CN107813071A

CN107813071A - 一种高强度大壁厚低温管线管件用埋弧焊丝

Info

Publication number: CN107813071A
Application number: CN201610814165.1A
Authority: CN
Inventors: 王银柏; 吴小波; 张剑
Original assignee: Haining Ruiao Metal Technology Co Ltd
Current assignee: Haining Ruiao Metal Technology Co Ltd
Priority date: 2016-09-12
Filing date: 2016-09-12
Publication date: 2018-03-20

Abstract

本发明公开了一种高强度大壁厚低温管线管件用埋弧焊丝，焊丝的化学成分重量百分比（%）：C 0.01~0.08，Si 0.1~0.3，Mn 1.5~2.5，S≤0.008，P≤0.01，Ni 2.5~3.5，Mo 0.3~1.0，V≤0.01，Cu ≤0.45，Cr 0.25~0.5，Nb≤0.02，Ti≤0.01~0.05，B≤0.005，余量为Fe和不可避免的杂质。本焊丝与碱度为1.5‑2.5的烧结焊剂匹配。对高强度低温管线大壁厚管件用母管进行单丝双面埋弧焊接，焊好后的母管经过950℃~1200℃感应加热，并在热态下进行弯制，然后水淬，再经500℃~750℃回火保温1.5~3.5h后，焊缝获得最佳的强韧性配合，焊缝抗拉强度≥660MPa，焊缝‑60℃冲击值平均值Akv≥75J，适合高寒地带对于高强度大壁厚管件的性能要求。

Description

一种高强度大壁厚低温管线管件用埋弧焊丝

技术领域

本发明涉及一种管件用焊丝，尤其是X80强度级别的大壁厚低温管线管件用埋弧焊丝。

背景技术

随着世界能源的需求不断增加，油气资源勘探开发向边远地区发展尤其是极低高寒地区，这使得高寒地区的输送管道的建设成为热点。我国建设西气东输，中俄原油管道工程其最低运行温度可达到-45℃，根据管道工艺设计要求，部分站场管件需要裸露在寒冷的外部环境下服役，对于材料的抗低温脆性起裂能力是一个严峻的考验。

管件作为管道建设中不可缺少的一部分，其承载着管道连接的重要作用，而且其承压和受力情况具有特殊性，为了能够满足石油天然气在运输过程中的安全问题，因此对于管件的壁厚及性能要求更为苛刻。而且管件在制造过程中，由于其经历弯制变形、水淬和回火后，其原始针状铁素体组织遭到破坏，焊缝中出现大量的上贝氏体和岛状M-A岛组织，导致低温韧性恶化。

目前如CN 103192198A、CN 103240512A、CN104476009A和CN 102303195A等公布的热煨弯管用焊丝技术，其焊材仅适用于与主体管道等厚的热煨弯管的焊接与制造，且对于低温韧性的指标要求仅仅为-45℃，目前市场没有任何关于-60℃大壁厚石油管线管件制造的技术的相关报道，此项技术对于极地油气勘探开采及运输等能源战略具有非凡的意义，而且市场前景巨大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度大壁厚低温管线管件用埋弧焊丝。在保证焊态强度和韧性的同时，经过热处理后仍能保持较好的强韧匹配。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种高强度大壁厚低温管线管件用埋弧焊丝，其成分按质量百分比包括（%）：C 0.01~0.08，Si 0.1~0.3，Mn 1.5~2.5，S≤0.008，P≤0.01，Ni 2.5~3.5，Mo 0.3~1.0，V≤0.01，Cu≤0.45，Cr 0.25~0.5，Nb≤0.02，Ti 0.01~0.05，B≤0.005，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述的一种高强度大壁厚低温管线管件用埋弧焊丝，采用电路冶炼后浇铸成方坯，经高速无扭轧机轧制成Φ6.5/5.5mm的盘条，盘条经剥壳、酸洗、拔丝、镀铜后制成Φ3.2mm、Φ4.0mm或者其他规格的成品焊丝。

所述热煨弯管用焊丝与碱度为2.0～2.5的烧结焊剂相匹配，对厚度为38~60mm管件母管进行双面埋弧焊接，焊接线能量为20～50kJ/cm。焊好的母管经950～1200℃感应加热，并在热态下进行弯制，然后水淬，再经过500～750℃保温1.5～3.5小时后，焊缝金属抗拉强度≥660MPa，焊缝-60℃冲击值Akv≥75J。

本设计发明的高强度大壁厚低温管线管件用埋弧焊丝的化学成分中各个元素的作用如下：

C：合适的C含量是保证焊缝强度的重要因素，因此C含量不宜过低。但过高的C元素恶化焊接性，增加冷裂纹倾向，可使二次加热焊缝组织中M-A岛含量增加损害焊缝的冲击韧性。考虑到焊接过程中C的烧损和后续焊缝的调质处理，焊丝中的C含量宜控制在0.01%～0.08%。

Si：一方面是焊缝金属的脱氧元素，有镇静熔池、增加熔池流动性来消除气孔的作用提高焊接性，同时其还具有较强的固溶强化作用，能够有效提高焊缝金属的强度。另一方面，焊接及热处理时，过高的Si含量会增加焊缝中块状铁素体含量使焊缝韧性恶化。因此，焊丝中的Si含量控制在0.1%~0.3%。

Mn：在焊缝中是有效的强度增加元素和脱氧元素，有利于细化焊缝晶粒，增加针状铁素体含量，同时减少晶界先共析铁素体和侧板条铁素体的含量，从而改善焊缝金属的韧性。但过多的Mn含量易在晶界偏析，从而导致残余奥氏体、马氏体等组织产生，从而降低焊缝金属的韧性。为了保证焊缝的强韧性配合，本发明的焊丝中Mn元素含量控制在1.5%～2.5%。

Ni：固溶于奥氏体，扩大γ相区，形成无限固溶体，是焊缝金属中强韧化组元；管件弯制过程中具有细化晶粒和溶解于铁素体中可以提高铁素体的强度，也影响低温时铁素体位错中心的结构进而提高塑性变形能力。但过高的Ni含量会降低熔池的流动性，对焊缝成形不利，也易造成焊缝夹渣及气孔等缺陷。综上，控制其含量为2.5%～3.5%。

Mo：是有效促进焊态焊缝金属针状铁素体形成的元素之一，在提高焊缝强度的同时也提高了焊缝金属的低温冲击韧性；热处理时降低C及碳化物形成元素的扩散能力而抑制碳化物的析出，提高淬透性。管件弯制时还可降低相变温度和针状铁素体的长大速度细化晶粒，同时减少回火脆性倾向。因此控制其含量为0.3%～1.0%。

Ti：该元素是强脱氧剂、脱氮剂，适量的Ti与N、O结合生成TiN 和Ti₂O₃成为结晶核心，一方面促进了母管焊缝中针状铁素体的生成，抑制侧板条铁素体和晶界铁素体的产生；另一方面这些弥散分布的第二相质点阻止了管件热煨弯制过程中奥氏体晶粒的长大，有效增加焊缝的强度及韧性。本发明中控制Ti含量为0.01%～0.05%。

V：其与C、N和O结合形成V的CN化物和氧化物，钉扎晶界阻止奥氏体晶粒长大，或者延迟奥氏体再结晶，通过沉淀析出强化来提高焊缝金属的强韧性，因此其最佳含量为不大于0.01%。

Cu：固溶强化作用能提高焊缝的强度，且在合金元素中，Cu对抗氢致裂纹（HIC）的作用最为明显，Cu可以促进钝化膜的形成，减少氢的侵入，所以加入一定量的Cu使焊缝金属具有一定的抗HIC 性能，但含量过高会增加焊缝的热脆性，控制其含量0.45%以下。

Cr：可提高焊缝针状铁素体的含量，以提高焊缝强度和低温韧性，另外Cr有利于提高焊缝的耐腐蚀性能。但过高的Cr含量会提高脆性转变温度，因此，控制其含量为0.1～0.5%。

Nb：可细化晶粒，提高焊缝的强度，在C-Mn系焊缝中会促进侧板条铁素体的产生，恶化韧性，但在含有Ti，B的焊缝中，Nb能够促进细小均匀的针状铁素体的产生，提高焊缝的韧性，因此可适量加入该元素，控制其含量为≤0.02%。

B：固溶B在奥氏体晶界偏聚，降低了晶界能，有利于抑制晶界上先共析铁素体的形成及粗化。B与Ti同时加入的情况下，Ti的强脱氧性保护固溶B在凝固过程中不被氧化。另外，B在热输入较大的焊接过程中会向临近熔合线的粗晶区扩散，有助于细化粗晶区组织，提高粗晶区的韧性。控制其含量为≤0.005%。

S、P：是必须严格限制的杂质元素，尽量减低其含量有利于焊接性的提升和韧性的改善。本发明中，其含量至少控制在 S≤0.008%，P≤0.01%。

本发明中对匹配烧结焊剂的碱度作了要求，是基于脱渣性能和焊缝成型的要求，同时考虑焊缝中氧含量、夹杂物对力学性能的影响，因此将焊接的碱度范围要求为：2.0~2.5。

本发明的有益效果：

1.本发明焊丝的优点在于，适合高强度大壁厚低温管线管件板材的埋弧焊接和焊缝热处理。焊丝采用Ni-Cr-Mo-V-Ti-B的合金设计，Ni、Cr元素的添加提高焊缝的强度和低温韧性；Mo元素增加材料的淬透性和冲击韧性，减少第二类回火脆性倾向；Ti元素在较大的焊接热输入时能够抑制先共析铁素体和侧板条铁素体的形成，促进针状铁素体的形核，细化晶粒，提高焊缝金属的强度及韧性；Nb元素的添加与Ti、B共同作用，可以进一步提升焊缝金属的低温韧性；Cu元素的添加能够提高焊缝金属对氢致裂纹的抵抗能力，降低氢致裂纹的发生概率，促进焊缝金属的低温韧性。总之，合金成分的设计大幅提升了针状铁素体组织的体积含量，从而提高焊缝金属的低温韧性。

2.本发明的焊丝与碱度2.0~2.5的烧结焊剂匹配，采用双面埋弧焊焊接，焊接无缺陷，成型性好。

3.采用该焊丝焊接的管件母管经过950℃~1200℃感应加热，热态下进行弯制，然后水淬，在经过500℃~750℃回火后，焊缝金属的抗拉强度≥660MPa，焊缝-60℃冲击值≥75J。

以下是结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明的焊丝的制造方法，采用电炉冶炼后浇铸成方坯，经过告诉无扭轧机，轧制成φ6.5mm或φ5.5mm的盘条，盘条经过剥壳、酸洗、拔丝、镀铜后支撑φ3.2mm、φ4.0mm或者其他规格的焊丝成品。

实施例1

采用上述方法制得φ3.2mm的埋弧焊丝成分（重量百分比%）：C 0.05，Si 0.15，Mn1.82，S 0.005，P 0.008，Ni 2.54，Mo 0.42，V 0.004，Cu 0.40，Cr 0.34，Nb 0.011，Ti0.025，B 0.003余量为Fe和不可避免的杂质。

本焊丝与碱度2.1烧结焊剂匹配，对厚度为46mm的X80管材进行单丝双面埋弧焊接，焊接电流为430A~530A，电压为28~30V，焊接速度40~50cm/min。焊好的母管进行感应加热到1050℃，并弯制，然后进行水淬，在将弯制好的管件放入加热炉中加热至550℃并保温2小时，其焊缝金属抗拉强度674MPa，-60℃冲击功平均值112J。

实施例2

采用上述方法制得φ3.2mm埋弧焊丝成分（重量百分比%）：C 0.07，Mn 1.78，Si 0.15，S0.006，P 0.007，Ni 3.1，Mo 0.65，V 0.007，Cu 0.32，Cr 0.46，Nb 0.015，Ti 0.032，B0.004，余量为Fe和不可避免的杂质。

本焊丝与碱度2.0烧结焊剂匹配，对厚度为52mm的X80管材进行单丝双面埋弧焊接，焊接电流为430A~650A，电压为28~34V，焊接速度40~50cm/min。焊好的母管进行感应加热到1050℃，并弯制，然后进行水淬，在将弯制好的管件放入加热炉中加热至600℃并保温2.5小时，其焊缝金属抗拉强度685MPa，-60℃冲击功平均值94J。

实施例3

采用上述方法制得φ3.2mm埋弧焊丝成分（重量百分比%）：C 0.07，Mn 1.94，Si 0.21，S0.006，P 0.007，Ni 3.4，Mo 0.85，V 0.01，Cu 0.45，Cr 0.47，Nb 0.018，Ti 0.032，B0.004，余量为Fe和不可避免的杂质。

本焊丝与碱度2.0烧结焊剂匹配，对厚度为52mm的X80管材进行单丝双面埋弧焊接，焊接电流为430A~650A，电压为28~34V，焊接速度40~50cm/min。焊好的母管进行感应加热到1050℃，并弯制，然后进行水淬，在将弯制好的管件放入加热炉中加热至650℃并保温2.5小时，其焊缝金属抗拉强度692MPa，-60℃冲击功平均值105J。

通过上述实施例可知，本发明所述的焊丝，焊接后经过热处理加工后的焊缝性能满足X80管件规定的技术指标，-60℃低温冲击韧性满足极地高寒地区管道输送要求。

Claims

1.一种高强度大壁厚低温管线管件用埋弧焊丝，其特征在于，成分按质量百分比组成包括（%）：C 0.01~0.08，Si 0.1~0.3，Mn 1.5~2.5，S≤0.008，P≤0.01，Ni 2.5~3.5，Mo 0.3~1.0，V≤0.01，Cu≤0.45，Cr 0.25~0.5，Nb≤0.02，Ti≤0.01~0.05，B≤0.005，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高强度大壁厚低温管线管件用埋弧焊丝其特征在于，焊接时搭配碱度为2.0~2.5的烧结焊剂，对其母管进行单丝双面埋弧焊接，焊接热输入20~50kJ/cm。

3.根据权利要求1所述的高强度大壁厚低温管线管件用埋弧焊丝其特征在于：母材钢板厚度36~60mm。

4.根据权利要求1所述的高强度大壁厚低温管线管件用埋弧焊丝采用该焊丝焊接的大壁厚的管件母管的弯制热处理工艺为：950~1200℃感应加热，并在热态下弯制，然后水淬，再经500℃~750℃回火保温1.5~3.5h。

5.根据权利要求1~3所述的高强度大壁厚低温管线管件用埋弧焊丝其特征在于经过焊接及热处理工艺后得到的焊缝金属抗拉强度≥660MPa，-60℃低温冲击平均值Akv≥75J。