提高碳鋼焊接接頭耐二氧化碳腐蝕的實芯焊絲及其應用的製作方法

2023-09-10 23:45:25 2

本發明涉及一種實芯焊絲，具體地說，是涉及對碳鋼焊接接頭耐co2腐蝕性能進行改善的實芯焊絲。
背景技術：
：在石油天然氣管線建設中，焊接技術是一種常見的連接技術。然而，由於焊材和焊接熱循環的作用，焊縫區金屬的成分和組織與母材有著較大的差異，進而引起了焊縫區與母材腐蝕行為的不同。同時，焊接接頭不同區域的電化學特徵不同，這將導致接頭不同區域間發生電偶腐蝕。在生產實踐中，焊縫區往往作為電偶對中的陽極被優先腐蝕。據報導，與天然氣相關的工業中有36％的腐蝕失效事故是源於焊縫區的點蝕或電偶腐蝕。因此，在設計輸油氣管道焊接結構時，以焊接接頭在co2環境中的耐蝕性能作為整體接頭的耐蝕性能，而不是母材的耐蝕性能。焊縫區的點蝕和電偶腐蝕對焊接接頭的耐蝕性有著較大影響，容易造成整體結構的過早失效。因此改進焊材成分可消除焊縫區的點蝕，提高焊縫區的電極電位，也可以改善和提高焊接接頭的耐蝕性能，具有極大的經濟和社會效益。目前工程應用中改善碳鋼管線焊接接頭耐co2腐蝕的方法多種多樣，如生產製造過程中改進焊接工藝，管線使用過程中添加緩蝕劑等等。這些方法能部分地提高焊縫金屬耐co2腐蝕性能，但並未從根本上解決問題。況且在管線使用過程中添加緩蝕劑，往往增加額外的經濟成本。因此，針對提高碳鋼焊接接頭耐co2腐蝕性能，需要更加經濟和有效的改善方法。技術實現要素：本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種提高碳鋼焊接接頭耐二氧化碳腐蝕的實芯焊絲及其應用，解決碳鋼焊縫金屬在co2油田模擬輸出液中過早腐蝕失效的技術問題，使得碳鋼焊縫處的耐蝕性改善,從而提高碳鋼焊縫處的耐腐蝕性能。本發明的技術目的通過下述技術方案予以實現：提高碳鋼焊接接頭耐二氧化碳腐蝕的實芯焊絲，按照重量百分比由如下組分組成：金屬鎳粉0.3～0.6％，金屬鉻粉0.3～0.6％，金屬銅粉0.2～0.4％，金屬鉬粉0.2～0.4％，金屬錳粉0.8％～1.2％，矽粉0.2～0.4％，碳粉0.06～0.1％，磷和硫的重量百分比控制在0.015％以下，餘量為鐵粉。優選如下組分含量：金屬鎳粉0.4～0.5％，金屬鉻粉0.4～0.5％，金屬銅粉0.3～0.4％，金屬鉬粉0.2～0.3％，金屬錳粉1.0％～1.2％，矽粉0.2～0.3％，碳粉0.08～0.1％，磷和硫的重量百分比控制在0.015％以下，餘量為鐵粉。在上述技術方案中，各個組分選擇粉末進行混合和製備，目數為100—300目，純度大於等於99.99％。與現有技術相比，與傳統的碳鋼tig焊打底焊絲所得焊接接頭相比，本發明選用含合金元素的實芯焊絲所得焊接接頭滿足力學性能要求，且在腐蝕環境中的使用壽命大大延長，保證了管線的正常運行，極大地提高了其經濟效益。附圖說明圖1是使用普通焊絲進行焊接後焊縫金屬的金相組織照片。圖2是使用本發明焊絲進行焊接後焊縫金屬的金相組織照片。圖3是使用本發明焊絲和普通焊絲進行拉伸性能對比圖。圖4是本發明的焊絲和普通焊絲焊縫金屬在90℃，0.1mpaco2分壓下的開路電位對比圖。具體實施方式下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案。各個組分選用純度大於等於99.99％，目數在200目的粉末進行混合製備，按照常規焊絲製備工藝進行即可，配方如下表所示(重量百分比)：根據金屬的電極電位順序表可知，銅和鎳的電極電位均高於鐵，鉻的電極電位低於鐵。在鐵基體中加入少量的銅和鎳能提高其電極電位，達到提高耐蝕性的目的。而鐵基體中加入少量鉻，在發生腐蝕時，試樣表面能迅速形成一層緻密的腐蝕產物膜cr(oh)3。該腐蝕膜可以阻礙侵蝕性陰離子通過腐蝕膜而接觸到金屬基體，從而起到防腐的目的。鐵基體中加入少量鉬元素，以提高基體的耐磨性，同時起到防腐蝕的目的。本發明的實芯焊絲除常規的碳、矽、錳、磷和硫元素外，採用多種元素合金化，以cr-ni-cu-mo合金系作為實芯焊絲的合金系統。焊絲直徑為2.4mm，用於填充焊絲的非熔化極tig焊接。將本發明製備的焊絲和普通焊絲jg-50(購自林肯電氣(錦州)焊接材料有限公司)採用相同的焊接工藝進行對比，焊接母材為a106b碳鋼，化學成分如下表所示：焊接工藝如下表所示，將jg50替換為本發明的焊絲，進行tig焊接：焊接後的焊縫金屬進行金相組織的形貌觀察，與普通實芯焊絲焊縫金屬金相組織中多邊形鐵素體相比，本發明焊絲焊縫金屬中的有較多的針狀鐵素體和彌散分布的珠光體。在室溫20—25攝氏度下，利用instron5848微小力學實驗機，以0.05mm/s的拉伸速率對本發明的焊絲和普通焊絲焊縫金屬進行拉伸實驗測試，應力應變曲線如圖3所示，力學性能數值(平均值)如下表所示。從上表可看出本發明的焊絲焊縫金屬屈服強度和抗拉強度均高於普通焊絲焊縫金屬，延伸率略有下降。按照gb/t2651-2008《焊接接頭拉伸試驗法》和gb/t228-2002《金屬材料室溫拉伸標準》加工室溫拉伸試樣，採用圓棒試樣。試驗設備採用長春試驗機研究所生產的的ddl-300拉伸試驗機，加載位移速率1mm/min，屈服強度使用引伸計測定，試驗精度為±0.5％。取三個平行試樣進行試驗，試驗結果數據按照gb/t228-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》的規定進行處理，結果如下表所示，斷裂位置位於母材上，並不在焊縫處，說明焊接接頭強度良好：按照gb/t229-2007《金屬夏比缺口衝擊試驗方法》和gb/t2650-2008《焊接接頭衝擊試驗法》加工衝擊試樣，採用10×10×55mm的v型缺口標準試樣。設備採用吳忠材料試驗機有限公司生產的jbd-300b型衝擊試驗機，取三個試樣進行試驗，結果取其平 均值，所得實驗結果如下表所示。本發明的焊絲焊縫金屬的衝擊功和母材相當，比普通焊絲焊縫金屬的低，本發明的焊絲所得接頭熱影響區的衝擊功比母材高，而低於普通焊絲所得接頭熱影響區的衝擊功，但利用本發明焊絲得到的焊縫和熱影響區的衝擊功明顯高於母材，與上述拉伸試驗結合，可以得到利用本發明焊絲得到的焊縫可有效配合母材的力學性能。從焊縫金屬中截取4×8×3mm的測試試樣，測試前用sic水砂紙逐級打磨至1000#，用蒸餾水清洗，酒精擦拭除油除水，吹乾置於乾燥箱備用。電化學測試採用gamryinterface1000電化學工作站及三電極體系，參比電極為高溫高壓ag/agcl(1mol/lkcl)，輔助電極為鉑電極，工作電極為試樣。測試溫度為90℃，0.1mpaco2分壓。所有腐蝕實驗介質均為模擬油田採出液，利用去離子水與分析純試劑配製，各離子含量依次為na+11193mg/l，k+548mg/l，ca2+1001mg/l,mg2+175.8mg/l,fe2+35.3mg/l，cl-19747mg/l，so42-603mg/l，hco3-245mg/l。將工作電極置於測試溶液中，持續測試其自腐蝕電位1h,即為其開路電位，結果如圖4所示，隨後，以0.5mv/s的速度從相對於開路電位-300mv測試到+300mv得到極化曲線，極化曲線結果如下表所示。本發明的焊絲焊縫金屬開路電位在-715mv左右，普通焊絲焊縫金屬開路電位在-730mv左右，可見普通焊絲焊縫金屬的開路電位更低，有更大的腐蝕熱力學傾向，且本發明焊絲焊縫金屬的腐蝕電流小於普通焊絲焊縫金屬。根據astmg31-2004《金屬的實驗室浸泡腐蝕標準》，對發明的焊絲和普通焊絲焊縫金屬在90℃，0.1mpaco2分壓，流速1m/s條件下(採用上述模擬油田採出液)進行 7天浸泡實驗。根據失重法計算腐蝕速率，取三個試樣進行試驗，結果取其平均值。所得實驗結果如下表所示。試樣的腐蝕速率越小，說明其耐蝕性越好。試樣普通焊絲焊縫金屬發明焊絲焊縫金屬腐蝕速率(mm/y)0.090.04根據q/sy-tgrc《erw鋼管溝槽腐蝕實驗室測試方法》，對發明的焊絲和普通焊絲所得焊接接頭在90℃，0.1mpaco2分壓條件下，用-550mv(vs.ag/agcl)恆電位極化144h。從焊接的鋼管上沿長度方向取16×8×6mm的測試試樣，焊縫平行於試樣寬度，且位於試樣長度的中心並橫跨試樣厚度。測試前將待測面用sic水砂紙逐級打磨至1000#，用蒸餾水清洗，酒精擦拭除油除水，吹乾置於乾燥箱備用。測試溶液和電化學測試裝置與開路電位、極化曲線的一致。取三個試樣進行試驗，結果取其平均值。所得實驗結果如下表所示。試樣的溝槽腐蝕係數越接近1，說明焊縫金屬的耐蝕性越好。試樣普通焊絲焊縫金屬發明焊絲焊縫金屬溝槽腐蝕係數1.251.06由上述試驗結果可知，使用本發明的焊絲進行焊接得到的焊接金屬的耐腐蝕性強於普通焊絲，可以預見發明焊絲焊接接頭在co2環境中長期服役時，焊縫金屬和母材的腐蝕速率相當，呈現均勻腐蝕的形式。綜上所述，利用本發明焊絲得到的焊縫金屬的力學性能與普通焊絲相當，而發明焊絲焊縫金屬的耐蝕性得到了較大的提高。以上對本發明做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本發明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創造性勞動的等同替換均落入本發明的保護範圍。當前第1頁12