用於焊接x100級管線鋼的焊接材料及焊接工藝的製作方法

2023-07-02 06:26:26

專利名稱：用於焊接x100級管線鋼的焊接材料及焊接工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬於鋼鐵領域，特別涉及ー種用於焊接XlOO級管線鋼的焊接材料及焊接ェ藝。
背景技術：
目前國際上對天然氣的需求保持快速增長的趨勢，應用XlOO或更高等級的管線鋼建造長距離運輸管道有著重要的意義。它不僅可以提高天然氣管道的運輸壓力，還可以通過降低管體厚度和減少環焊縫橫向焊接耗材節約原材料成本。由於XlOO級管線鋼尚處於研發階段，國內外均沒有生產出性能穩定的XlOO級管體材料，對XlOO級管線鋼的現場焊接問題也沒有形成較為系統合理的基礎理論，更沒有生產出能夠實際應用的性能穩定的焊絲和相對成熟的焊接エ藝。由於XlOO級管線鋼是通過細晶強化、位錯強化獲得的低碳高強鋼，其焊接冷裂紋敏感性較大。現場焊接時出現焊接熱影響區軟化、焊縫接頭低溫韌性較差，對現場焊接環境要求苛刻，焊接エ藝較窄等特點。因此，XlOO級管線鋼的現場焊接問題一直是難以解決的難題。從XlOO級管線鋪設和服役角度，還必須考慮以下兩個問題:(I)在滿足焊縫高強度的基礎上，焊縫的低溫韌性一直是難以解決的問題。必須開發出適用於現場施焊的氣體保護焊絲，以保證焊縫區域強度滿足要求的基礎上，具有良好的低溫韌性(180j-20°c)，同時具備良好的焊接性；(2)由於XlOO級管線鋼以細晶強化和位錯強化為主，因此必須採取合理的焊接エ藝防止出現焊接熱影響區軟化和焊接熱影響區韌性下降問題。目前，國內還沒有開發出合格的針對XlOO級管線鋼現場焊接的專用焊絲。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種能提高XlOO級管線鋼焊縫的抗拉強度和低溫衝擊韌性的用於焊接XlOO級管線鋼的焊接材料及焊接エ藝。為解決上述技術問題，本發明ー個方面提供了ー種用於焊接XlOO級管線鋼的焊接材料，其化學成分質量百分比為:C:0.05 0.10%, S1:0.20 0.45%, Mn:1.10 1.45%, P 彡 0.015%, S 彡 0.003%,Cr:0.20-0.40%, Mo:0.20 0.50%, N1:1.0 3.50%, Ceq:0.38 0.48%, Pcm:0.18 0.23%，餘
量為Fe和微量元素。本發明的另ー個方面提供了ー種使用上述焊接材料焊接XlOO級管線鋼的焊接エ藝，包括:在對管線鋼管體進行對接環焊時，採用上述焊接材料先進行填充焊，然後進行蓋面焊；所述焊接材料的強度級別為X100，管徑為0)813mnri219mm，管壁厚度為14.3mm 30mmo進ー步地，當使用所述管徑為の8131111]1、管壁厚度為14.3mm的焊接材料對管線鋼管體進行對接環焊時，先進行填充焊3適，然後進行蓋面焊I適。
進ー步地，所述進行填充焊時，焊接的電流為22(T280A，電壓18 24V，焊接速度為2d 35cm/min ；所述進行蓋面焊時，焊接的電流為18(T260A，電壓為18 22V，焊接速度為22 32cm/min。進ー步地，當使用所述管徑為①1016mm、管壁厚度為18.6mm的焊接材料對管線鋼管體進行對接環焊時，先進行填充焊5適，然後進行蓋面焊I適。進ー步地，所述進行填充焊時，焊接的電流為20(T260A，電壓18 22V，焊接速度為22 32cm/min ；所述進行蓋面焊時，焊接的電流為18(T240A，電壓為18 22V，焊接速度為20 30cm/min。進ー步地，當使用所述管徑為On219mm、管壁厚度為23.5mm的焊接材料對管線鋼管體進行對接環焊時，先進行填充焊7適，然後進行蓋面焊I適。進ー步地，所 述進行填充焊時，焊接的電流為20(T260A，電壓18 24V，焊接速度為22 32cm/min ；所述進行蓋面焊時，焊接的電流為18(T240A，電壓為18 24V，焊接速度為20 30cm/min。進ー步地，所述管線鋼焊接後得到焊縫和熱影響區在-20°C時韌性大於180J，焊縫的抗拉強度大於760MPa。本發明提供的ー種用於焊接XlOO級管線鋼的焊接材料及焊接エ藝，使XlOO級管線鋼現場焊縫的力學性能分別達到:焊縫的抗拉強度大於760MPa，-20°C低溫衝擊韌性大於 180J。
具體實施例方式本發明提供的ー種用於焊接XlOO級管線鋼的焊接材料，其化學成分質量百分比為:C:0.05 0.10%, S1:0.20 0.45%, Mn:1.10 1.45%, P 彡 0.015%, S 彡 0.003%, Mo:
0.20 0.50%, N1:1.0 3.50%, Cu:0.12 0.50%, Ceq:0.38 0.48%, Pcm:0.18 0.23%,
餘量為Fe和微量元素。本發明的埋弧焊絲以C-Mn合金係為基礎，在此基礎上加入了 Cr、Mo、Ni等元素來提高熱處理後焊縫的強韌性。本發明的埋弧焊絲的主要成分特點如下:本發明設計的焊絲中C控制在0.05、.10%。為了提高金屬的焊接性及低溫韌性，焊接材料中將儘量降低焊縫中的含碳量，這時焊縫金屬的強度將主要依靠Mn、N1、Mo、Cr等合金元素來保證。但是考慮到必需保留一定的碳含量以保證與微合金元素交互作用，碳含量的確定應充分考慮鐵素體中碳的溶解度，即0.01% 0.04%。焊絲中含碳量的增加，可以増加焊縫中針狀鐵素體的含量，減少先共析鐵素體的含量，進而提高焊縫強度。但是，焊縫中過多的含碳量，會促進焊縫中下貝氏體和馬氏體的形成，導致焊縫的強度過高的同時，焊縫的韌性和抗裂性下降。本發明焊絲中Si的含量控制在0.20 0.45%。Si是縮小Y區的元素，作為合金元素可以起到固溶強化的作用。焊縫中Si通過與0反應形成Si02，起到脫氧的作用。在Mn與Si比例合適時，其脫氧效果極佳，有助於改善韌性。過多的Si含量會對焊縫的韌性產生不利的影響。本發明焊絲中Mn的含量控制在1.10 1.45%。Mn是奧氏體穩定化元素，能夠降低奧氏體向鐵素體的轉變溫度。焊縫金屬中Mn充當固溶強化組元，増加Mn含量有助於細化晶粒，増加針狀鐵素體的含量，同時減少晶界先共析鐵素體和側板條鐵素體的含量，從而改善焊縫金屬的韌性。在焊縫金屬中Mn還可以起到脫氧的作用，而且能夠與硫反應生成穩定的MnS，從而防止低熔點相FeS的生成，有利於提高焊縫金屬的抗熱裂紋及層狀撕裂的能力。但過多的Mn含量時，易於在晶界偏析，從而導致殘餘奧氏體、馬氏體等組織產生。本發明焊絲中Ni的含量控制在1.(T3.50%o Ni可以使Y區擴展，與Y -Fe形成無限固溶體，與a -Fe形成有限固溶體。Ni的加入由於減小了奧氏體與鐵素體的自由能差，使得Y — a的轉變溫度明顯降低，對貝氏體轉變有較大的推遲作用。在焊縫金屬中Ni作為強化組元，通過晶粒細化和固溶強化獲得強化效果。Ni也是最好的韌化組元，作為合金元素能夠顯著改善焊縫金屬的低溫韌性。為了發揮Ni的有利作用，在増加其含量的同時，應嚴格限制S、P含量。本發明焊絲中Cr和Mo的含量分別控制在0.20-0.40%和0.20^0.50%。鉻和鑰元素都是固溶強化元素，可以有效提高焊縫的淬透性。與Mn元素相似，可以增加焊縫中針狀鐵素體含量，減少先共析鐵素體含量。但當超過一定數量吋，會導致貝氏體或馬氏體的形成。S、P是必須嚴格限制的雜質元素，儘量降低其含量有利於焊接性和韌性的改善，要獲得高韌性高強度的XlOO管線鋼的焊接接頭，必須嚴格控制硫、磷含量，現代冶金技術可以控制為P彡0.015%，S彡0.003%。本發明焊絲中含有較高的Ni元素，所以必須嚴格控制S含量，以防止大熱輸入情況下焊縫的抗熱裂能力降低。P元素本身是ー種低溫脆化元素，應儘可能加以限制。本發明提供的ー種使用上述焊接材`料焊接XlOO級管線鋼的焊接エ藝，包括:在對管線鋼管體進行對接環焊時，採用上述焊接材料先進行填充焊，然後進行蓋面焊。焊接材料的強度級別為X100,管徑為0813mm 1219mm,管壁厚度為14.3mm 30mm。當使用管徑為の813mm、管壁厚度為14.3mm的焊接材料對管線鋼管體進行對接環焊時，先進行填充焊3適，然後進行蓋面焊I適。進行填充焊時，焊接的電流為220 280A，電壓18 24V，焊接速度為25 35cm/min ;進行蓋面焊時，焊接的電流為180 260A，電壓為18 22V，焊接速度為22 32cm/min。當使用管徑為の1016謹、管壁厚度為18.6mm的焊接材料對管線鋼管體進行對接環焊時，先進行填充焊5適，然後進行蓋面焊I適。進行填充焊時，焊接的電流為200 260A，電壓18 22V，焊接速度為22 32cm/min ;進行蓋面焊時，焊接的電流為18(T240A，電壓為18 22V，焊接速度為2(T30cm/min。當使用管徑為の1219mm、管壁厚度為23.5mm的焊接材料對管線鋼管體進行對接環焊時，先進行填充焊7適，然後進行蓋面焊I適。進行填充焊時，焊接的電流為20(T260A，電壓18 24V，焊接速度為22 32cm/min ;進行蓋面焊時，焊接的電流為18(T240A，電壓為18 24V，焊接速度為2(T30cm/min。管線鋼焊接後得到焊縫和熱影響區在-20°C時韌性大於180J，焊縫的抗拉強度大於760MPa。以下通過具體實施例來對本發明的具體實施方式
進行說明。實施例一:
本實施例提供的焊接材料的化學成分質量百分比為C:0.055%, S1:0.21%，Mn:1.11%, P:0.0015%, S:0.001%, Mo:0.22%, N1:1.5%, Cu:0.13%, Ceq:0.385%, Pcm:0.185%，餘量為Fe和微量元素。焊接材料的管徑為0>813mm、管壁厚14.3mm。目前採用E80100>3.2mm焊條進行根焊，焊接電流為10(T130A，電壓2(T26V，焊接速度為8 12cm/min。填充焊和蓋面焊道均採用本實施例提供的專用焊絲，其中填充焊為3適，蓋面焊為I適。其中填充焊接的電壓為22(T280A，電壓18 24V，焊接速度為25 35cm/min，蓋面焊接的電壓為18(T260A，電壓為18 22V，焊接速度為22 32cm/min。其焊縫組織的力學性能，經過性能檢測，由表I可見，其性能達到XlOO級管道API Spec5L/IS03183:2007相關技術標準要求。實施例ニ:本實施例提供的焊接材料的化學成分質量百分比為C:0.10%, S1:0.45%，Mn:1.45%, P:0.015%, S:0.003%, Mo:0.50%, N1:3.50%, Cu:0.50%, Ceq:0.48%, Pcm:0.23%，餘量為Fe和微量元素。焊接材料的管徑為￠1016mm、管壁厚18.6mm。目前採用E8010 0>3.2mm焊條進行根焊，焊接電流為10(Tl30A，電壓2(T26V，焊接速度為8 12cm/min。而如果填充焊和蓋面焊道均採用本實施例提供的專用焊絲，其中填充焊為5適，蓋面焊為I遍。其中填充焊接的電壓為20(T260A，電壓18 22V，焊接速度為22 32cm/min，蓋面焊接的電壓為18(T240A，電壓為18 22V，焊接速度為2(T30cm/min。其焊縫組織的力學性能，經過性能檢測，由表I可見，其性能達到XlOO級管道相關技術標準，由表I可見，其性能達到XlOO級管道API Spec 5L/IS03183:2007相關技術標準要求。實施例三:本實施例提供的焊接材料的化學成分質量百分比為C:0.85%，S1:0.35%，Mn:
1.30%, P:0.010%, S:0.0003%, Mo:0.38%, N1:2.55%, Cu:0.36%, Ceq:0.42%, Pcm:0.211%，餘量為Fe和微量元素 。焊接材料的管徑為0>1219臟、管壁厚23.5mm。目前採用E80100>3.2mm焊條進行根焊，焊接電流為10(T130A，電壓2(T26V，焊接速度為8 12cm/min ;填充焊和蓋面焊道均採用我們試製的專用焊絲，其中填充焊為7遍，蓋面焊為I適。其中填充焊接的電壓為20(T260A，電壓18 24V，焊接速度為22 32cm/min，蓋面焊接的電壓為18(T240A，電壓為18 24V，焊接速度為2(T30cm/min。其焊縫組織的力學性能，經過性能檢測，由表I可見，其性能達到XlOO級管道API Spec 5L/IS03183:2007相關技術標準要求。表I焊縫組織的力學性能表
權利要求
1.ー種用於焊接Xioo級管線鋼的焊接材料，其特徵在於，其化學成分質量百分比為:C:0.05^0.10%, S1:0.20 0.45%, Mn:1.10 1.45%, P 彡 0.015%, S 彡 0.003%, Cr:0.20-0.40%, Mo:0.20 0.50%, N1:1.0 3.50%, Ceq:0.38 0.48%, Pcm:0.18 0.23%，餘量為Fe和微量兀素。
2.ー種使用權利要求1所述的焊接材料焊接XlOO級管線鋼的焊接エ藝，其特徵在於: 在對管線鋼管體進行對接環焊時，採用權利要求1所述的焊接材料先進行填充焊，然後進行蓋面焊； 所述焊接材料的強度級別為X100,管徑為(D813mm 1219mm,管壁厚度為14.3mm 30mmo
3.如權利要求2所述的焊接エ藝，其特徵在於: 當使用所述管徑為の813mm、管壁厚度為14.3mm的焊接材料對管線鋼管體進行對接環焊時，先進行填充焊3適，然後進行蓋面焊I適。
4.如權利要求3所述的焊接エ藝，其特徵在於: 所述進行填充焊時，焊接的電流為220 280A，電壓18 24V，焊接速度為25 35cm/min ； 所述進行蓋面焊時，焊接的電流為180 260A，電壓為18 22V，焊接速度為22 32cm/min。
5.如權利要求2所述的焊接エ藝，其特徵在於: 當使用所述管徑為の1016mm、管壁厚度為18.6mm的焊接材料對管線鋼管體進行對接環焊時，先進行填充焊5適，然後進行蓋面焊I適。
6.如權利要求5所述的焊接エ藝，其特徵在於: 所述進行填充焊時，焊接的電流為200 260A，電壓18 22V，焊接速度為22 32cm/min ； 所述進行蓋面焊時，焊接的電流為180 240A，電壓為18 22V，焊接速度為20 30cm/mino
7.如權利要求2所述的焊接エ藝，其特徵在於: 當使用所述管徑為の1219mm、管壁厚度為23.5mm的焊接材料對管線鋼管體進行對接環焊時，先進行填充焊7適，然後進行蓋面焊I適。
8.如權利要求7所述的焊接エ藝，其特徵在於: 所述進行填充焊時，焊接的電流為200 260A，電壓18 24V，焊接速度為22 32cm/min ； 所述進行蓋面焊吋，焊接的電流為180 240A，電壓為18 24V，焊接速度為20 30cm/mino
9.如權利要求2 8任ー項所述的焊接エ藝，其特徵在於: 所述管線鋼焊接後得到焊縫和熱影響區在_20°C時韌性大於180J，焊縫的抗拉強度大於 760MPa。
全文摘要
本發明公開了一種用於焊接X100級管線鋼的焊接材料，其化學成分質量百分比為C0.05~0.10%，Si0.20～0.45%，Mn1.10～1.45%，P≤0.015%，S≤0.003%，Cr0.20-0.40%，Mo0.20~0.50%，Ni1.0~3.50%，Ceq0.38～0.48%，Pcm0.18~0.23%，餘量為Fe和微量元素。本發明還公開了一種使用上述焊接材料焊接X100級管線鋼的焊接工藝。本發明提供的一種用於焊接X100級管線鋼的焊接材料及焊接工藝，使X100級管線鋼現場焊縫的力學性能分別達到焊縫的抗拉強度大於760MPa，-20℃低溫衝擊韌性大於180J。
文檔編號B23K35/30GK103121148SQ20131004372
公開日2013年5月29日 申請日期2013年2月4日 優先權日2012年10月23日
發明者齊麗華, 池強, 吉玲康, 王鵬, 李炎華, 王海濤, 黃呈帥, 胡美娟 申請人:中國石油天然氣集團公司