S腐蚀超低锰管线钢埋弧焊接用焊丝的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于耐H2S腐蚀超低锰管线钢埋弧焊接用焊丝，该焊丝由下述重量百分比组成：C：0.03％～0.07％；Mn：0.5％～1.2％；Si：0.2％～0.4％；P≤0.005％；S≤0.003％；Mo：0.3％～0.8％；Ni：1.0％～3.0％；Cr：≤0.35％；Ti：0.06％～0.15％；B：0.006％～0.012％；Y+Ce≤0.1％；其余为Fe。本发明焊丝主要针对锰含量为0.20％～0.50wt％的X65MS/X70MS超低锰抗酸管线钢埋弧焊接而开发，发明焊丝在超低碳的基础上，也采用低锰焊丝，并尽最大可能控制P、S杂质含量，合理添加Ni、Mo等合金，即确保焊接接头满足X65MS/X70MS抗酸管力学性能，又具有十分优异的抗H2S腐蚀性能。
【专利说明】一种适用于耐H2s腐蚀超低锰管线钢埋弧焊接用焊丝
【技术领域】：
[0001] 本发明属于材料领域，涉及一种埋弧焊接用焊丝，尤其是一种适用于耐H2s腐蚀超 低锰管线钢埋弧焊接用焊丝。
【背景技术】：
[0002] 硫化氢是石油天然气开采中最主要的腐蚀介质，而腐蚀是石油管材最主要的失效 形式之一，我国每年因腐蚀造成的管材损失约600万吨。目前世界油气田中大约1/3含有 H2S气体，我国的几大油气田（如四川、长庆、中原、华北、塔里木油气田等）都不同程度含有 H2S。H2S应力腐蚀不仅造成因裂纹而引起的油、气的泄漏，而且给周围环境造成一定影响， 引发安全事故，常造成巨大经济损失和社会影响。
[0003] 耐酸管线钢国外市场主要集中在中东、东南亚和非洲等地，随着深井和海底油气 资源勘探增加，海底管道用耐酸管线钢的需求将进一步增加，如南美洲巴西等地。由于严格 的服役条件和风险，世界范围内能够大规模生产耐酸管线钢的钢厂仅限于少数钢铁企业。 采用专利技术（专利号：CA2289084)轧制的0. 20%?0. 50wt%超低锰耐酸管线钢，通过大 幅度降低Mn含量提高了管材抵抗H2S腐蚀的敏感性，然而大量普通焊丝施焊后焊缝的韧性 都非常低且没有考虑焊接接头腐蚀问题，所以针对0. 20%?0. 50wt%超低锰X65MS/X70MS 耐酸管线钢埋弧焊接工艺，开发出本焊丝。
【发明内容】
：
[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种适用于耐H2S腐蚀超低锰 管线钢埋弧焊接用焊丝
[0005] 本发明针对于含H2S腐蚀介质的天然气输送管线发展需要，针对具有优异抗酸性 能的0. 20 %?0. 50wt%超低锰管线钢，开发出了适用于锰含量为0. 20 %?0. 50wt%超 低锰X65MS/X70MS及以下抗酸管线钢埋弧焊接用焊丝。采用本发明的焊丝，配合相应的 焊剂与0. 20%?0. 50wt%超低锰X65MS/X70MS抗酸管线钢焊接后，可保证焊接接头硬度 < 248HV1(I，焊缝冲击韧性较高，焊缝拉伸强度适中，且焊接接头具有十分优异的抗H2S腐蚀 性能。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
[0007] -种适用于耐H2S腐蚀超低锰管线钢埋弧焊接用焊丝，该焊丝由下述重量百分比 组成：C:0? 03%?0? 07%;Mn:0? 5%?1. 2%;Si:0? 2%?0? 4%;P彡 0? 005%;S彡 0? 003%; Mo:0? 3%?0? 8%;Ni:1. 0%?3. 0%;Cr:彡 0? 35%;Ti:0? 06%?0? 15%;B:0? 006%? 0? 012% ;Y+Ce彡 0? 1% ;其余为Fe。
[0008] 按照重量百分比，Mn:0? 5%?1. 2%。
[0009] 所述焊丝与BG-SJ101G焊剂共同用于耐H2S腐蚀超低锰管线钢埋弧焊接。
[0010] 所述耐H2S腐蚀超低锰管线钢是X65MS/X70MS。
[0011] 所述焊接接头硬度彡248HV1(I，焊缝-KTC夏比冲击韧性彡100J，焊缝拉伸强度适 中，具焊接接头具有十分优异的抗H2s腐蚀性能。
[0012] 本发明化学成分从C-Mn-Ni-Mo合金系出发，提出抗酸性焊丝成分设计思路如下 所示：
[0013] (1)C作为焊缝组织中的主要强化元素，对于焊缝拉伸性能起着重要作用，但在抗 酸焊丝中，碳含量太高，将会引起硬度升高，裂纹敏感性增加，容易引起碳化物偏析，造成偏 析区的硬度与周围组织的差异，导致HIC腐蚀。因此，本焊丝采用超低碳设计，但考虑到焊 接过程中C的烧损，所以将C控制在0.03 %?0.07 % ;
[0014] (2)Mn能提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性，但Mn和S结合易于形成MnS，产生 带状偏析，易于表现出高硬度，导致H原子易于在此聚集，增加焊后组织开裂倾向，易萌生 裂纹并扩展直至断裂，使焊缝中抗SSCC的能力降低。这也是超低锰耐酸管线钢设计时候采 用0. 20%?0. 50wt%超低锰来降低管线钢服役开裂风险的可能性和几率。所以，本焊丝 也采用低锰方案，但是如果采用同样锰含量的低锰焊丝焊接低锰管线钢，随着Mn含量的减 少，焊缝中先共析铁素体的数量会大幅度增加，针状铁素体的数量会显著减少而且也变得 更粗大，导致焊缝夏比冲击韧性低而不符合相关标准要求。综合考虑，需要从焊丝中适当向 焊缝中过渡适量的锰元素，确保焊缝韧性，本焊丝将Mn含量控制在0. 5%?1. 2%之间；
[0015] (3)Si在焊缝金属中主要起强化和脱氧作用，对于冲击韧性及抗H2S腐蚀有显著 的改善作用。当熔敷金属中Si<0.1%不能充分脱氧，焊缝中易于形成气孔等缺陷。但当 Mn、Si同时存在时，随着Mn-Si含量的增加，Si元素易于偏析于晶粒边缘，会助长晶间裂纹 的形成，并且将会致使焊缝及热影响区硬度过高，影响焊缝的抗H2S腐蚀性能，且P在晶界 上的偏析浓度与Si含量有关，Si和P在晶界上形成Si-P复合物，促使晶界脆化，因此将焊 丝中Si含量控制在0. 20%?0. 40%之间；
[0016] (4)P作为杂质元素，即使含量很低，也能在MnS、氧化物夹杂以及晶界上形核扩 展，磷的偏析易于造成磷化铁带状组织，促进HIC的形成。所以抗酸焊丝要求对P元素控制 的越低越好，因此将焊丝中P含量控制在〇. 005%以下；
[0017] (5)S作为杂质兀素，易于形成MnS的带状分布和FeS非金属夹杂物，使局部显微组 织疏松，会诱发点蚀和应力腐蚀开裂，促使析氢腐蚀加剧，增加了湿硫化氢环境下焊缝的 HIC和S0HIC的敏感性。所以抗酸焊丝要求对S元素控制的越低越好，因此将焊丝中S含量 控制在0. 003%以下；
[0018] (6)Ni能提高强度，又能保持良好的塑性和韧性。Ni与Fe化学性质相同，原子半 径接近，对基体点阵造成的畸变最小，对韧性的危害也最小，能细化a相的晶粒来提高熔敷 金属韧性，细化组织促使针状铁素体的形成，主要是弥补和提高焊缝强度，提高对疲劳的斥 力和低温脆性转变温度。另外，Ni加入焊缝中不仅耐酸，而且耐碱，对大气及盐都有抗蚀能 力。本发明的抗酸焊丝中Ni的含量应控制在1. 0?3. 0%之间；
[0019] (7)Mo作为一种铁素体稳定元素，在焊缝中促进AF形核，且对焊缝冲击韧性的改 善是有益的，但另一方面Mo对焊缝强度影响又有很大，随着含量的增加焊缝强度呈直线 上升，而为了避免强度过高而造成应力腐蚀敏感性增加，对焊丝中Mo含量限制在0. 30? 0. 80%之间；
[0020] (8)Cr可以减轻焊缝金属在H2S环境中的腐蚀速率，也能弥补焊缝强度，但Cr含量 过高会产生碳化物，增加硬度，降低耐蚀性，将Cr含量控制在0. 35 %以下；
[0021] (9)Ti的韧化效果最好。Ti与奥氏体中的N反应生成TiN颗粒，TiN具有很低的 溶解度，在焊缝中形成很细的弥散物，可以有效的阻止晶粒长大，同时成为针状铁素体的形 核核心，提高焊缝的韧性，将其控制在〇. 06%?0. 15%之间；
[0022] (10)B原子半径很小，可在晶界形成偏析，控制奥氏体迁移，可减少先共析铁素体 和侧板条铁素体量，增加针状铁素体量和细化焊缝组织，从而控制针状铁素体与贝氏体的 组成相比例，提高韧性，但对冷速敏感性较高，使焊缝金属的组织和性能一致性变差，本发 明的抗酸焊丝将其控制在〇. 006%?0. 012%之间；
[0023] (11)稀土Y、Ce具有捕氢性，能净化焊缝晶界、细化晶粒及改善夹杂物形状，微量 的稀土加入焊缝中可生成球状稀土硫化物或硫氧化物，取代长条状硫化锰夹杂，可使棱角 状高硬度的氧化铝夹杂转为球状硫氧化物及铝酸稀土，有利于提高焊缝的韧性及疲劳性 能，使焊接接头的氢致延迟断裂性能得以改善，但是稀土添加稍高将会导致焊缝韧性的恶 化，本发明的抗酸焊丝严格控制稀土添加量，将稀土Y、Ce总和控制在0. 1 %以内。
[0024] 采用上述焊丝成分设计，配合相应的耐蚀焊剂进行超低锰X65MS/X70MS及以下管 线钢焊接后，确保了焊缝既具有较好的冲击韧性、拉伸强度及硬度，同时又具有非常优异的 抗HIC及SSCC性能。
[0025] 结合抗酸管线钢制管埋弧焊接工艺生产，本发明的有益效果在于：
[0026] 1、本发明焊丝与相应的焊剂进行超低锰X65MS/X70MS抗酸管线钢内外双面埋 弧焊接后，焊缝强度Rm = 570MPa?620MPa，-KTC下冲击韧性Akv彡100J，内外焊缝硬度 ^ 248HV10 ；
[0027] 2、本发明焊丝与相应的焊剂进行超低锰X65MS/X70MS抗酸管线钢内外双面埋弧 焊接后，按照TM0284-2003标准对焊缝进行HIC检测，CSR、CLR、CTR全部为0;按照NACE 0177-2005标准进行SSCC检测，在100%SMYS?110%SMYS应力试样无任何开裂或裂纹产 生；
[0028] 3、本焊丝匹配相应焊剂施焊，熔敷金属大幅度降低MnS链状夹杂物和中心线偏 析，降低耐酸管线钢服役开裂风险的可能性和几率，适应于强度级别为X65MS/X70MS超低 锰的抗酸管线钢内外双面埋弧焊接，且可以允许更宽的焊接工艺参数波动范围。
【具体实施方式】：
[0029] 下面本发明做进一步详细描述：
[0030] -种适用于超低锰耐H2S腐蚀管线钢埋弧焊接用焊丝，该焊丝由下述重量百分比 组成：C:0? 03%?0? 07%;Mn:0? 5%?1. 2%;Si:0? 2%?0? 4%;P彡 0? 005%;S彡 0? 003%; Mo:0? 3%?0? 8%;Ni:1. 0%?3. 0%;Cr:彡 0? 35%;Ti:0? 06%?0? 15%;B:0? 006%? 0? 012% ;Y+Ce彡 0? 1%;其余为Fe。
[0031] 按照重量百分比，Mn:0? 5%?1. 2%。
[0032] 所述焊丝与BG-SJ101G焊剂共同用于耐H2S腐蚀超低锰管线钢埋弧焊接。
[0033] 所述耐H2S腐蚀超低锰管线钢是X65MS/X70MS。
[0034] 所述焊接接头硬度彡248HV1(I，焊缝-10°C夏比冲击韧性彡100J，焊缝拉伸强度适 中，具焊接接头具有十分优异的抗H2s腐蚀性能。
[0035] 采用本发明实施例的抗酸埋弧焊丝，通过与高纯净度的BG-SJ101G焊剂配合施焊 得到具有优良综合力学性能的熔敷金属。本发明按设定的焊丝成份，根据钢厂提供的6. 5mm热轧盘条，最后经过拉丝制成4.Omm和3. 2mm埋弧焊丝，焊丝化学成分如表1。
[0036] 表1焊丝化学成分wt%
[0037]
【权利要求】
1. 一种适用于耐H2s腐蚀超低锰管线钢埋弧焊接用焊丝，其特征在于：该焊丝由下述 重量百分比组成：C :0? 03%?0? 07%;Mn :0? 5%?1. 2%;Si :0? 2%?0? 4%;P 彡 0? 005%; S 彡 0? 003% ;Mo :0? 3%?0? 8% ;Ni :1. 0%?3. 0% ;Cr :彡 0? 35% ;Ti :0? 06%?0? 15% ; B :0? 006%?0? 012% ;Y+Ce 彡 0? 1% ;其余为 Fe。
2. 如权利要求1所述适用于耐H2S腐蚀超低锰管线钢埋弧焊接用焊丝，其特征在于：按 照重量百分比，Mn :0? 5%?1. 2%。
3. 如权利要求1所述焊丝的用途，其特征在于：所述焊丝与BG-SJ101G焊剂共同用于 耐H2S腐蚀超低锰管线钢埋弧焊接。
4. 如权利要求3所述焊丝的用途，其特征在于：所述耐H2S腐蚀超低锰管线钢是锰含量 为 0? 20 % ?0? 50wt % 的 X65MS/X70MS。
5. 如权利要求4所述焊丝的用途，其特征在于：所述焊接接头硬度<248HV1(I，焊缝拉伸 强度适中，具焊接接头具有十分优异的抗H2S腐蚀性能。
【文档编号】B23K35/30GK104400254SQ201410685689
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】毕宗岳, 黄晓辉, 牛辉, 刘海璋, 赵红波, 牛爱军, 张万鹏, 刘斌, 陈长青, 杨军, 包志刚, 常海峰, 杨耀彬, 刘刚伟 申请人:宝鸡石油钢管有限责任公司