酸性服役环境用管线钢埋弧焊焊丝的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于焊接材料技术领域，涉及一种埋弧焊焊丝，具体涉及一种酸性服役环 境用管线钢埋弧焊焊丝。
【背景技术】
[0002] 为了满足全球未来的石油和天然气需求，近年来酸性油气井的开发数量大大增 加。输送油气在进入长输管线前均已进行净化处理，但是如果进入输送管内的油气达不到 干燥净化的要求，管道在酸性环境下的腐蚀仍然不可避免。因此长输管线对酸性服役条件 下用管线钢的需求量日益增加。埋弧焊接是制造焊管的主要工艺，也是最高效的焊接方法。
[0003] -般而言，随着强度级别的提高，在酸性环境下产生应力腐蚀开裂的几率越大。为 了保证酸性服役条件下管线钢的安全性，目前酸性用管选择的钢材级别多为X65级或者更 低级别管线钢。本专利提供一种酸性服役环境用管线钢埋弧焊焊丝，其在满足焊缝金属具 有与母材相匹配的强度、韧性的同时，具有良好的抗氢致开裂和硫化物应力腐蚀开裂的能 力。
[0004] 国内现有的管线钢制管埋弧焊焊丝的专利中，涉及提高焊缝金属酸性环境下抗腐 蚀性能的主要有 CN1068528 A、CN1273897 A、CN 1093025 C、CN103056555 A、CN1305879 A 等。专利CN1273897 A、CN 1305879 A和CN1093025 C等设计的埋弧焊丝匹配的管线钢等 级范围主要是X70及以上级别的高强管线钢，在此不做具体分析。
[0005] 专利CN1068528 A公开的低碳微合金埋弧焊丝是国内使用最广泛的埋弧焊丝，该 焊丝匹配的管线钢等级主要范围在X60~X70之间。焊丝的化学成分为C，0. 03~0. 10%; Mn，1. 20 ~1. 60% ;Ti，0. 02 ~0· 08% ;B，0. 001 ~0· 008% ;Μ〇,0· 20 ~0· 40% ;Υ，0· 2 ~ 0.4%，其余为Fe。该焊丝不含Ni，Cr等成分，通过Μη、Μο元素固溶强化提高焊缝强度。其 抗酸性腐蚀的能力主要通过在冶炼时加入Y元素 。一方面使S、P等夹杂物球化，净化焊丝 金属，另一方面残余的Y元素进入焊缝金属降低氢致裂纹敏感性。但是，采用该专利焊接后 焊缝金属的硬度较高，较难满足标准对酸性服役条件下管线钢焊接区域硬度的要求。
[0006] 专利CN103056555提出了 一种管线用低成本抗H2S埋弧焊丝，该焊丝匹配的管 线钢等级主要范围在Χ52~Χ65之间。焊丝的化学成分为C，0. 03~0. 08% ;Si，0. 10~ 0· 30% ;Μη，0· 80 ~1. 20% ;P，〈0· 010% ;S，〈0· 005% ;Ti，0 ~0· 20% ;Cu，0. 05 ~0· 30% ; Ni，0. 10~0.30% ;其余为Fe及不可避免杂质。该专利通过最大限度减少合金元素的含 量，降低成本的同时，将C+Μη/ΙΟ控制在0. 15~0. 17%范围内，Cu+Ni控制在0. 3~0. 4% 范围内，实现焊缝金属抗H2S腐蚀的目的。但是，由于合金元素含量较少，采用该专利焊接 后焊缝附近热影响区易出现软化区域。
【发明内容】
[0007] 为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种酸性服役环境用 管线钢埋弧焊焊丝，该埋弧焊焊丝抗拉强度高，通过合理的成分配比实现了焊缝金属强度、 韧性和硬度的平衡。
[0008] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0009] -种酸性服役环境用管线钢埋弧焊焊丝，以质量百分比计，由下列化学组成成分 冶炼制成：
[0010] C :0· 030 % ~0· 060 % ;Mn :0· 50 % ~1. 20 % ;P 彡 0· 010 % ;S 彡 0· 005 % ;Si : 0· 05 % ~0· 30 % ;Cu :0· 20 % ~0· 50 % ;Cr :0· 30 % ~0· 70 % ;Nb :0· 065 % ~0· 10 % ;Ti : 0· 10%~0· 16% ;Ni 彡 0· 2% ;Mo :0· 001%~0· 003% ;B :0· 006 ~0· 010%，其余为 Fe。
[0011] 控制埋弧焊焊丝中锰元素的含量，使锰元素含量小于1. 20%，且Mn与S的含量比 小于800。
[0012] 通过添加 Nb元素补偿埋弧焊焊丝中锰元素降低的强度损失，Nb的含量为 0. 065%~0. 10%。
[0013] 控制埋弧焊焊丝中S、P含量，使S的含量小于0. 005%，使P的含量小于0. 010%。
[0014] 采用Cu和Cr匹配形成能够降低氢渗透率的缓冲表面保护层，Cu的含量为 0· 20%~0· 50%，Cr的含量控制在0· 30%~0· 70%。
[0015] 所述埋弧焊焊丝的抗拉强度为540MPa~600MPa，维氏硬度值彡220HV10，焊 缝-20°C夏比冲击韧性值多90J。
[0016] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0017] 本发明的酸性服役环境用管线钢埋弧焊焊丝在Mn-Si合金体系的基础上，通过控 制焊丝中S和P含量，减少焊丝中Mn的含量，改善焊缝金属抗氢致开裂的能力。通过提高 Nb的含量保证焊缝金属强度，同时采用Cu和Cr匹配的合金设计，增加焊丝的抗酸性腐蚀的 能力。针对酸性服役条件，通过合理的匹配实现了焊缝金属强度、韧性和硬度的平衡。
[0018] 本发明埋弧焊焊丝的主要优势体现在：
[0019] 1、本发明埋弧焊焊丝严格控制锰元素的含量，锰元素是焊缝强韧化的有效元素。 在酸性服役条件下，Mn与S形成的MnS夹杂是氢致裂纹最易成核的位置。Mn和P偏析所引 起的带状组织则是氢致裂纹扩展的最佳通道。本焊丝中含Mn量应严格控制在1. 2%以下， 为0. 50~1. 20%。同时保证Mn: S的含量比在800以下，在降低MnS夹杂物的同时，实现对 其形态的控制。
[0020] 2、铌元素为固溶强化元素，通过阻止奥氏体晶粒的长大，延迟奥氏体向铁素体的 转变，提高贝氏体的体积分数和促进碳、氮化物析出达到强化效果。本发明的埋弧焊焊丝通 过添加 Nb元素补偿焊丝中锰元素降低的强度损失，焊丝中含Nb量在0. 065%~0. 10%之 间。
[0021] 3、磷和硫是焊缝中的主要有害元素，本发明的埋弧焊焊丝严格控制S、P含量，使 中心偏析程度降低到最低，从而提高焊缝金属的抗酸性腐蚀的能力。
[0022] 4、铜是提高耐腐蚀性能的重要元素，铬元素为固溶强化元素，可以有效提高焊缝 金属的淬透性，本发明的埋弧焊焊丝采用Cu和Cr匹配的合金设计，能够形成一个缓冲表面 保护层，显著降低氢的渗透率，从而提高金属的抗酸性腐蚀能力。
[0023] 5、本发明的埋弧焊焊丝的抗拉强度为540MPa~600MPa，维氏硬度值彡220HV10， 焊缝-20°C夏比冲击韧性值多90J，焊缝金属在具有与母材相匹配的强度和韧性的同时，具 备良好的耐酸性腐蚀能力。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0025] 本发明所涉及的酸性服役条件下用X65级管线钢埋弧焊用焊丝，其通过与碱性 焊剂配合，可以实现对X65级管线钢管的成型埋弧焊接。焊接后焊缝金属具有良好的力 学性能和耐酸性腐蚀性能。该酸性服役环境用管线钢埋弧焊焊丝，以质量百分比计，由下 列化学组成成分冶炼制成：C，0.030%~0.060% ;Mn，0.50%~L 20% ;P，彡0.010% ;S， 彡 0. 005%;Si，0. 05%~0. 30%;Cu，0. 20%~0. 50%;Cr，0. 30%~0. 70%;Nb，0. 065%~ 0· 10% ;Ti，0. 10%~0· 16% ;Ni，彡 0· 2% ;Μ〇,0· 001%~0· 003% ;Β，0· 006%~0· 010%， 其余为Fe和不可避免的杂质。
[0026] 本发明的酸性服役环境用管线钢埋弧焊焊丝的化学成分及配比是经过严格筛选 与控制，各元素所起作用与优势效果如下：
[0027] C :碳元素对焊缝强度和韧性具有较大的影响。在焊丝中C是最重要的强化组元。 但是当C含量较高时，焊缝强度增加，珠光体比例也随之增加。为了减少珠光体带的形成， 使中心偏析降低到最低程度，碳含量通常控制在〇. 06%以下，以提高焊缝金属的抗酸性腐 蚀能力。本焊丝中含C量控制在较低的水平，为0.030~0.060%。
[0028] Mn :猛元素是焊缝强韧化的有效元素。但是在酸性服役条件下，Mn与S形成的MnS 夹杂是氢致裂纹最易成核的位置。Mn和P偏析所引起的带状组织则是氢致裂纹扩展的最佳 通道。研究表明，当Mn含量超过1.2%时，HIC敏感性明显增加。本焊丝中含Mn量应严格 控制在1. 2%以下，为0. 50~1. 20%。