本发明属于金属材料领域，涉及一种气保焊丝，特别是一种适用于超高强度兼具抗H2S和CO2腐蚀管线用气保焊丝。
背景技术：
：H2S是油气井开采中碰到的最常见的腐蚀形式，会导致氢致开裂、硫化物应力开裂等，直接限制了开采和输送管道的安全和寿命。同时，深层油气井富含CO2，以及油田注CO2强化开采工艺的应用，也使得CO2腐蚀也变得越来越严重。CO2腐蚀典型的特征是呈现局部的点蚀、癣状腐蚀和台面状腐蚀。因此在深层油气田的开采活动中，钻采用钻杆、油套管、以及输送用管线均需要考虑到H2S和CO2的双重腐蚀带来的影响。钻杆和油套管虽然不是焊接结构件，但在建造和服役过程中需要焊接来连接和修补，而输送管线则需要大量焊接工作。因此需要配套气保焊丝。201410682803.x公开了一种适用于X65钢级抗CO2管线的5Cr-Ni-Cu系焊丝，其使用条件是电流100-180A,电压10-15V状态下的钨极氩弧焊丝，但不具备抗H2S腐蚀性能。同时具备抗H2S和CO2腐蚀性能的气保焊丝少见报道。技术实现要素：本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种兼具抗H2S和CO2腐蚀的管线用气保焊丝。本发明针对含H2S和CO2腐蚀介质的油气输送管线发展需要，开发出了能够满足X90/100钢级需求的气保焊丝。采用本发明焊丝，辅以99％Ar以上保护，制得的焊接接头的抗腐蚀性能优于母材；且其抗拉强度≥800MPa，延伸率≥22％，-20℃冲击韧性≥120J。为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：超高强度抗腐蚀管线用气保焊丝，其化成分为(质量百分比)：C≤0.02，Si0.1-0.4，Mn0.1-0.5，P≤0.005，S≤0.002，Cr2.0-4.0，Mo0.9-1.5，Ni0.55-0.95，Cu0.4-0.6，且Cu≤2xNi/3，余量为铁及不可避免的杂质。C是本发明焊丝中的杂质元素，超过0.02％含量的碳的存在会在焊缝金属中形成偏析，从而对腐蚀性能不利；同时，由于Cr，Mo等合金元素的存在，碳的存在会导致焊缝金属中易形成脆性较大的马氏体，对低温韧性不利。因此，C含量控制在0.02％以下。Si在埋弧焊接过程中起到重要的脱氧作用，但Si的脱氧产物容易形成硅酸盐类夹杂物，其尺寸和数量随Si含量增加而增加。一方面低熔点的硅酸盐容易导致结晶裂纹，不利于焊接质量控制；另一方面，大量大尺寸夹杂物的存在会增加H2S腐蚀敏感性，不利于腐蚀性能，因此其含量不能超过0.4％。同时，为了保证焊接过程顺利，其含量不能低于0.1％。因此，控制其含量在0.1-0.4％之间。Mn虽然能够有效提高焊缝金属的强度及韧性，但同时与S结合形成的MnS夹杂以及带状偏析等缺陷会导致裂纹敏感性加大、抗H2S腐蚀和应力腐蚀能力的能力降低。当其含量超过0.5％以后，MnS夹杂及带状偏析不可避免，但其含量低于0.1％时会给炼钢带来难度。因此，其含量控制在0.1-0.5％之间。P是易于偏析的杂质元素，为减小偏析和带状组织等给抗H2S腐蚀带来的不利影响，其含量越小越好。管线钢板数据表明，当其含量控制在0.005％以下时，其形成的偏析、带状组织等比较弱，对HIC和SSC的敏感性影响不明显。同时其含量越低，对炼钢造成难度越大，增加制造成本。因此，其含量控制在0.005％以下。S是抗H2S设计中重要的杂质元素之一，易形成呈带状分布的MnS、FeS夹杂物，造成局部组织和应力梯度增大，从而诱发点蚀和应力腐蚀开裂，促进H2S腐蚀。所以其含量越低越好，因此将其含量控制在0.002％以下。Cr是抵抗CO2腐蚀最有效的合金元素之一，Cr易富集在表面钝化氧化膜和基体之间，并能有效抵抗CO2带来的点腐蚀。当其含量超过4％时，一方面会增加焊接裂纹敏感性，另一方面对低温韧性不利；当其含量低于2％时，其界面富集效果不足以抵抗点腐蚀，因此不能确保抗CO2腐蚀性能。因此，将其含量控制在2-4％之间。Mo能够有效抵抗Cl离子侵蚀，同时能够进一步强化Cr在腐蚀前沿的富集效果，从而提高抵抗碳酸盐的侵蚀能力。当其含量超过1.5％时，会在焊缝金属中形成马氏体组织，导致强度和硬度过高，增加焊接裂纹敏感性；当其含量低于0.9％时，其与Cr的协同效果作用不明显。因此，控制其含量在0.9-1.5％之间。Ni能够有效提高耐腐蚀性能，同时还能够提高焊缝金属的韧性。Ni和Cu均是奥氏体稳定元素，同时加入可抵消Cr和Mo添加带来的奥氏体转变温度增高，从而降低焊缝金属的焊接裂纹敏感性。同时，Ni添加可进一步稳定Cr抵抗CO2点蚀的能力，并能够使其在更多的介质条件下更具备优异的耐蚀性能。此外，Ni添加也使得焊缝金属中在一定的焊接条件下，可以得到马氏体和奥氏体的双相结构，一方面强度高，另一方面也使得具备类似于双相不锈钢的耐蚀性和塑性，使其不仅仅可以用于耐蚀管线的焊接，也可以用于特定场合的双相不锈钢的焊接加工用。其优化范围是0.55-0.95％。Cu在界面富集同样可以有效抵抗Cl离子、碳酸盐离子等形成的腐蚀前沿的冲击，并能形成致密的保护膜有效保护基体。此外，Cu和Ni搭配为焊缝金属的马氏体和奥氏体双相结构创造了条件。由于Cu在焊丝加工用方坯制造过程中，容易产生裂纹等缺陷，影响焊丝质量，因此需要约定其含量不能高于Ni含量的2/3，且其优化范围为0.4-0.6％。本发明焊丝经过电炉或转炉冶炼、连铸、轧制、拉拔、镀铜、绕盘等工序制成。本发明焊丝，在99％以上Ar保护下，对钢级X90/100管线钢焊接后得到的焊接接头，其抗拉强度在800MPa以上，且抗H2S和CO2腐蚀性能优异。与现有技术相比，本发明焊丝的有益效果至少在于：1.本发明焊丝采用超低碳、Cr-Mo-Ni-Cu合金成分设计，在钢级X90/100管线钢制得的焊接接头的具备优异的抗H2S和CO2腐蚀能力。2.本发明焊丝，采用99％以上含量的Ar保护下，制得的管线钢焊接接头中，焊缝金属的抗拉强度的≥800MPa，伸长率≥18％，-10℃冲击功≥120J。3.本发明焊丝，在一定焊接工艺条件下，可得到马氏体和奥氏体双相组织的焊接接头的焊缝组织，兼具超高强度和优异耐蚀性能；具体实施方式以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。实施例1：一种抗H2S和CO2腐蚀管线用气保焊丝，其成分是重量百分比：C0.01，Si0.35，Mn0.2，P0.004，S0.002，Cr3.6，Mo1.4，Ni0.9，Cu0.5，余量为铁及不可避免的杂质。该焊丝规格为直径1.2mm，焊接保护气体为99.5％Ar，焊接试板为X100，厚度为16mm，坡口为50度V型。采用多层多到焊接，焊接热输入量为16kJ/cm，电流为220A。焊后超声、磁粉探伤、X射线检验等未发现缺陷。焊接接头的力学性能见表1。实施例2：一种抗H2S和CO2腐蚀管线用气保焊丝，其成分是重量百分比：C0.01，Si0.35，Mn0.45，P0.005，S0.0015，Cr2.4，Mo1.4，Ni0.8，Cu0.42，余量为铁及不可避免的杂质。该焊丝规格为直径2.4mm，焊接保护气体为99.9％Ar，钨极氩弧焊接。焊接试板为X100，厚度为12mm，坡口为45度V型。采用多层多到焊接，焊接热输入量为14kJ/cm，电流为190A，电压为16V。焊后超声、磁粉探伤、X射线检验等未发现缺陷。焊接接头的力学性能见表1。实施例3：一种抗H2S和CO2腐蚀管线用气保焊丝，其成分是重量百分比：C≤0.02，Si0.1-0.4，Mn0.1-0.5，P≤0.005，S≤0.002，Cr2.0-4.0，Mo0.9-1.5，Ni0.55-0.95，Cu0.4-0.6，且Cu≤2xNi/3，余量为铁及不可避免的杂质。该焊丝规格为直径1.2mm，焊接保护气体为99.5％Ar，焊接试板为X90，厚度为12mm，坡口为40度V型。采用多层多到焊接，焊接热输入量为12kJ/cm，电流为160A，电压为15V。焊后超声、磁粉探伤、X射线检验等未发现缺陷。焊接接头的力学性能见表1。对以上实施例焊缝金属进行抗H2S和CO2腐蚀性能测试。首先采用HIC和SSCC性能检测试验来评价抗H2S腐蚀性能。采用溶液为硫化氢饱和5％NaCl+0.5％冰乙酸，试验开始PH值为2.7，实验结束后PH值为3.3，结果分别见表2和3。然后分别采用动态和静态失重法来评价抗CO2腐蚀性能。动态腐蚀失重法用溶液介质成分见表4，测试温度为120℃，CO2气体分压是9MPa，测试时间是240小时，溶液旋转速率为1m/s，测试结果见表5。静态失重法进行抗酸化腐蚀性能测试时，采用溶液为浓盐酸、氢氟酸、乙酸和缓蚀剂的混合溶液，温度为120℃，测试时间是48小时，测试结果见表5。以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案上所做的热河改动，均落入本发明保护范围之内。表1实施例焊接接头的力学性能实施例抗拉强度；(MPa)延伸率；(％)vE-10℃；(J)1#95618126,105,1062#93818121,118,1094#86719166,189,180表2实施例HIC性能测试实施例CSR(％)CLR(％)CTR(％)1#0002#0003#000表3焊接接头SSCC性能测试(四点弯曲，720小时)表4抗CO2腐蚀性能测试溶液介质成分(mg/L)离子K++Na+Mg2+Ca2+Cl-SO42-HCO3-CO32-总矿化度浓度187638214627742132648011048539表5焊接接头抗CO2腐蚀性能实施例模拟CO2介质模拟酸化介质腐蚀速率(mm/a)点蚀情况腐蚀速率(mm/a)点蚀情况1#0.09x3.7x2#0.12x3.4x3#0.08x3.5x(注：x代表未发现点蚀)。当前第1页1 2 3