S腐蝕管線鋼埋弧焊接用焊絲的制作方法
【技術領域】:
[0001] 本發(fā)明涉及一種焊絲,特別涉及適用于低強度(360Mpa~420Mpa)耐H2S腐蝕管 線鋼埋弧焊接用焊絲,屬于焊接材料領域。
【背景技術】:
[0002] H2S是石油和天然氣中最具有腐蝕作用的有害介質(zhì)之一,嚴重地影響著油氣輸送 管線的使用壽命,其中氫致開裂(HIC)和硫化物應力開裂(SSCC)是H2S酸性腐蝕的主要形 式,制約著油氣輸送管道的安全服役。
[0003] 國外很多管道直接輸送酸性油氣,因此對耐酸管的需求量較大。我國大部分油氣 田中含有硫化氫,部分集輸管線處于酸性腐蝕環(huán)境,需要研宄開發(fā)耐酸性管材及其所需的 焊接材料。目前市場上耐酸管強度級別主要以X52MS~X60MS鋼級為主。由于管材在焊接 時,受焊接材料、焊接熱輸入和溫度梯度的影響,焊縫及其熱影響區(qū)容易形成焊接缺陷、應 力集中以及組織不均勻等,特別是硬度波動較大,如果焊材選擇不合理,容易造成焊縫部位 硬化,硬度大幅上升,該管材如果在酸性環(huán)境下服役,焊縫部位將優(yōu)先腐蝕開裂。根據(jù)低強 度(360Mpa~420Mpa)耐H2S腐蝕管線鋼用鋼的焊接需求,作為與360Mpa~420Mpa用鋼 配套的耐H2S焊接材料,不僅要具有優(yōu)良的力學性能和耐H2S腐蝕性能,而且要具有較好的 焊接工藝適應性。然而大量普通焊絲施焊360Mpa~420Mpa用鋼后焊縫的韌性都非常低且 沒有考慮焊接接頭腐蝕問題,因此需要研宄開發(fā)高性能、耐H2S腐蝕的焊絲。
[0004] 目前國內(nèi)焊接材料中,未見適應于低強度(360Mpa~420Mpa)且具有十分優(yōu)異的 抗H2S腐蝕性能的管線鋼用埋弧焊絲。中國專利CN103252594發(fā)明焊絲主要適用于焊接高 強度X65MS、X70MS耐H2S腐蝕管線鋼,其成分設計主要依靠添加 Mn、Mo和Cr來提高焊縫 金屬強度,適用于高強度的耐酸管線鋼焊接,且焊縫抗SSCC應力腐蝕能力有限,僅在最大 99% SMYS應力條件下而不開裂。中國專利CN1273897屬于X70鋼級以上的焊絲,焊絲中的 Mn含量較高,Mn含量設計在1. 2%以上,屈服強度達到520MPa,屬于高強度的耐酸管線鋼用 焊絲,但是沒有HIC和SSCC試驗數(shù)據(jù),抗腐蝕性不得而知。中國專利CN103056555雖適用于 X52~X65鋼級耐酸管,但焊絲中Mn含量在0. 8%~1. 2%,由于Mn含量較高,焊縫易于偏 析且焊縫局部硬度易于升高,焊縫硬度有一定波動性,導致焊縫抗SSCC應力腐蝕性能不穩(wěn) 定,抗應力腐蝕能力有限。其中,X52管線鋼加載超過自身強度420MPa(117% SMYS)應力條 件時會開裂,X65管線鋼加載超過自身強度500MPa (111 % SMYS)應力條件時會開裂。而本 發(fā)明涉及一種高性能管線鋼埋弧焊焊絲,更具體地說是一種采用低Mn多元微合金設計,用 于焊接低強度(360Mpa~420Mpa)耐H2S腐蝕管線鋼的焊絲,焊后焊接接頭均在133% SMYS 高應力條件下進行SSCC試驗而不開裂,與中國專利CN103056555相比有更高的抗酸性,所 以本發(fā)明的低強度(360Mpa~420Mpa)耐H2S腐蝕管線鋼的焊絲具有十分優(yōu)異的抗H2S腐 蝕性能。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種耐H2S腐蝕、具有優(yōu)良的綜合力學性能的埋弧焊絲,以確 ?,F(xiàn)有低強度(360Mpa~420Mpa)用鋼埋弧焊后,焊接接頭具有十分優(yōu)異的抗H2S腐蝕性 能。
[0006] 采用本發(fā)明的焊絲,配合相應的焊劑與低強度(360Mpa~420Mpa)耐酸管線鋼焊 接后,可保證焊接接頭硬度< 235HV1(I,-KTC焊接接頭夏比吸收功都彡100J,焊縫拉伸強度 適中,且焊接接頭具有十分優(yōu)異的抗H2S腐蝕性能。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來解決的:一種適用于低強度(360Mpa~ 420Mpa)耐H2S腐蝕管線鋼埋弧焊接用焊絲,該焊絲由下述重量百分比組成:C :0. 03~ 0· 05%、Mn :0· 5 ~0· 8%、Si :0· 1 ~0· 22%、P 彡 0· 005%、S 彡 0· 004%、Cu :0· 1 ~0· 2%、 Ti :0.06 ~0· 15%、B :0.005 ~0.012% 的基礎上還含有 Ni :0.2 ~0.5%、Mo :0· 1 ~0.2% 中的一種或者兩種,并且滿足C% +Si% /30+Mn% /20+Cu% /20+Mo% /15+Ni% /60 彡 0· 15, 其余為Fe。
[0008] 本發(fā)明提出耐酸性焊絲成分設計思路如下所示:
[0009] (I)C是焊縫組織中的主要強化元素,C含量過高會影響焊縫金屬的抗裂性能和沖 擊韌性,在焊縫中也是致脆元素,容易引起焊接性變差,尤其是易于引起焊縫碳化物偏析與 周圍組織的差異,并造成偏析區(qū)的硬度升高,導致硫化物腐蝕破裂敏感性升高。因此,本焊 絲采用超低碳設計,將C控制在0. 03 %~0. 05% ;
[0010] (2)Mn是良好的脫氧劑和固溶強化元素,能提高焊縫金屬的強度和低溫沖擊韌性, 但Mn卻極易形成組織上的偏析和夾雜,是耐酸管中的"癌癥"。Mn和S結(jié)合易于形成MnS, 產(chǎn)生帶狀偏析,易于表現(xiàn)出高硬度和夾雜,導致H原子易于在此聚集,增加焊后組織開裂傾 向,萌生裂紋并擴展直至斷裂,使焊縫中抗SSCC的能力降低。Mn含量低于0. 5%則不能夠 得到必要的強度,本焊絲將Mn含量控制在0. 5%~0. 8%之間;
[0011] (3) Si在焊縫金屬中主要起脫氧和強化作用,Si < 0. 10%不能充分脫氧,Si對于 沖擊韌性及抗H2S腐蝕有顯著的改善作用,但在焊縫中易于形成氣孔等缺陷,Si元素易于偏 析于晶粒邊緣,會助長晶間裂紋的形成,尤其是將會致使焊縫及熱影響區(qū)硬度過高,影響焊 縫的抗H2S腐蝕性能,且P在晶界上的偏析濃度與Si含量有關,因此將焊絲中Si含量控制 在0. 10%~0. 28%之間;
[0012] (4) S、P作為雜質(zhì)元素含量越低越好,S易于形成MnS的帶狀分布和FeS非金屬 夾雜物,易于誘發(fā)點蝕和應力腐蝕開裂,促使析氫腐蝕加劇,增加了濕硫化氫環(huán)境下焊縫的 HIC和SOHIC的敏感性。磷的偏析易于造成磷化鐵帶狀組織,即使含量很低,也能在氧化物 夾雜以及晶界上形核擴展,促進HIC的形成。耐酸焊絲要求對S、P元素控制的越低越好,因 此將焊絲中S含量控制在0. 004%以下,P含量控制在0. 005%以下;
[0013] (5)Cu元素可以提高焊絲用盤條的抗腐蝕能力,并且不會對焊接性能產(chǎn)生任何影 響,本發(fā)明的焊絲將Cu含量設定為0. 1~0. 2%之間;
[0014] (6)Ni能降低鋼的低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度,又能保持良好的塑性和韌性。Ni加入鋼中 主要是彌補低Mn帶來的強度損失,提高對焊縫疲勞的斥力和低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度。Ni不僅 耐酸,而且耐堿,且能細化組織促使針狀鐵素體的形成,但是Ni含量太高也易于導致焊縫 硬度升高,考慮到針對的低強度(360Mpa~420Mpa)管線鋼,本發(fā)明的抗酸焊絲中添加適量 Ni,Ni含量控制在0· 2~0· 5%之間;
[0015] (7)Mo加入鋼中主要是彌補和提高焊縫強度,同時Mo作為一種鐵素體穩(wěn)定元素, 在焊縫中促進AF形核,改善焊縫沖擊韌性,但另一方面Mo對焊縫強度影響又很大,隨著Mo 含量的增加,焊縫強度和應力腐蝕敏感性的增加直線上升,對焊絲中Mo含量限制在0. 1~ 0. 2%之間;
[0016] (8) Ti和B可以適用于大線能量的焊接,Ti的韌化效果最好。Ti與奧氏體中的N反 應生成TiN顆粒,TiN具有很低的溶解度,在焊縫中形成很細的彌散物,可以有效的阻止晶 粒長大,同時成為針狀鐵素體的形核核心,提高焊縫的韌性,將Ti控制在0. 06%~0. 15% 之間;B原子半徑很小,可在晶界形成偏析,控制奧氏體迀移,可減少先共析鐵素體和側(cè)板 條鐵素體量,增加針狀鐵素體量和細化焊縫組織,從而控制針狀鐵素體與貝氏體的組成相 比例,提高韌性,但對冷速敏感性較高,使焊縫金屬的組織和性能一致性變差,本發(fā)明的耐 酸焊絲將B控制在0. 005%~0. 012%之間;
[0017] (9)以滿足 C% +Si% /30+Mn% /20+Cu% /20+Mo% /15+Ni% /60 彡 0· 15 作為條 件,是為了防止焊縫的硫化腐蝕破裂,超過〇. 15%,則焊接接頭部位硬度易于波動,易出現(xiàn)