X100超高強度管線鋼用埋弧焊燒結(jié)焊劑研制*

趙紅波 ，牛 輝 ， 付宏強 ，周 云

（1.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

0 前 言

石油、天然氣作為當(dāng)前影響我國國民經(jīng)濟發(fā)展的重要資源，對國民生產(chǎn)意義重大。但隨著石油、天然氣需求量的日益增大，對管線輸送能力的要求也不斷提高，高鋼級、大直徑輸送鋼管的開發(fā)成為目前管線輸送的重要課題。近幾年，國內(nèi)各鋼管制造企業(yè)競相圍繞X100鋼級管線鋼管進行了試驗研究，但受原材料本身性能的制約，焊接所需焊材既要具有良好的熔敷性、抗氣孔性、焊接性，又要確保焊縫力學(xué)性能滿足X100焊管強韌性匹配要求。而現(xiàn)有焊材應(yīng)用于X100焊接過程中存在沖擊韌性低、焊縫強度不能達到標(biāo)準(zhǔn)要求等質(zhì)量問題，成為X100管線管開發(fā)的瓶頸。為此，研制了一種適用于X100管線鋼管焊接的氟堿型燒結(jié)焊劑，進行了合理的渣系、堿度及配方設(shè)計，并通過配合使用寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司自主研發(fā)的BG-H06H2專用焊絲，解決了高強度焊絲在X100管線鋼管埋弧焊接應(yīng)用中的難題。該焊劑的應(yīng)用完全可以在保證良好的工藝性能基礎(chǔ)上，使焊縫具有優(yōu)良的沖擊韌性、并實現(xiàn)焊縫與母材的等強匹配。

1 焊縫技術(shù)指標(biāo)要求

采用研制的氟堿型焊劑匹配專用焊絲，在1.5～1.8 m/min的焊速下X100管線鋼焊縫性能應(yīng)滿足指標(biāo)要求。

1.1 焊縫工藝性能要求

焊劑要具有良好的脫渣性，不粘渣，不夾渣，易脫落；焊道邊緣規(guī)整，焊縫表面光滑，不得有表面氣孔、麻點、壓痕和裂紋等缺陷，不得有深度超過0.5mm的咬邊；焊縫和母材過渡平滑，焊道表面無魚脊。

1.2 焊縫力學(xué)性能要求

（1）－10℃沖擊性能： CV≥80 J；

（2）拉伸性能（焊縫橫向拉伸板狀試樣）：Rm=695～915 MPa；

2 焊劑的設(shè)計

2.1 焊劑夾雜物控制要求

（1）焊劑含水量≤0.10% ；

（2） 焊劑中w（S）≤0.060%， w（P）≤0.080%。

2.2 渣系選擇

一般說來，酸性渣系中含有較多的SiO2和TiO2等酸性氧化物，焊劑氧化性強，易氧化熔池中的合金元素，所以韌性很差，但焊接工藝性較好；而堿性渣系中酸性氧化物含量較少，焊劑氧化性弱，抗氣孔能力強，焊縫金屬韌性高，且有利于去除非金屬夾雜物，有較好的脫 S和P的能力。H作為導(dǎo)致焊縫冷裂紋及金屬塑性下降主要因素之一，應(yīng)進行嚴格限制。試驗研究表明，在提高堿度的基礎(chǔ)上加入CaF2，有利于焊縫中擴散H含量的明顯下降，可以明顯地提高焊縫的抗裂性能。鑒于此，焊劑設(shè)計采用CaF2-MgO-Al2O3-CaO-SiO2氟堿型為主要渣系。

2.3 各個組分確定及含量

CaF2在自然界中為礦物質(zhì)螢石的主要成分，是低H型燒結(jié)焊劑中的一種重要組分，在堿性渣里，可以促進CaO熔化，降低熔渣的黏度，并與自由的SiO2及液態(tài)金屬表面的H2O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成不溶于鋼液的穩(wěn)定氫化物HF，減少氫在金屬中的溶解度。

Al2O3是一種高溫下很穩(wěn)定的氧化物，屬于高熔點物質(zhì)，在焊劑中主要作為造渣劑，在焊接過程中起著調(diào)整熔渣的熔點及黏度的作用，另外，由于在高溫下有利于提高電弧的集中程度，可保證雙絲焊接過程中后絲電弧的穩(wěn)定性。隨著Al2O3含量增加，可使焊縫的魚鱗紋將更加細密，焊縫表面更加光滑。但由于其在高溫下不易分解，熔點較高，加入過多的Al2O3會惡化焊道外觀形貌，所以含量不宜過高。

MgO屬于一種堿性材料，在焊劑中作為良好的造渣劑，并與CaO，TiO等堿性材料對焊劑堿度的調(diào)節(jié)起著至關(guān)重要作用。MgO含量高低對于焊縫形貌有很大影響，當(dāng)MgO含量少時，熔渣氧化性較大，焊縫被氧化為藍色，含量過高時，熔渣的流動性較差，焊縫中間易出現(xiàn)魚脊，惡化脫渣性及焊縫外觀質(zhì)量。

CaO作為堿性渣系的主要成分，一般以硅灰石形式加入，其具有直線膨脹系數(shù)小，結(jié)晶相變溫度低等特點，可增加熔渣的表面張力和熔渣與金屬的界面張力，提高脫渣能力，改善焊縫的工藝性能。

SiO2主要起造渣作用，能降低渣的堿度，并與液態(tài)金屬發(fā)生置換反應(yīng)使焊縫增硅；另外由于SiO2能與熔渣中大部分的堿性氧化物結(jié)合形成復(fù)合物，含量過高，容易引起熔渣的黏度增大，惡化焊縫外觀形貌，應(yīng)進行嚴格控制。

（Si-Fe）/（Mn-Fe）在管線鋼焊接過程中可起脫氧及合金過渡作用，有效地降低熔池中氧含量，減少焊接過程中的合金元素的燒損，并有效地控制焊接熔池中的夾雜物，對于獲得高強度高韌性的焊接接頭至關(guān)重要。

另外由于本次研制的焊劑SiO2等酸性物質(zhì)含量較高，容易引起焊縫中Si的增加，導(dǎo)致焊縫韌性的下降。因此，考慮在焊劑中加入Mn-Fe，調(diào)節(jié) Si-Fe和 Mn-Fe比例以便達到降低SiO2的活度，更好地保護焊縫中的合金元素。

通過大量試驗及配方調(diào)整，確定出工藝性能及力學(xué)性能較為優(yōu)良的CaF2-MgO-Al2O3-CaOSiO2氟堿型渣系配方，見表1。

按國際焊接學(xué)會（IIW）推薦的公式進行計算可知，本次研制的焊劑堿度控制在1.8～2.0，屬高堿度焊劑。

表1 氟堿型焊劑成分配比%

3 焊接試驗

3.1 焊接材料及工藝參數(shù)

為了檢驗研制焊劑的焊接穩(wěn)定性及不同焊接工藝下的適應(yīng)性和焊縫性能，制定了3種焊接工藝，分別采用X100原料進行平板雙絲內(nèi)外埋弧焊接。X100板材化學(xué)成分見表2。接頭采用X形坡口，焊接參數(shù)見表3。

3.2 焊接工藝性

通過對3種工藝下焊接過程中電弧燃燒情況進行考察，采用本焊劑后電弧燃燒聲音平穩(wěn)、柔和。在3種工藝下進行焊接后，渣殼都能從起弧端、熄弧端自動翹起，脫渣性較好，無粘渣現(xiàn)象存在，且焊縫外觀規(guī)整、與母材過渡良好，金屬光澤性較好，結(jié)果滿足GB/T 12470—2003《埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑》標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖1所示。

表2 X100板材力學(xué)性能

表3 焊接參數(shù)

圖1 研制焊劑焊接后焊縫形貌

3.3 焊縫力學(xué)性能

3.3.1 焊縫拉伸及彎曲試驗

按照API SPEC 5L版標(biāo)準(zhǔn)及X100鋼管技術(shù)條件要求，對采用研制的焊劑匹配專用焊絲焊接后的試板，分別進行拉伸及彎曲試驗檢測，試驗結(jié)果見表4。

由表4可見，拉伸試驗結(jié)果符合API SPEC 5L版標(biāo)準(zhǔn)及X100鋼管技術(shù)條件要求，且對焊縫進行正、反彎曲后，焊縫表面均未出現(xiàn)肉眼可見缺陷。

3.3.2 焊縫沖擊韌性試驗

依據(jù)API SPEC 5L版標(biāo)準(zhǔn)及X100鋼管技術(shù)條件要求，V形缺口試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，采用德國ZWICK PSW750J示波沖擊試驗機，試驗冷卻介質(zhì)為液氮與工業(yè)酒精，試驗溫度為-10℃，保溫時間為5 min，結(jié)果見表5。

由表5可見，采用3種工藝進行焊接之后，-10℃焊縫沖擊韌性良好，符合API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)及X100鋼管技術(shù)條件要求。

3.3.3 焊縫微觀組織

焊接后從試板中部截取焊縫試樣，并以焊縫為中心加工成尺寸為25mm×32mm金相試樣，經(jīng)砂紙打磨、拋光后，使用20%的硝酸酒精腐蝕，采用奧林巴士PMG3金相顯微鏡觀察焊縫微觀組織，如圖2所示。并采用日立S-3700N掃描電鏡對于焊縫沖擊斷口進行SEM分析，如圖3所示。

表4 焊縫拉伸及彎曲試驗結(jié)果

表5 焊縫沖擊韌性試驗結(jié)果

由圖2可以看出，外焊、內(nèi)焊焊縫區(qū)組織為粒狀貝氏體和針狀鐵素體，其中鐵素體組織都以“籃筐編結(jié)”狀態(tài)的存在，晶態(tài)大小不等，分布均勻，晶粒細小，且外焊與內(nèi)焊焊縫顯微組織相差不大。由圖3可以看出，焊縫夏比沖擊斷口為韌性斷裂，韌窩細小均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物存在。

圖2 焊縫微觀組織

圖3 焊縫沖擊斷口SEM照片

4 結(jié) 語

結(jié)合管線鋼特殊要求，確定本次研制焊劑堿度范圍為1.8～2.0，高堿度CaF2-MgO-Al2O3-CaO-SiO2氟堿型為主要渣系。采用所研制焊劑對X100鋼板進行焊接后，脫渣性良好，焊縫表面光滑，過渡良好，通過力學(xué)性能檢測，焊縫沖擊韌性較高，強度完全達到X100管線鋼標(biāo)準(zhǔn)要求。

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