S腐蚀管线钢埋弧焊接用焊丝的制作方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种焊丝，特别涉及适用于低强度（360Mpa~420Mpa)耐H2S腐蚀管 线钢埋弧焊接用焊丝，属于焊接材料领域。
【背景技术】：
[0002] H2S是石油和天然气中最具有腐蚀作用的有害介质之一，严重地影响着油气输送 管线的使用寿命，其中氢致开裂（HIC)和硫化物应力开裂（SSCC)是H2S酸性腐蚀的主要形 式，制约着油气输送管道的安全服役。
[0003] 国外很多管道直接输送酸性油气，因此对耐酸管的需求量较大。我国大部分油气 田中含有硫化氢，部分集输管线处于酸性腐蚀环境，需要研宄开发耐酸性管材及其所需的 焊接材料。目前市场上耐酸管强度级别主要以X52MS~X60MS钢级为主。由于管材在焊接 时，受焊接材料、焊接热输入和温度梯度的影响，焊缝及其热影响区容易形成焊接缺陷、应 力集中以及组织不均匀等，特别是硬度波动较大，如果焊材选择不合理，容易造成焊缝部位 硬化，硬度大幅上升，该管材如果在酸性环境下服役，焊缝部位将优先腐蚀开裂。根据低强 度（360Mpa~420Mpa)耐H2S腐蚀管线钢用钢的焊接需求，作为与360Mpa~420Mpa用钢 配套的耐H2S焊接材料，不仅要具有优良的力学性能和耐H2S腐蚀性能，而且要具有较好的 焊接工艺适应性。然而大量普通焊丝施焊360Mpa~420Mpa用钢后焊缝的韧性都非常低且 没有考虑焊接接头腐蚀问题，因此需要研宄开发高性能、耐H2S腐蚀的焊丝。
[0004] 目前国内焊接材料中，未见适应于低强度（360Mpa~420Mpa)且具有十分优异的 抗H2S腐蚀性能的管线钢用埋弧焊丝。中国专利CN103252594发明焊丝主要适用于焊接高 强度X65MS、X70MS耐H2S腐蚀管线钢，其成分设计主要依靠添加 Mn、Mo和Cr来提高焊缝 金属强度，适用于高强度的耐酸管线钢焊接，且焊缝抗SSCC应力腐蚀能力有限，仅在最大 99% SMYS应力条件下而不开裂。中国专利CN1273897属于X70钢级以上的焊丝，焊丝中的 Mn含量较高，Mn含量设计在1. 2%以上，屈服强度达到520MPa，属于高强度的耐酸管线钢用 焊丝，但是没有HIC和SSCC试验数据，抗腐蚀性不得而知。中国专利CN103056555虽适用于 X52~X65钢级耐酸管，但焊丝中Mn含量在0. 8%~1. 2%，由于Mn含量较高，焊缝易于偏 析且焊缝局部硬度易于升高，焊缝硬度有一定波动性，导致焊缝抗SSCC应力腐蚀性能不稳 定，抗应力腐蚀能力有限。其中，X52管线钢加载超过自身强度420MPa(117% SMYS)应力条 件时会开裂，X65管线钢加载超过自身强度500MPa (111 % SMYS)应力条件时会开裂。而本 发明涉及一种高性能管线钢埋弧焊焊丝，更具体地说是一种采用低Mn多元微合金设计，用 于焊接低强度（360Mpa~420Mpa)耐H2S腐蚀管线钢的焊丝，焊后焊接接头均在133% SMYS 高应力条件下进行SSCC试验而不开裂，与中国专利CN103056555相比有更高的抗酸性，所 以本发明的低强度（360Mpa~420Mpa)耐H2S腐蚀管线钢的焊丝具有十分优异的抗H2S腐 蚀性能。
【发明内容】
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[0005] 本发明的目的是提供一种耐H2S腐蚀、具有优良的综合力学性能的埋弧焊丝，以确 保现有低强度（360Mpa~420Mpa)用钢埋弧焊后，焊接接头具有十分优异的抗H2S腐蚀性 能。
[0006] 采用本发明的焊丝，配合相应的焊剂与低强度（360Mpa~420Mpa)耐酸管线钢焊 接后，可保证焊接接头硬度< 235HV1(I，-KTC焊接接头夏比吸收功都彡100J，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。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：一种适用于低强度（360Mpa~ 420Mpa)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· 05%、Mn :0· 5 ~0· 8%、Si :0· 1 ~0· 22%、P 彡 0· 005%、S 彡 0· 004%、Cu :0· 1 ~0· 2%、 Ti :0.06 ~0· 15%、B :0.005 ~0.012% 的基础上还含有 Ni :0.2 ~0.5%、Mo :0· 1 ~0.2% 中的一种或者两种，并且满足C% +Si% /30+Mn% /20+Cu% /20+Mo% /15+Ni% /60 彡 0· 15， 其余为Fe。
[0008] 本发明提出耐酸性焊丝成分设计思路如下所示：
[0009] (I)C是焊缝组织中的主要强化元素，C含量过高会影响焊缝金属的抗裂性能和冲 击韧性，在焊缝中也是致脆元素，容易引起焊接性变差，尤其是易于引起焊缝碳化物偏析与 周围组织的差异，并造成偏析区的硬度升高，导致硫化物腐蚀破裂敏感性升高。因此，本焊 丝采用超低碳设计，将C控制在0. 03 %~0. 05% ;
[0010] (2)Mn是良好的脱氧剂和固溶强化元素，能提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性， 但Mn却极易形成组织上的偏析和夹杂，是耐酸管中的"癌症"。Mn和S结合易于形成MnS， 产生带状偏析，易于表现出高硬度和夹杂，导致H原子易于在此聚集，增加焊后组织开裂倾 向，萌生裂纹并扩展直至断裂，使焊缝中抗SSCC的能力降低。Mn含量低于0. 5%则不能够 得到必要的强度，本焊丝将Mn含量控制在0. 5%~0. 8%之间；
[0011] (3) Si在焊缝金属中主要起脱氧和强化作用，Si < 0. 10%不能充分脱氧，Si对于 冲击韧性及抗H2S腐蚀有显著的改善作用，但在焊缝中易于形成气孔等缺陷，Si元素易于偏 析于晶粒边缘，会助长晶间裂纹的形成，尤其是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，因此将焊丝中Si含量控制 在0. 10%~0. 28%之间；
[0012] (4) S、P作为杂质元素含量越低越好，S易于形成MnS的带状分布和FeS非金属 夹杂物，易于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SOHIC的敏感性。磷的偏析易于造成磷化铁带状组织，即使含量很低，也能在氧化物 夹杂以及晶界上形核扩展，促进HIC的形成。耐酸焊丝要求对S、P元素控制的越低越好，因 此将焊丝中S含量控制在0. 004%以下，P含量控制在0. 005%以下；
[0013] (5)Cu元素可以提高焊丝用盘条的抗腐蚀能力，并且不会对焊接性能产生任何影 响，本发明的焊丝将Cu含量设定为0. 1~0. 2%之间；
[0014] (6)Ni能降低钢的低温脆性转变温度，又能保持良好的塑性和韧性。Ni加入钢中 主要是弥补低Mn带来的强度损失，提高对焊缝疲劳的斥力和低温脆性转变温度。Ni不仅 耐酸，而且耐碱，且能细化组织促使针状铁素体的形成，但是Ni含量太高也易于导致焊缝 硬度升高，考虑到针对的低强度（360Mpa~420Mpa)管线钢，本发明的抗酸焊丝中添加适量 Ni，Ni含量控制在0· 2~0· 5%之间；
[0015] (7)Mo加入钢中主要是弥补和提高焊缝强度，同时Mo作为一种铁素体稳定元素， 在焊缝中促进AF形核，改善焊缝冲击韧性，但另一方面Mo对焊缝强度影响又很大，随着Mo 含量的增加，焊缝强度和应力腐蚀敏感性的增加直线上升，对焊丝中Mo含量限制在0. 1~ 0. 2%之间；
[0016] (8) Ti和B可以适用于大线能量的焊接，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Ti控制在0. 06%~0. 15% 之间；B原子半径很小，可在晶界形成偏析，控制奥氏体迀移，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，本发明的耐 酸焊丝将B控制在0. 005%~0. 012%之间；
[0017] (9)以满足 C% +Si% /30+Mn% /20+Cu% /20+Mo% /15+Ni% /60 彡 0· 15 作为条 件，是为了防止焊缝的硫化腐蚀破裂，超过〇. 15%，则焊接接头部位硬度易于波动，易出现