X80管線鋼用埋弧焊焊絲材料及其製備方法
2023-05-13 14:45:26 2
專利名稱：X80管線鋼用埋弧焊焊絲材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種焊絲材料，特別涉及一種石油天然氣輸送管道用鋼X80級管線鋼用的埋弧焊焊絲材料，本發明還涉及該焊絲材料的製備方法。
背景技術：
石油、天然氣輸送管道通常位於環境比較惡劣的地區，如極寒冷區、地震帶或海洋地區，對輸送管道的高強度和低溫韌性要求日益增高，這就促使了高等級管線鋼(X80管線鋼)的開發成功，X80管線鋼被工業發達國家譽為21世紀天然氣輸送管道用鋼。高等級管線鋼要求高強度、較好的低溫韌性和抗腐蝕性能，與之匹配的高質量的焊接材料也成為了關注的焦點之一，為提高長輸管線、尤其是輸氣管線的抗應力腐蝕和抗氫致裂紋的能力，對抗腐蝕管線鋼焊接接頭的基本要求有1)硬度小於HRC22或Hv248；2)含S量小於0.002％；3)焊接接頭的組織；4)減少C、P、Si，以防止偏析和減少偏析區硬度；5)通過Cu、Ni的添加，以形成鈍化膜，防止氫的侵入。如何保證焊接接頭的強韌性和低溫韌性，國內外用於管線鋼埋弧焊絲有1982年英國申請的GB2090615《微鉬或無鉬的焊接材料》《WELDING MATERIALS CONTAINING LITTLEMOLYBDENUM》，公開號GB2090615，
公開日期14.07.1982，Patent Granted witheffect from 24.10.1984(Section 25(1))with title.WELDING MATERIALSCONTAINING LITTLE MOLYBDENUM)，其合金係為C-Mn-Cr-(Mo)-Ti-B；92年冶金部鋼鐵研究總院等申請了《低碳微合金化埋弧焊絲》(專利號ZL92105621.4，公開號1068528，
公開日期1993.02.03)，其合金係為C-Mn-Mo；這些專利文獻公開的焊絲材料不足之處在於焊縫中有珠光體的生成，降低了韌性，強度也不能滿足高等級管線鋼的使用要求。1997年武漢鋼鐵(集團)公司開發了《低合金高強度高韌性埋弧焊絲》(專利號ZL97104393.0，公開號1200317，
公開日期1998.12.02)。2001年武漢鋼鐵(集團)公司開發了《高性能管線鋼埋弧焊絲》(專利號ZL01106520.6，公開號1305879，
公開日期2001.08.01)，其合金係為C-Mn-Cr-Ni-Ti-B，該焊絲與傳統焊絲相比，性能有了較大幅度的提高，但僅靠焊縫針狀鐵素體組織很難形成鈍化膜抵抗H2S中氫的侵入，以及屈服強度難以滿足X80級別管線鋼的要求。2007年華北石油鋼管廠開發了《X80管線鋼埋弧焊焊絲》(申請號200710139338.5，公開號CN101254575，
公開日期2008.09.03)，其合金係為C-Mn-Mo-Ti-B，其焊縫和熱影響區質量能夠滿足石油天然氣輸送對焊接鋼管高強度、高韌性和低硬度等技術要求，但本發明中的焊絲的化學成分與其相比具有較大差異。
發明內容
為了解決X80級管線鋼焊接接頭的強韌性和低溫韌性，本發明的目的是提供一種X80級管線鋼用的埋弧焊焊絲材料，與鹼性燒結焊劑匹配使用，焊接高等級管線鋼，焊後焊縫能滿足X80級管線鋼的強韌性、低溫韌性和抗H2S腐蝕性能的要求。
本發明的另一目的是提供上述焊絲材料的製備方法。
本發明所採用的技術方案是X80管線鋼用埋弧焊焊絲材料，按重量百分比該材料由以下組分組成0.040％～0.060％的C，0.010％～0.200％的Si，1.700％～2.000％的Mn，0.500％～1.000％的Ni，0.200％～0.700％的Mo，0.200％～0.600％的Cr，0.005％～0.040％的Ti，0.100％～0.250％的Ce，0.20％～0.300％的Cu，餘量為Fe，各組分的重量之和為100％。
本發明所採用的另一技術方案是X80管線鋼用埋弧焊焊絲材料的製備方法，該焊絲材料，按重量百分比由以下組分組成0.040％～0.060％的C，0.010％～0.200％的Si，1.700％～2.000％的Mn，0.500％～1.000％的Ni，0.200％～0.700％的Mo，0.200％～0.600％的Cr，0.005％～0.040％的Ti，0.100％～0.250％的Ce，0.200％～0.300％的Cu，餘量為Fe，各組分的重量之和為100％，該焊絲材料採用電爐冶煉法製得，其中Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe在精煉時加入，控制出鋼溫度為1550±20℃。
本發明的焊絲材料具有以下特點 1、本發明焊絲鋼冶煉工藝穩定易於實現，鋼坯的軋制及焊絲的拉拔、鍍銅等性能較好。
2、本發明焊絲用於ReL≥555MPa及以上強度級別管線鋼和其它結構鋼焊接，焊縫強度高，衝擊韌性和低溫性能滿足X80級管線鋼的要求，焊縫具有較好抗H2S應力腐蝕等性能，焊縫強度及韌性完全能與高等級管線鋼的基材匹配。
3、採用本發明焊絲施焊能適應管線鋼雙絲焊或多絲焊及前後、內外絲高速焊接的工藝特點。
4、本發明焊絲焊縫金屬組織焊態為針狀鐵素體和貝氏體組織，因此具有高強度和較好的低溫韌性。
圖1是用本發明的焊絲材料進行焊接焊縫的金相組織照片。
具體實施例方式 下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
本發明的焊絲材料，按重量百分比由以下組分組成0.040％～0.060％的C，0.010％～0.200％的Si，1.700％～2.000％的Mn，0.500％～1.000％的Ni，0.200％～0.700％的Mo，0.200％～0.600％的Cr，0.005％～0.040％的Ti，0.100％～0.250％的Ce，0.20％～0.300％的Cu，餘量為Fe，各組分的重量之和為100％。為了保證焊接接頭有較高的韌性和抗H2S應力腐蝕性能，控制材料中的雜質S低於0.005％，P低於0.015％。
上述組方的組分和含量中 焊絲中C含量在0.04％～0.06％之間，冶煉成本小，易於控制； 在C含量為0.04％～0.06％時，Mn控制在1.7％～2.0％的範圍內，保證高韌性的獲得，Mn能有效地降低γ→α的轉變溫度，抑制晶界先共析鐵素體的形成，促使焊縫中形成針狀鐵素體組織； Si控制在0.01％～0.20％，Mn、Si同時存在時，可作為脫氧劑，隨Si元素含量增加，可使連續冷卻時的相變溫度逐漸降低、組織細化； Ni控制在0.5％～1.0％，由於Ni可提高鐵素體基體的韌性和促進針狀鐵素體形成，所以Ni可改善抗冷裂性能和提高低溫衝擊韌性； Mo控制在0.200％～0.700％，粗晶區和細晶區普遍晶粒細化，不完全相變區形成鐵素體與碳化物束團，焊縫的硬度、屈服點和抗拉強度均得到提高； Cr是擴大γ相區的元素，降低γ→α相變臨界溫度，使奧氏體轉變在較低的溫度下進行，便於生成針狀鐵素體； Cu控制在0.2％～0.3％，Cu對針狀鐵素體的主要影響是顯著細化針狀鐵素體，另一個特點是Cu是抵抗大氣腐蝕性最有效的元素之一，即抗H2S腐蝕； Ti控制在0.005％～0.040％，焊縫金屬中加入Ti，使強度略有提高，含鈦的氧化性夾雜物(TiO)促進了在奧氏體晶粒內形核，有利於晶內針狀鐵素體的生成，而TiN有很高的高溫穩定性，有效地抑制在高熱輸入下的奧氏體晶界遷移和晶粒相互吞併的長大過程，可保證焊縫金屬具有優良的夏比衝擊功和COD值； Ce稀土控制在0.1％～0.25％，在Ce稀土元素加入焊縫之後，會富集在矽酸鹽夾雜物中，使夾雜物球化，並以彌散狀態分布，從而有利於針狀鐵素體(AF)的形核，抑制了先共析鐵素體(PF)，使焊縫組織得到細化。
以下以具體實例來驗證本發明的效果。
實施例1 按重量百分比取0.043％的C，0.200％的Si，1.800％的Mn，0.890％的Ni，0.700％的Mo，0.500％的Cr，0.210％的Cu，0.012％的Ti，0.100％的Ce，餘量為Fe，用常規電爐冶煉法冶煉，精煉時加入Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe，控制出鋼溫度為1570℃，控制材料中雜質S低於0.005％，P低於0.015％。
該焊絲與SJ101G焊劑匹配，焊接15mm厚X80級管線鋼，鋼的化學成分按重量百分比計主要含有0.06％的C，1.57％的Mn，0.24％的Si，0.29％的Mo，0.14％的Ni，0.045％的Cu，0.04％的Nb，0.013％的Ti，0.0006％的B，0.01％的V，0.005％的S，0.033％的P。焊接工藝為不對稱X型坡口，正反面各焊一道，反面清根，焊接工藝參數為焊接電流第一面600A，第二面700A，焊接電壓32V，焊速26m/h。所得焊縫的金相組織參見圖1。
焊接接頭按API 5L標準進行檢驗，冷彎性能合格，拉伸和硬度檢驗結果如表1所示，衝擊檢驗結果如表2所示。
表1X80級管線鋼焊接接頭拉伸和硬度試驗 表2X80級管線鋼焊接接頭衝擊試驗
實施例2 按重量百分比取0.040％的C，0.030％的Si，1.700％的Mn，0.500％的Ni，0.200％的Mo，0.340％的Cr，0.300％的Cu，0.030％的Ti，0.220％的Ce，餘量為Fe，用常規電爐冶煉法冶煉，精煉時加入Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe，控制出鋼溫度為1550℃，控制材料中雜質S低於0.005％，P低於0.015％。
該焊絲與SJ101G焊劑匹配，焊接15mm厚X80級管線鋼，鋼的化學成分和焊接工藝同實施例1。焊接接頭按API 5L標準進行檢驗，冷彎性能合格，拉伸和硬度檢驗結果如表3所示，衝擊檢驗結果如表4所示。
表3X80級管線鋼焊接接頭拉伸和硬度試驗 表4X80級管線鋼焊接接頭衝擊試驗
實施例3 按重量百分比取0.051％的C，0.010％的Si，1.810％的Mn，1.000％的Ni，0.470％的Mo，0.600％的Cr，0.200％的Cu，0.005％的Ti，0.150％的Ce，餘量為Fe，用常規電爐冶煉法冶煉，精煉時加入Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe，控制出鋼溫度為1570℃，控制材料中雜質S低於0.005％，P低於0.015％。
該焊絲與SJ101G焊劑匹配，焊接15mm厚X80級管線鋼，鋼的化學成分和焊接工藝同實施例1。焊接接頭按API 5L標準進行檢驗，冷彎性能合格，拉伸和硬度檢驗結果如表5所示，衝擊檢驗結果如表6所示。
表5X80級管線鋼焊接接頭拉伸和硬度試驗 表6X80級管線鋼焊接接頭衝擊試驗
實施例4 按重量百分比取0.060％的C，0.130％的Si，2.000％的Mn，0.620％的Ni，0.420％的Mo，0.200％的Cr，0.280％的Cu，0.040％的Ti，0.250％的Ce，餘量為Fe，用常規電爐冶煉法冶煉，精煉時加入Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe，控制出鋼溫度為1530℃，控制材料中雜質S低於0.005％，P低於0.015％。
該焊絲與SJ101G焊劑匹配，焊接15mm厚X80級管線鋼，鋼的化學成分和焊接工藝同實施例1。焊接接頭按API 5L標準進行檢驗，冷彎性能合格，拉伸和硬度檢驗結果如表7所示，衝擊檢驗結果如表8所示。
表7X80級管線鋼焊接接頭拉伸和硬度試驗 表8X80級管線鋼焊接接頭衝擊試驗
實施例5 按重量百分比取0.055％的C，0.180％的Si，2.000％的Mn，1.000％的Ni，0.370％的Mo，0.310％的Cr，0.240％的Cu，0.028％的Ti，0.220％的Ce，餘量為Fe，用常規電爐冶煉法冶煉，精煉時加入Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe，控制出鋼溫度為1550℃，控制材料中雜質S低於0.005％，P低於0.015％。
該焊絲與SJ101G焊劑匹配，焊接15mm厚X80級管線鋼，鋼的化學成分和焊接工藝同實施例1。焊接接頭按API 5L標準進行檢驗，冷彎性能合格，拉伸和硬度檢驗結果如表9所示，衝擊檢驗結果如表10所示。
表9X80級管線鋼焊接接頭拉伸和硬度試驗 表10X80級管線鋼焊接接頭衝擊試驗
實施例6 按重量百分比取0.04％的C，0.014％的Si，1.880％的Mn，0.770％的Ni，0.540％的Mo，0.340％的Cr，0.270％的Cu，0.035％的Ti，0.170％的Ce，餘量為Fe，用常規電爐冶煉法冶煉，精煉時加入Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe，控制出鋼溫度為1550℃，控制材料中雜質S低於0.005％，P低於0.015％。
該焊絲與SJ101G焊劑匹配，焊接15mm厚X80級管線鋼，鋼的化學成分和焊接工藝同實施例1。焊接接頭按API 5L標準進行檢驗，冷彎性能合格，拉伸和硬度檢驗結果如表11所示，衝擊檢驗結果如表12所示。
表11X80級管線鋼焊接接頭拉伸和硬度試驗 表12X80級管線鋼焊接接頭衝擊試驗
C是焊縫金屬中最重要的合金元素，是使鋼材獲得高強度的最經濟的化學元素。但由於C對鋼的淬硬性的強烈影響，為了防止氫致裂紋和焊縫發生脆性斷裂，焊縫中C含量通常保持很低的水平。焊縫金屬的硬度、屈服強度、抗拉強度均隨C含量的增加而提高，但焊縫的衝擊韌性則隨C含量的增加而減小，同時，隨著C含量的升高，焊接性變差，因此本次研究的焊絲C含量在0.04％～0.06％之間，當C含量小於0.04％時，其冶煉成本大大增加，而0.04％～0.06％之間的成本差距不大，易於控制。該焊絲確保了焊接過程中的工藝性能，降低了焊縫的氫致裂紋和淬硬性傾向； Mn是保證強度的主要合金元素之一，該元素能有效地降低γ→α的轉變溫度，抑制晶界先共析鐵素體的形成，促使焊縫中形成針狀鐵素體組織。在C含量為0.03％～0.08％，Mn在1.7％～2.0％的範圍內，可以保證高韌性的獲得。與《X80管線鋼埋弧焊焊絲》(申請號200710139338.5，公開號CN101254575，
公開日期2008.09.03)埋弧焊絲相比，焊絲中Mn的含量較高，由於Mn在焊接過程中極易燒損，較高的Mn含量可以保證其向焊縫中的過渡； Si控制在0.01％～0.20％，Mn、Si同時存在時，可作為脫氧劑，隨Si元素含量增加，可使連續冷卻時的相變溫度逐漸降低、組織細化。與《X80管線鋼埋弧焊焊絲》(申請號200710139338.5，公開號CN101254575，
公開日期2008.09.03)埋弧焊絲相比，降低了Si的含量，由於在埋弧焊接過程中焊劑能向焊縫過渡Si，而過高的Si含量容易產生粗大的碳化物對焊縫韌性不利； Ni控制在0.5％～1.0％，Ni可改善抗冷裂性能和提高低溫衝擊韌性，這主要是由於Ni可提高鐵素體基體的韌性和促進針狀鐵素體形成。《X80管線鋼埋弧焊焊絲》(申請號200710139338.5，公開號CN101254575，
公開日期2008.09.03)埋弧焊絲沒有加入Ni； Mo控制在0.200％～0.700％，含Mn焊縫中添加Mo，先共析鐵素體數量逐漸減少，針狀鐵素體比例開始增加，隨後減少；粗晶區和細晶區普遍晶粒細化，不完全相變區形成鐵素體與碳化物束團，焊縫的硬度、屈服點和抗拉強度均得到提高。與《X80管線鋼埋弧焊焊絲》，專利申請號(申請號200710139338.5，公開號CN101254575，
公開日期2008.09.03)埋弧焊絲相比，兩者Mo含量相差不大，Mo含量在0.700％以下時焊縫的韌脆轉變溫度都較低，且較多的Mo能促進貝氏體相變，有利於提高焊縫強度； Cr是擴大γ相區的元素，降低γ→α相變臨界溫度，使奧氏體轉變在較低的溫度下進行，便於生成針狀鐵素體。《X80管線鋼埋弧焊焊絲》(申請號200710139338.5，公開號CN101254575，
公開日期2008.09.03)埋弧焊絲沒有加入Cr； Cu控制在0.2％～0.3％，含Cu焊縫組織的特點是含有高比例的針狀鐵素體(AF)，Cu對針狀鐵素體的主要影響是顯著細化針狀鐵素體，另一個特點是Cu是抵抗大氣腐蝕性最有效的元素之一。與《X80管線鋼埋弧焊焊絲》(申請號200710139338.5，公開號CN101254575，
公開日期2008.09.03)埋弧焊絲相比，本焊絲Cu含量較高。
Ti控制在0.005％～0.040％，焊縫金屬中加入Ti，使強度略有提高，含鈦的氧化性夾雜物(TiO)促進了在奧氏體晶粒內形核，有利於晶內針狀鐵素體的生成，而TiN有很高的高溫穩定性，有效地抑制在高熱輸入下的奧氏體晶界遷移和晶粒相互吞併的長大過程，可保證焊縫金屬具有優良的夏比衝擊功和COD值。與《X80管線鋼埋弧焊焊絲》(申請號200710139338.5，公開號CN101254575，
公開日期2008.09.03)埋弧焊絲相比，本焊絲中控制了Ti的加入量，這是為了控制使其Ti/N不大於3.4，當Ti/N超過3.4時，增加的Ti會形成碳化物，從而惡化管線鋼的焊接熱影響區韌性； Ce稀土控制在0.1％～0.25％，在Ce稀土元素加入焊縫之後，會富集在矽酸鹽夾雜物中，使夾雜物球化，並以彌散狀態分布，從而有利於針狀鐵素體(AF)的形核，抑制了先共析鐵素體(PF)，使焊縫組織得到細化。《X80管線鋼埋弧焊焊絲》(申請號200710139338.5，公開號CN101254575，
公開日期2008.09.03)埋弧焊絲沒有加入Ce。
本發明焊絲採用常規的電爐冶煉法製得，冶煉時注意Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe在精煉時加入，控制出鋼溫度為1550±20℃。
本發明焊絲與鹼性燒結焊劑匹配使用，可進行焊接工藝參數為電流600～800A，焊接電壓32～35V，焊速26～30m/h的大線能量焊接。
本發明的高等級管線鋼焊接接頭顯微組織是低碳下的緻密的針狀鐵素體和貝氏體組織，焊接接頭具有較低的硬度，還有一個特點是低硫，對高等級管線鋼焊接接頭來說，這三個因素是必需全部做到，不然抗硫化氫性能就不能保證，高強度和低溫韌性也很難獲得。本發明的埋弧焊焊絲具備高強度、高韌性、綜合性能優良等特點，特別適用與微合金化控軋控冷的ReL≥555MPa高等級管線鋼的埋弧焊接，同時適用於相應強度級別高強度低合金的埋弧焊接，本發明焊絲的化學成分還可製成其它形式焊接用填充金屬，如焊條、氣保焊絲和焊接帶極。
權利要求
1.一種X80管線鋼用埋弧焊焊絲材料，其特徵在於，按重量百分比該材料由以下組分組成0.040％～0.060％的C，0.010％～0.200％的Si，1.700％～2.000％的Mn，0.500％～1.000％的Ni，0.200％～0.700％的Mo，0.200％～0.600％的Cr，0.005％～0.040％的Ti，0.100％～0.250％的Ce，0.200％～0.300％的Cu，餘量為Fe，各組分的重量之和為100％。
2.按照權利要求1所述的焊絲材料，其特徵在於，控制材料中的雜質S低於0.005％，P低於0.015％。
3.一種權利要求1所述焊絲材料的製備方法，其特徵在於，該焊絲材料，按重量百分比由以下組分組成0.040％～0.060％的C，0.010％～0.200％的Si，1.700％～2.000％的Mn，0.500％～1.000％的Ni，0.200％～0.700％的Mo，0.200％～0.600％的Cr，0.005％～0.040％的Ti，0.100％～0.250％的Ce，0.200％～0.300％的Cu，餘量為Fe，各組分的重量之和為100％，該焊絲材料採用電爐冶煉法製得，其中Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe在精煉時加入，控制出鋼溫度為1550±20℃。
全文摘要
一種X80級管線鋼用的埋弧焊焊絲材料，按重量百分比由以下組分組成0.040％～0.060％的C，0.010％～0.200％的Si，1.700％～2.000％的Mn，0.500％～1.000％的Ni，0.200％～0.700％的Mo，0.200％～0.600％的Cr，0.005％～0.040％的Ti，0.100％～0.250％的Ce，0.200％～0.300％的Cu，餘量為Fe，各組分的重量之和為100％。採用電爐冶煉法製得的本發明焊絲材料與鹼性燒結焊劑匹配使用時，具有焊縫強度高，有較好的抗H2S應力腐蝕和較好的低溫韌性等性能，焊縫強度及韌性完全能與高等級管線鋼的基材匹配，適用於ReL≥555MPa及以上強度級別管線鋼和其它結構鋼焊接。
文檔編號C22C33/00GK101549443SQ20091002243
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月8日 優先權日2009年5月8日
發明者敏 張, 超 王, 李繼紅 申請人:西安理工大學