抗酸管線鋼埋弧焊焊絲的開發研究

黃曉輝，畢宗岳，趙紅波，張萬鵬

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

抗酸管線鋼埋弧焊焊絲的開發研究

黃曉輝1，2，畢宗岳1，2，趙紅波1，2，張萬鵬1，2

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

以Mn-Ni-Ti-B為主要合金系，采用低C、低Mn及超低S、P控制，研制出了一種能夠適用于X65MS鋼級及以下抗酸管用埋弧焊焊絲。該焊絲與相應的BG-SJ101G焊劑匹配，依據GB/T 12470-2003《埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑》要求進行熔敷金屬試驗檢測，結果表明：屈服強度為465 MPa，抗拉強度為541 MPa，-20℃沖擊功均在27 J以上；采用X65MS卷板結合抗酸焊絲進行螺旋埋弧焊管現場試制，結果顯示：焊接工藝性能良好，焊接接頭形貌優良，焊接接頭抗拉強度556 MPa，實體管焊縫0℃沖擊功為178 J，焊接接頭所有硬度均小于250 HV10。經過HIC測試，焊接接頭CSR、CLR、CTR均為零，經過SSCC測試，在72％、90％SMYS載荷下，焊接接頭均未出現斷裂，焊接接頭表現出良好的力學性能和抗酸性，采用新開發的抗酸焊絲完全滿足X65MS抗酸埋弧焊管性能要求。

抗酸焊絲；抗酸管線鋼；埋弧焊；X65MS鋼

0　前言

油氣管道是國民經濟的生命線，而腐蝕是石油管材最主要的失效形式之一，我國每年因腐蝕造成的管材損失約600萬t。硫化氫是石油天然氣開采中最主要的腐蝕介質，由于硫化氫的腐蝕易引發氫致開裂（HIC）和應力腐蝕開裂（SSCC），極易造成壓力容器和輸送管道失效，近幾年的管道爆炸、泄漏事件大都因硫化氫腐蝕造成[1]。X52MS～X65MS鋼級抗酸管是國內外目前和未來十年應用范圍最廣、使用量最大的抗酸管線鋼種，約占抗酸管線鋼消耗量的80％左右。

國內外部分大型鋼廠已成功研制出抗酸管線鋼，但相應的埋弧焊用抗酸焊絲研發仍相對滯后。在此以焊接難度要求比較高的X65MS抗酸管線鋼為試驗對象，從焊縫合金體系設計出發，選擇以針狀鐵素體為韌化相為主，以粒狀貝氏體為強化相為輔，進而形成合理的強韌匹配，為抗酸焊絲的設計研發奠定基礎[2]。

1　抗酸焊縫合金體系設計思想

1.1焊縫力學和耐酸性能要求

根據GB/T 12470-2003、API SPEC 5L（45版）附錄H酸性服役條件PSL2鋼管的訂購和美國腐蝕工程師協會NACE TM0284和NACE TM0177標準要求，所開發的埋弧焊焊接用抗硫化氫焊絲進行焊接時應具備以下要求：

（1）在焊速1.6～1.9 m/min進行埋弧焊時，焊縫外觀須成型美觀，焊道表面光亮平整。

（2）進行熔敷金屬試驗檢測，屈服強度大于等于400 MPa，抗拉強度480～660 MPa，延伸率大于等于22％，-20℃沖擊功均在27 J以上。

（3）匹配相應的焊劑埋弧焊接，以X65MS抗酸管為例進行焊接試驗，焊縫抗拉強度大于等于535 MPa，0℃焊縫及HAZ沖擊功均大于等于27 J，焊接接頭硬度均小于250 HV10。

（4）經過HIC測試，A溶液浸泡96 h，焊接接頭每組試樣中，剖面上的裂紋必須滿足CSR≤2％，CLR≤15％，CTR≤5％。

（5）經過SSCC測試，A溶液中浸泡720 h，對焊接接頭施加72％最小規定屈服強度應力（SMYS）而不斷裂，并且在放大倍數為10的低倍顯微鏡下檢查試樣的拉伸面，拉伸表面上不得出現任何開裂或者裂紋。

1.2焊縫組織設計

影響焊接接頭力學性能和抗酸性能主要是焊縫組織結構。為確保焊接接頭力學性能及抗HIC和抗SSCC敏感性，應盡量提高焊縫金屬的純凈度、細化晶粒、改善夾雜物的分布和形態，降低焊接接頭組織硬度等[1]。主要從以下方面進行焊縫組織設計：

（1）促使焊縫金屬中含有大量AF和少量彌散分布的GB，焊縫金屬才具有較高的韌性和較低的硬度。硬度值影響焊接接頭的氫脆性能，因為裂紋易于在高硬度低塑性相區域萌生及擴展[3]。

（2）焊接接頭組織要盡量均勻、細小，減少或避免焊接接頭硬相如M/A組織出現，減少焊接接頭相界面數量，盡量避免裂紋從晶格熱力學差異大的非平衡狀態組織和硬脆處萌發[4]。

（3）減少焊縫中MnS、Al及Si等的氧化物夾雜含量，盡量減少熱膨脹系數不同的夾雜物形成空洞成為H陷阱[1]。

（4）盡量降低焊接接頭殘余應力及位錯大小分布，避免較多帶H位錯在運動中富集，造成H壓增大而產生裂紋[5]。

（5）優化焊接工藝及控制熱輸入，減少焊接過程中焊縫金屬容易產生粗大的魚骨狀的魏氏組織，減少焊接熱影響區中的硬化、粗晶及不均勻組織，避免電位的差異過大容易受到電化學腐蝕而形成蝕坑和蝕孔，為微裂紋的形成提供裂紋源[1]。

1.3抗酸焊絲合金體系的確定

確保焊絲的焊接性，焊縫具有一定的強韌性和抗酸性途徑是：設計焊絲時應顯著降低焊絲中影響抗酸性的C、Mn，并且盡可能降低P、S等有害元素含量，嚴格控制能引起焊縫金屬焊接性能差的碳當量Ceq、淬硬傾向及裂紋敏感系數Pcm，焊絲中增加Ni以獲得強韌性較好的針狀鐵素體及粒狀貝氏體組織，并彌補降C降Mn帶來的強度損失，適量添加Ti和B等微合金元素產生有效夾雜物形核質點，促進晶內針狀鐵素體的形成，以控制針狀鐵素體和粒狀貝氏體的組成相比例。根據以上確定Mn-Ni-Ti-B作為X65鋼級及以下抗酸管用埋弧焊焊絲合金系。

2　焊絲成分設計[1，6-10]

2.1C含量

碳作為焊縫組織中的主要強化元素，對于焊縫拉伸性能起著重要作用，但在抗酸焊絲中，碳含量太高，將會引起焊縫硬度升高，裂紋敏感性增加，容易引起碳化物偏析，造成偏析區的硬度與周圍組織的差異，易導致HIC腐蝕。因此，本焊絲采用超低碳設計，但考慮到焊接過程中C的燒損，所以將C含量控制在0.04％～0.06％。

2.2Mn含量

Mn能提高焊縫金屬的強度和低溫沖擊韌性。Mn和S結合形成MnS，易產生帶狀偏析，容易在焊縫及熱影響區產生馬氏體和貝氏體等高強度的顯微組織，表現出高硬度，將導致H原子易于在此聚集，增加焊后組織開裂傾向，易萌生裂紋并擴展直至斷裂，降低焊縫中抗SSCC的能力。所以本焊絲采用低錳方案，將Mn含量控制在1.0％～1.4％。

2.3Si含量

Si在焊縫金屬中主要起強化作用和脫氧作用，對于沖擊韌性及抗H2S腐蝕有顯著的改善作用。當熔敷金屬中w（Si）≤0.1％時不能充分脫氧，焊縫中易于形成氣孔等缺陷。當Mn、Si同時存在時，隨著Mn-Si含量的增加，Si元素易于偏析于晶粒邊緣，會助長晶間裂紋的形成，并且將會使焊縫及熱影響區硬度過高，影響焊縫的抗H2S腐蝕性能，且P在晶界上的偏析濃度與Si含量有關，Si和P在晶界上形成Si-P復合物，促使晶界脆化[3]，因此將焊絲中Si含量控制在0.20％～0.30％。

2.4P含量

P作為有害雜質元素，即使含量很低，也能在MnS、氧化物夾雜以及晶界上形核擴展，磷的偏析易于造成磷化鐵帶狀組織，帶狀組織會促進HIC裂紋的產生。所以抗酸焊絲要求將P含量控制的越低越好，因此將焊絲中P含量控制在0.004％以下。

2.5S含量

S作為有害雜質元素，易于形成帶尖角且膨脹系數比焊縫基體大的MnS和FeS非金屬夾雜物，使局部顯微組織疏松產生預破壞區，促使析氫腐蝕加劇，誘發點蝕和SSCC應力腐蝕開裂，增加濕硫化氫環境下焊縫的HIC和SOHIC的敏感性。所以抗酸焊絲要求對S元素控制的越低越好，因此將焊絲中S含量控制在0.003％以下。

2.6Ni含量

Ni能提高強度，又能保持良好的塑性和韌性。Ni與Fe化學性質相同，原子半徑接近，對基體點陣造成的畸變最小，對韌性的危害也最小，能細化奧氏體相的晶粒來提高焊縫金屬韌性，細化組織促使針狀鐵素體的形成，增加Ni以彌補降C降Mn帶來的強度損失，提高焊縫強度，提高對焊縫疲勞的斥力和低溫脆性轉變溫度。另外，Ni加入焊縫中不僅耐酸而且耐堿，對大氣及鹽都有抗蝕能力。本研究的抗酸焊絲中Ni的含量應控制在0.20％～0.30％。

2.7Ti含量

Ti的韌化效果最好。Ti與奧氏體中的N反應生成TiN顆粒，TiN具有很低的溶解度，在焊縫中能形成很細的彌散物，可以有效阻止晶粒長大，同時成為針狀鐵素體的形核核心，提高焊縫的韌性，本研究將其控制在0.05％～0.1％。

2.8B含量

B原子半徑很小，可在晶界形成偏析，控制奧氏體遷移能減少先共析鐵素體和側板條鐵素體量，增加針狀鐵素體量和細化焊縫組織，從而控制針狀鐵素體與貝氏體的組成相比例，提高韌性，但對冷速敏感性較高，使焊縫金屬的組織和性能一致性變差。在此將其控制在0.006％。

3　熔敷金屬試驗

采用研制的抗酸管埋弧焊用焊絲匹配BGSJ101G焊劑進行熔敷金屬試驗。BG-SJ101G屬于堿性燒結焊劑，堿度值1.8～2.0，熔渣成分為w（CaO+ MgO+MnO+CaF2）≥50％，w（SiO2）≤20％，w（CaF2）≥15％。由于堿性燒結焊劑含有較多的堿性氧化物，有利于清除焊縫中的S、P等雜質，而且與SiO2結合有利于降低SiO2的活度，使鋼中的[Si]與[O]更易形成SiO2，促使焊縫脫氧，減少合金元素的燒損，有利于提高焊縫的沖擊韌性[11-12]。依據GB/T 12470-2003《埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑》要求進行熔敷金屬焊接試驗，結果如表1所示。可見熔敷金屬的沖擊韌性、強度實現了良好的強韌性匹配。

表1　抗酸管埋弧焊用焊絲熔敷金屬力學性能檢測結果

4　抗酸焊絲焊接試驗及檢測分析

采用抗酸焊絲和BG-SJ101G焊劑進行抗酸板平板對焊試驗。焊接設備為林肯DC-1500/AC-1200焊機，焊接工藝為：內焊采用φ4 mm單絲，直流，焊接電流920 A，焊接電壓32 V；外焊采用φ4 mm+ φ3.2 mm雙絲，φ4 mm焊絲采用直流，焊接電流1 080 A，焊接電壓32 V，φ3.2 mm焊絲采用交流，焊接電流420 A，焊接電壓36 V，焊接速度1.70 m/min。試驗采用厚度9.5 mm的X65MS抗酸板，不開坡口，抗酸卷板化學成分為0.06％C-0.23％Si-1.2％Mn-0.05％Nb-0.04％Cu-0.03％Cr-0.02％Ni-0.003％Mo。

4.1焊接接頭微觀組織

采用德國Leica DMI 5000M型光學顯微鏡對抗酸焊絲施焊的X65MS板材進行焊接接頭金相組織分析，焊縫組織主要為IAF+B粒+PF+P，HAZ主要是B粒，如圖1所示。焊縫中存在大量的晶核內針狀F，針狀F是晶內形核的貝氏體，以大角度分布，取向自由度大，位錯密度高，裂紋不易擴展，并具有較高的強度和優良的抗腐蝕斷裂性能[6]，PF和P是焊縫冷卻過程中過冷奧氏體通過不同的相變機制轉變獲得。HAZ的B粒雖然其韌性不如針狀鐵素體，但強度較高，保證了焊接接頭良好的強度。

圖1　焊接接頭金相組織Fig.1Metallographic structure of X65MS welded joint

4.2焊接接頭硬度檢測

大量研究證明，硬度值越高，管線鋼臨界應力值和斷裂時間越低，耐腐蝕能力越差，所以控制硬度成為控制焊接接頭抗SSCC敏感性的關鍵[6]。采用丹麥司特爾Durascan-70型全自動顯微/維氏硬度計測量焊接接頭的硬度，加載載荷10 kg，加載時間60 s，得到了焊接接頭硬度分布如圖2所示。對于抗酸性焊接接頭，標準明確要求其母材、焊縫及HAZ的硬度值不應超過250 HV10。對抗酸焊絲采用優化的線能量熱輸入工藝施焊，焊接接頭硬度都低于250 HV10，符合API SPEC 5L附錄H標準要求。顯微組織硬度相比較存在以下關系：PF硬度小于AF硬度、小于B粒硬度，由于載荷10 kg的都是宏觀混合組織，在HAZ區域，基本都是大尺寸B粒組織，一般晶界的硬度值高于晶內的硬度值，HAZ中B粒的晶粒尺寸較大，晶界大幅度減少，減弱了晶界的強化作用，導致HAZ硬度減低，這也是焊接接頭中硬度波動的原因，也同時造就了埋弧焊焊接接頭良好的韌性和抗HIC敏感性。

圖2　焊管焊接接頭硬度分布Fig.2Hardness profile of welded joint of pipe（HV10）

4.3焊接接頭力學性能

采用ZWICK Z1200KN型萬能材料試驗機進行拉伸試驗，圖3為抗酸焊絲施焊的X65MS板材的焊接接頭拉伸結果，焊接接頭強度都符合API SPEC 5L附錄H中大于等于535MPa標準要求。采用ZWICK PSW750J型示波沖擊試驗機進行沖擊試驗，焊接接頭系列溫度沖擊韌性如圖4所示，0℃下焊縫和HAZ的沖擊性能遠高于標準要求的27 J，且焊縫和HAZ的韌脆轉變溫度ETT50都在-30℃以下，裂紋擴展就需更大能量，采用S-3700掃描電鏡對-20℃焊縫沖擊斷口進行掃描，當裂紋失穩擴展從拉應力區，即斷口放射區進入壓應力區時裂紋穩定擴展，斷口直接變為二次纖維區，沒有塑性很差的放射區，沖擊斷口裂紋擴展區SEM照片如圖5所示，存在大量韌窩，確保了焊縫具有較高的韌性。采用WE-30B型電液伺服萬能試驗機對焊縫進行正反彎試驗，彎芯直徑為6倍壁厚，彎曲角度為180°，正反面焊縫均未出現裂紋，均符合API SPEC 5L附錄H標準要求。

圖3　焊接接頭拉伸強度頻率正態分布Fig.3Normal distribution of strength of welded joints

圖4　焊接接頭系列溫度沖擊韌性Fig.4Normal distribution of different temperature impact toughness of welded joints

圖5　-20℃焊縫沖擊斷口SEMFig.5SEM photos of seams fracture zone at-20℃

4.4HIC性能試驗

依據美國腐蝕工程師協會標準NACE標準TM0284-2011《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評定方法》對埋弧焊管焊接接頭在硫化氫環境下進行試驗檢測，腐蝕溶液為標準A溶液（硫化氫飽和5％ NaCl+0.5％冰乙酸），溶液初始pH值為2.7，試驗結束時，測定溶液pH值為3.7，浸泡96 h后對焊接接頭的HIC試樣進行宏觀檢查，外表面未發現有氫鼓泡現象。焊接接頭HIC試驗后形貌如圖6所示，對金相剖面進行微觀評定觀察，焊接接頭每組3個HIC平行試樣中，剖面上均無HIC裂紋，HIC裂紋敏感率（CSR）、裂紋長度率（CLR）、裂紋厚度率（CTR）各敏感系數的測試結果均為0，遠高于標準要求的CSR≤2％，CLR≤15％，CTR≤5％，說明采用抗酸焊絲施焊的X65MS板材的焊接接頭對HIC不敏感。

圖6　焊接接頭HIC試驗后形貌Fig.6Photo-macrogaph of HIC sample after tests

4.5SSCC性能試驗

依據美國腐蝕工程師協會標準NACE TM 0177-2005《金屬材料在含H2S環境中抗硫化物應力腐蝕開裂性能試驗方法》進行試驗，加載方式采用四點彎曲法，腐蝕溶液為標準A溶液（硫化氫飽和5％NaCl+0.5％冰乙酸），試驗前溶液pH值為2.7，試驗后pH值為3.9。對焊接接頭分別在72％、90％ SMYS水平應力下加載720 h。試樣SSCC試驗結果如圖7所示，焊接接頭分別施加72％、90％SMYS拉伸應力后，全部試樣均未發生SSCC開裂現象，遠高于標準要求的72％SMYS不斷裂標準要求，說明采用抗酸焊絲施焊的X65MS板材的焊接接頭具有優異的抗SSCC性能。

5　結論

（1）以Mn-Ni-Ti-B為主要合金系，采用低C、低Mn及超低S、P控制設計的抗酸焊絲，純凈度高，焊接后可使焊縫獲得較好的針狀鐵素體組織，確保焊縫具有較高的強韌性和抗酸性。

（2）研制的抗酸焊絲與BG-SJ101G焊劑匹配進行熔敷金屬試驗和X65MS螺旋埋弧焊管現場試制試驗，焊縫低溫沖擊韌性均良好，拉伸強度較高、硬度低，力學性能指標完全滿足GB/T 12470-2003和API SPEC 5L附錄H標準要求。

圖7　720 h SSCC試驗后焊接接頭試樣形貌Fig.7Photomacrogaph of SSCC sample after 720 hours

（3）研制的抗酸焊絲，焊接后焊接接頭具有較強的抗HIC性能和抗SSCC性能。

[1]畢宗岳，黃曉輝，牛輝.X65MS耐酸性埋弧焊管的研制[J].焊管，2013，36（12）：10-14.

[2]寶雞石油鋼管有限責任公司.一種適用于X70MS/X65MS鋼級的耐H2S腐蝕管線鋼焊接用焊絲[P].中國：2013101 50492，2013.8.21.

[3]Beidokhti B A，Dolati A H，Koukabi.Effects of alloying elements and microstructure on the susceptibility of the welded HSLA steel steel to hydrogen-inducedcracking and sulfide stress cracking[J].Mater A，2009，507（1）：167-173.

[4]張敏，張喜兵，陳飛綢，等.X100管線鋼理弧焊匹配焊劑及其接頭性能分析[J].焊接學報，2012，33（9）：57-61.

[5]畢宗岳.管線鋼管焊接技術[M].北京：石油工業出版社，2013.

[6]黃曉輝，畢宗岳，牛輝，等.抗酸性X70MS直縫埋弧焊管的研制[J].焊管，2014，37（6）：5-10.

[7]趙紅波，畢宗岳，李新寧，等.超高強度X100管線鋼埋弧焊焊絲研制[J].焊管，2014，37（3）：23-25.

[8]張敏，呂金波，王超，等.一種X100管線鋼埋弧焊絲的研究與開發[J].焊接學報，2011，32（1）：1-5.

[9]肖云，唐良喜.H08CrMoVA埋弧焊絲的研制[J].焊管，2012，35（2）：24-26.

[10]趙紅波，牛輝，付宏強，等.X100超高強度管線鋼用埋弧焊燒結焊劑研制[J].焊管，2014，37（3）：11-23.

[11]Kanjilal P，Majumdar S K，Pal T K，Prediction of Submerged arc weld-metal composition from flux ingredients with the help statistical design of mixture experiment[J].Scandinavian Journal of Metallurgy，2004，33（3）：146-159.

[12]蘇仲鳴，焊劑的性能與使用[M].北京：機械工業出版社，1989.

Development of submerged arc welding wire for acidproof pipeline steel

HUANG Xiaohui1，2，BI Zongyue1，2，ZHAO Hongbo1，2，ZHANG Wanpeng1，2
（1.National Petroleum and Gas Tubular Goods Engineering Technology Research Center，Baoji 721008，China；2. Baoji Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Baoji 721008，China）

Using the technology of low carbon，low manganese，low sulfur，low phosphorus，adopting Mn-Ni-Ti-B as the main alloy system，a kind of acidproof welding wire is developed，which can be applied to X65MS pipeline steel.This welding wire is compatible with the corresponding BG-SJ101G flux.According to the standard requirements of low alloy steel electrodes and fluxed for submerged arc welding GB 12470-2003，through test of deposited metal，the result shows that the yield strength is 465 MPa，the tensile strength is 541 MPa，and the impact energy value is more than 27 J at-20℃.After X65MS steel pipe is welded，weld formation and mechanical properties are all good，the tensile strength is more than 556 MPa，and the impact toughness is 178 J at 0℃，the hardness of weld is less than 250 HV10.The HIC test is conducted in accordance with the NACE-0284 standard，the cracking sensitivity rate（CSR），crack length ratio（CLR），crack thickness ratio（CTR）of the steel pipe，weld seams and heat affected zone are all zero.After SSCC tests，under 72％，90％SMYS load，no fracture appears.Using acidproof welding wire，the X65MS pipe is with good mechanical properties and good acid resistance.

acidproof welding wire；acidproof pipeline steel；submerged arc welding；X65MS steel

TG423

A

1001－2303（2016）04－0011-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.03

2015－01－10；

2015－05－16

國家科技支撐計劃項目（2011BAE25B03）

黃曉輝（1980—），男，陜西寶雞人，工程師，碩士，主要從事抗酸輸送焊管開發及焊接技術等工作。