CN1132718C - 高性能管线钢埋弧焊焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高性能管线钢埋弧焊焊丝，其化学成分按重量百分数计含有：C 0.05～0.12，Si 0.005～0.100，Mn 1.20～1.90，Ni 0.10～0.50，Cr 0.10～0.50，Ti 0.04～0.12，B 0.002～0.012，与碱性烧结焊剂匹配焊接管线钢，能适应双丝或多丝前后及内外丝高速埋弧焊工艺。焊缝的抗拉强度≥590MPa，-20℃冲击功≥150 J，硬度≤240Hv10，S、P含量低，纯净度高，最适合焊接输送湿含H2S天然气抗腐蚀的管线钢，也适于相应强度级别低合金钢的埋弧焊接。

Description

高性能管线钢埋弧焊焊丝
技术领域
本发明涉及一种高性能管线钢埋弧焊焊丝，更具体地说是一种与碱性烧结焊剂匹配使用，用于焊接控轧控冷微合金化管线钢的焊丝，焊后焊缝能满足输送湿含H2S天然气抗腐蚀性能的要求。
背景技术
石油工业的发展已给管线钢、焊接材料及焊接技术提出了新的要求。国内管线焊接一般使用按国标生产的焊接材料，近来也开发了微合金化管线焊丝。国内外用于管线钢埋弧焊焊丝有82年英国申请的GB 2 090 615 A“微钼或无钼的焊接材料”，其合金系为C-Mn-Cr-(Mo)-Ti-B；92年冶金部钢铁研究总院等申请了“低碳微合金化埋弧焊丝”，专利号92105621.4，其合金系为C-Mn-Mo；这些焊丝不足之处在于：难以同时保证高的强度及韧性；当管线钢板厚增加时，需要进行大线能量多层焊，焊缝强度及韧性均有明显下降。97年武汉钢铁(集团)公司开发了“低合金高强度高韧性埋弧焊丝”，专利号97104393.0，该焊丝与传统焊丝相比，性能有了较大的提高，但也仅较为适宜590MPa及以下强度级别钢的焊接。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能管线钢埋弧焊焊丝，能克服上述焊丝之不足，适宜于590MPa及以上强度级别管线钢的焊接，与碱性烧结焊剂匹配，焊后焊缝抗拉强度≥590MPa，-20℃焊缝冲击功≥150J，焊缝硬度≤240HV10；焊缝S、P含量低，纯净度高，能满足输送湿含H2S天然气抗腐蚀性能的要求。
本发明为了达到上述目的，设计了一种高性能管线钢埋弧焊焊丝，其特征是焊丝的化学成分按重量百分数计含有：C 0.05～0.12，Si 0.005～0.100，Mn1.20～1.90，Ni 0.10～0.50，Cr 0.10～0.50，Ti 0.04～0.12，B 0.002～0.012，余量为Fe和不可避免的S、P。
本发明的焊丝成分设计与所施焊的管线钢母材材质及匹配的碱性烧结焊剂密切相关，焊丝合金元素对焊缝性能有很大的影响作用。
对于管线钢而言，随着油气资源转向海洋、山丘、沙漠、高原及高寒地带，管线用钢的强度和韧性不断提高。590MPaX70钢是管线钢主导钢种，更高强度级别的管线钢逐步开发应用。X70钢的性能如表1所示。
                      表1 X70钢力学性能
  бs(MPa)   бb(MPa)               夏比冲击试验(-20℃)
    剪切面(SA，％)         冲击功(J)
  单个最小   平均   单个最小     平均
  530～630   ≥590   ≥80   ≥90   ≥90     ≥120
输送含腐蚀介质的天然气管线钢要求较高的抗应力腐蚀尤其是抗硫化氢应力腐蚀性能。影响管线钢焊接接头抗H2S应力腐蚀性能的主要因素有：1)被输气体压力和含水度；2)焊接接头的硬度；3)焊接接头的残余应力；4)焊接接头的组织；5)焊丝含S量。为了满足这些要求，管线钢焊接接头必须具有较高的冲击韧性，较低的硬度(≤240HV10)、焊缝组织应以针状铁素体为主、焊缝中的硫含量不大于0.005％。
本发明设计的焊丝中C控制在0.05％～0.12％，C元素含量对焊缝的强韧性及其组织组成有较大的影响。当C含量较低时，焊缝强度较低，焊缝金属中铁素体比例较高。当C含量较高时，焊缝韧性下降，焊缝中珠光体比例增加。因此C含量过高或过低均会影响焊缝中针状铁素体含量。
本发明焊丝中Si控制在0.005％～0.100％，才能使焊缝中含Si量控制在0.3％以下。由于管线钢焊缝中母材金属所占比重大，焊剂及母材含Si量较高，焊丝中的含Si量应控制在较低水平。
本发明的焊丝中Mn控制在1.20％～1.90％，Mn是焊缝强韧化的有效元素，在焊缝中有利于脱氧，防止引起热裂纹的铁硫化物的形成。当焊缝中Mn含量在1.00％～1.60％时，焊缝强韧性达到较佳的匹配。
本发明的焊丝中Ni为0.10％～0.50％，Ni有利于提高焊缝金属的韧性尤其是低温冲击韧性，降低脆性转变温度。Ni含量太高时，焊丝强度及硬度过高，Ni含量导致焊缝与母材成分差别大，在湿含H2S介质中抗腐蚀性能大大降低，焊丝成本增加。
本发明的焊丝中含有Cr 0.10％～0.50％，焊缝中含一定的Cr元素有利于提高焊缝中针状铁素体含量，减少先共析铁素体，并有细化铁素体晶粒的作用，提高焊缝强韧性。Cr还有助于保持焊缝热处理后性能维持在较高的水平。
本发明的焊丝中加入Ti可以细化焊缝金属组织。Ti与N具有极高的亲和力，Ti与N结合成TiN质点，作为晶核，促使焊缝中针状铁素体的形成。为使焊缝金属中Ti的含量在0.01％～0.04％，考虑到一定的过渡系数，焊丝中的Ti含量可提高为0.04％～0.12％。
本发明的焊丝中加入0.002％～0.012％B，可使焊缝中B含量控制在0.001％～0.004％，固溶的B在奥氏体晶界聚集降低晶界能量，能控制先共析铁素体的析出，B还能推迟奥氏体→铁素体相转变温度，有利于晶粒内针状铁素体的形成。
S、P元素是焊缝中的主要有害元素，它们显著降低焊缝金属低温冲击韧性。为了保证管线钢焊缝有较高的抗H2S应力腐蚀性能，焊缝中S含量应低于0.005％。S是焊丝中不可避免的元素，焊丝钢冶炼时应尽量降低S含量。本发明焊丝与低S含量的碱性类焊剂如自贡大西洋焊接材料有限公司产的CHF101、CHF105类焊剂匹配使用，焊接低S管线钢，焊接冶金反应过程能进一步降低焊缝中的S含量。
管线钢焊接接头要求较好的机械性能，特别是较高的低温冲击韧性、焊后热处理性能及有较好的抗H2S腐蚀性能。本焊丝在化学成分设计上充分考虑了这些要求，因此选配碱性烧结焊剂作为最佳匹配焊剂。焊丝中C、Mn、Ni保证焊缝足够的强度，提高焊缝的韧性；适量的Cr对焊缝有强化作用，并能增加焊缝对焊后热处理的适应性。微量Ti、B有利于抑制焊缝中奥氏体晶粒长大，推迟奥氏体到铁素体的转变温度，促使焊缝金属晶内针状铁素体的形成，细化二次晶粒。低S、P含量提高焊缝纯净度和性能，保证焊缝较好的抗H2S应力腐蚀性能。
本发明焊丝采用电炉冶炼，冶炼时控制焊丝中的气体含量。
含有本发明焊丝的化学成分还可制成其它形式焊接用填充金属，如焊条、气保焊丝和焊接带极。
本发明高性能管线钢埋弧焊焊丝具有如下优点：
1、本焊丝钢冶炼工艺稳定易于实现，钢坯的轧制及焊丝的拉拨、镀铜等性能较好。
2、本发明焊丝用于590MPa及以上强度级别管线钢和其它结构钢焊接，焊缝强度高，冲击韧性优于现有焊丝，具有较好抗H2S应力腐蚀等性能；焊缝强度及韧性完全能与高性能的基材匹配。
3、采用本发明焊丝施焊能适应管线钢双丝或多丝及前后及内外丝高速焊接的工艺特点。
具体实施方式
下面用实施例进一步详述本发明焊丝：
实施例1：用电炉冶炼本发明焊丝，其化学成分按重量百分数计为C 0.053，Si 0.054，Mn 1.41，Ni 0.36，Cr 0.29，Ti 0.086，B 0.005，P 0.013，S 0.008，余量为Fe。焊丝与锦州焊剂厂生产的SJ101焊剂匹配，焊接10mm厚590MPa管线钢，钢的化学成分按重量百分数计主要含有C0.090，Si 0.238，Mn 1.335，，Ni 0.012，Ti 0.016，B 0.0047，P 0.012，S0.007。焊接工艺为I型坡口，正反面各焊一道，反面不清根。焊接工艺参数为焊接电流第一面680A，第二面800A，焊接电压第一面32V，第二面34V，焊速1.1m/min。
焊接接头按API5LS标准进行检验，冷弯性能合格，焊缝冲击功Akv(-30℃)＝161J。焊接接头在580℃×1h条件下热处理后，焊缝冲击功Akv(-30℃)＝108J。本发明焊丝对焊接线能量有较强的适应性，焊接接头热处理后仍能保持较好的强韧性。
实施例2：用电炉冶炼本发明焊丝，其化学成分按重量百分数计为C0.058，Si 0.091，Mn 1.76，Ni 0.40，Cr 0.416，Ti 0.049，B 0.0047，P 0.006，S 0.0045，余量为Fe。焊丝与CHF101或CHF105焊剂匹配，焊接10mm厚X70H管线钢板，焊接工艺及检验标准与前述相同。焊接接头冷弯性能合格，拉伸和硬度检验结果如表2所示。焊缝冲击检验结果如表3所示。
                 表2 X70管线钢焊接接头拉伸验
项目   接头横向拉伸        焊缝拉伸   硬度Hv10
  бbMPa   бsMPa    бbMPa
  匹配CHF101   705 710   585    670   201 202 209
  匹配CHF105   670 675   600    690   227 230 232
  要求   ≥590   485～650    ≥590      ≤240
                      表3焊接接头冲击检验
项目     温度℃               焊缝冲击检验
   Akv，J  SA，％
  匹配CHF101 -20    171 216 216201  100 100 100100
-30    192 187 157179  100 97  9597
-40    192 195 176188  100 98  9598
匹配CHF105     -20    208 213 197206  100 97  9698
-30    189 187 181186  100 97  9497
  要求     -20    单个≥90，均值≥120  单个≥80，均值≥90
实施例3：用实施例2的焊丝、郑州焊剂厂生产的GXHJ-1焊剂，采用双丝和多丝内外焊工艺焊接管线钢，焊接武钢产的X70管线钢，焊后检验接头бb为640MPa，Akv(-20℃)＝240J。对宝钢产的X70管线钢进行双丝埋弧焊，焊后检验接头бb为695MPa，Akv(-20℃)＝158J。本发明焊丝对焊剂及焊接工艺适应性较强。焊接接头抗H2S腐蚀性能如表4及表5所示。
              表4对接接头抗SSC性能
    受检材料 检验载荷(虚拟应力)S(104psi)   Sc值
    焊肉 14(v) 16(v) 18(v) 16(v) 18(v)   16.8
    HAZ 14(v) 16(v) 18(v)   不低于18
                 表5对接接头抗HIC性能
  项目   CLR(％)   CTR(％)   CSR(％)
  平均   0   0   0
  平均   0   0   0
  平均   4.00   0.37   0.04
  三片平均值   1.33   0.12   0.01
SSC检验的Sc值均大于12，满足抗SSC要求。
CLR(裂纹长度率)、CTR(裂纹厚度率)、CSR(裂纹敏感率)均低于目前国际上输送湿含H2S油气管道广泛采用的抗HIC指标，即CLR≤15％，CTR≤3％，CSR≤1.5％。
综上所述，本发明是一种高强度、高韧性、综合性能优良的埋弧焊焊丝，特别适合于微合金化控轧控冷的590MPa及以上强度级别高性能管线钢的埋弧焊接，同时适用于相应强度级别高强度低合金钢的埋弧焊接。

Claims (1)

1、一种高性能管线钢埋弧焊焊丝，其特征是焊丝的化学成分按重量百分数计含有：C 0.05～0.12，Si 0.005～0.100，Mn 1.20～1.90，Ni 0.10～0.50，Cr0.10～0.50，Ti 0.04～0.12，B 0.002～0.012，余量为Fe和不可避免的S、P。
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