐碱，能细化组织促使针状铁素体的形成，但是Ni含量太高也易于导致焊缝硬度升高，考虑到针对抗细菌腐蚀板本身强度(290～450Mpa)，以及控制焊缝金属1/3≤Ni/Cu≤2/3，可以避免焊缝凝固时产生低熔点Cu而产生的裂纹，本发明的抗酸焊丝中添加较多Ni，Ni含量控制在0.8～1.3％之间；

(7)Ti和B可以适用于埋弧焊大线能量的焊接，Ti的韧化效果最好。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，可以有效的阻止晶粒长大，同时成为形核核心，提高焊缝的韧性，将Ti控制在0.02％～0.05％之间；B原子半径很小，可在晶界形成偏析，控制奥氏体迁移，可减少先共析铁素体和侧板条铁素体量，提高韧性，但对冷速敏感性较高，使焊缝金属的组织和性能一致性变差，本发明的抗细菌腐蚀焊丝将B控制在0.005％～0.012％之间；

(8)Re：稀土元素，优先选用Ce、La，在焊丝中加入微量的Ce、La元素可以有效降低氧化物、氮化物、硫化物等夹杂含量，改变夹杂物形态，最主要的是Ce、La可使焊缝在固液态时的Cu热脆区明显缩小，热脆区下限上移，尤其是可大幅度降低富Cu焊缝的裂纹敏感性，同时Ce、La可以提高焊接熔池流动性，进一步降低焊缝中气体和夹杂含量，改善焊缝冶金质量。本发明将Re含量控制在0.06-0.15％

本发明的有益效果在于：

1、本发明焊丝与焊剂配合抗细菌腐蚀管线钢焊接作业性能极佳，电弧稳定，焊缝成型美观，容易脱渣，尤其是抗Cu裂性好。

2、本发明焊丝与焊剂埋弧焊接且时效热处理后的焊接接头，力学性能适中，采用本发明焊丝与相应的焊剂进行抗细菌腐蚀管线钢(290～450Mpa)内外双面埋弧焊接后，焊缝金属强度控制适中，硬度控制较低，且具有优良的低温冲击性能，其内外焊缝硬度≤235HV10，夏比冲击功为AKv(-20℃)≥100J。

3、本发明焊丝与焊剂配合焊后，并经过时效热处理后的焊缝金属抗细菌性能极佳，采用本发明焊丝与相应的焊剂进行抗细菌腐蚀管线钢(290～450Mpa)内外双面埋弧焊接后，在某油田现场采排液(SRB含量2500个/ml)中浸泡720h，焊接接头点蚀深度均≤5μm，细菌腐蚀速率远远小于同钢级对比试样，具有优异的抗细菌腐蚀性能。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明焊丝与BG-SJ101G4焊剂共同用于抗细菌腐蚀管线钢埋弧焊接。抗细菌腐蚀集输管线钢强度为290～450Mpa，对应钢级是X42～X65。

表1焊丝化学成分wt％

采用本发明抗细菌腐蚀管线钢用埋弧焊丝，配合高纯净度的BG-SJ101G4焊剂施焊得到具有优良综合力学性能的熔敷金属。本发明按设定的焊丝成分制作了两种适应不同钢级的焊丝，焊丝化学成分如表1。

分别采用表1中A和B两种焊丝成分的4.0mm埋弧焊丝，结合高纯净BG-SJ101G4焊剂进行熔敷金属试验，焊接用试板都采用Q235，厚度为20mm，坡口角度30°，根部间隙为12mm。焊接电流480A，电压28V，焊接速度25m/h；道间温度150±8℃，取样位置及试验方法等均按国标GB/T12470执行。检测结果表明，两种焊丝成分的熔敷金属屈服强度都≥400MPa，两种焊丝成分的抗拉强度都≥480MPa，两种焊丝成分延伸率都≥23％，两种焊丝成分-20℃冲击吸收功都≥68J。

采用本发明制作的A焊丝结合高纯净BG-SJ101G4焊剂进行X42抗细菌腐蚀集输管线钢埋弧焊管试制，采用本发明制作的B焊丝结合高纯净BG-SJ101G4焊剂进行X65抗细菌腐蚀集输管线钢埋弧焊管试制，X42/X65抗细菌腐蚀管线钢板材的主要化学成分如表2所示，试制焊接工艺参数如表3所示。

表2钢板化学成分wt％

表3试制焊接工艺参数

采用本发明制作的两种焊丝，结合高纯净BG-SJ101G4焊剂进行X42/X65抗细菌腐蚀管线钢埋弧焊管试制后，焊缝表面成型好，焊趾过渡平滑。

埋弧焊接后，对焊管焊接接头加热530℃～580℃时效处理1～2小时，使焊缝中固溶的Cu发生时效析出。具体的，焊接后对X42焊管焊接接头加热至550℃时效处理1小时，对X65焊管焊接接头加热至560℃时效处理2小时，使焊缝中固溶的Cu发生时效弥散析出。

时效热处理后焊缝力学性能全部满足APISPEC5L相关钢级标准要求，焊接接头力学性能结果见表4。对焊接接头进行HIC性能检测，采用A溶液(硫化氢饱和5％NaCl+0.5％冰乙酸)，试验开始pH值2.7，试验结束时，pH值3.7～3.9，耐氢致开裂性能见表5，全部满足APISPEC5L及NACE0284等相关力学及腐蚀标准要求。

表4抗细菌腐蚀集输管焊接接头力学性能检测结果

表5抗细菌腐蚀集输管焊接接头HIC性能检测(A溶液，96小时)

表6焊接接头抗细菌腐蚀性能检测

对实施例焊接接头，和普通X42/X65钢级集输管焊接接头同时进行抗细菌腐蚀对比试验。试验选用四川某油气田含细菌的采排液，经过测定，采排液中硫酸盐还原菌(SRB)数量含量2500个/ml，总矿化度约37000mg/L，将所有抗细菌腐蚀管焊接接头和常规普通集输管焊接接头对比样挂片浸泡720小时后，取出称重测量腐蚀速率，并通过激光共聚焦显微镜检测腐蚀后样品表面由硫酸盐还原菌腐蚀导致的点蚀深度，测试结果见表6所示。通过表6可见，采用抗细菌腐蚀集输管线钢埋弧焊接用焊丝焊接制造的X42/X65抗细菌腐蚀集输管焊接接头，在细菌中的平均腐蚀速率远远低于常规X42/X65对比管，且平均点蚀深度也远远低于常规X42/X65对比管。

因此，从上述结果可以看出：本发明实施例中焊接接头力学性能适中，焊接接头抗细菌腐蚀点蚀深度均较浅，腐蚀速率较低，抗细菌腐蚀能力极强。

Claims (4)

1.一种适用于抗细菌腐蚀集输管线钢埋弧焊接用焊丝，其特征在于：所述焊丝的成分按重量百分比为：C：0.04～0.07％、Mn：0.25～0.5％、Si：0.1～0.22％、P≤0.005％、S≤0.004％、Cu：2.0～2.5％、Ni：0.8～1.3％、Ti：0.02～0.05％、B：0.005～0.012％、Re：0.06～0.15％，其余为Fe，且1/3≤Ni/Cu≤2/3。

2.根据权利要求1所述的一种适用于抗细菌腐蚀集输管线钢埋弧焊接用焊丝，其特征在于：Re采用Ce和La。

3.根据权利要求1所述的一种适用于抗细菌腐蚀集输管线钢埋弧焊接用焊丝，其特征在于：所述焊丝适用于抗细菌腐蚀集输管线钢的埋弧焊接，适用于强度为290Mpa～450Mpa管线钢，钢级为X42～X65；埋弧焊接采用的焊剂为BG-SJ101G4。

4.根据权利要求3所述的一种适用于抗细菌腐蚀集输管线钢埋弧焊接用焊丝，其特征在于：埋弧焊接后，对焊管焊接接头加热530℃～580℃，时效保温处理1～2小时。