抗酸管线钢埋弧焊焊丝的开发研究

黄晓辉，毕宗岳，赵红波，张万鹏

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西宝鸡721008）

抗酸管线钢埋弧焊焊丝的开发研究

黄晓辉1，2，毕宗岳1，2，赵红波1，2，张万鹏1，2

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西宝鸡721008）

以Mn-Ni-Ti-B为主要合金系，采用低C、低Mn及超低S、P控制，研制出了一种能够适用于X65MS钢级及以下抗酸管用埋弧焊焊丝。该焊丝与相应的BG-SJ101G焊剂匹配，依据GB/T 12470-2003《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》要求进行熔敷金属试验检测，结果表明：屈服强度为465 MPa，抗拉强度为541 MPa，-20℃冲击功均在27 J以上；采用X65MS卷板结合抗酸焊丝进行螺旋埋弧焊管现场试制，结果显示：焊接工艺性能良好，焊接接头形貌优良，焊接接头抗拉强度556 MPa，实体管焊缝0℃冲击功为178 J，焊接接头所有硬度均小于250 HV10。经过HIC测试，焊接接头CSR、CLR、CTR均为零，经过SSCC测试，在72％、90％SMYS载荷下，焊接接头均未出现断裂，焊接接头表现出良好的力学性能和抗酸性，采用新开发的抗酸焊丝完全满足X65MS抗酸埋弧焊管性能要求。

抗酸焊丝；抗酸管线钢；埋弧焊；X65MS钢

0　前言

油气管道是国民经济的生命线，而腐蚀是石油管材最主要的失效形式之一，我国每年因腐蚀造成的管材损失约600万t。硫化氢是石油天然气开采中最主要的腐蚀介质，由于硫化氢的腐蚀易引发氢致开裂（HIC）和应力腐蚀开裂（SSCC），极易造成压力容器和输送管道失效，近几年的管道爆炸、泄漏事件大都因硫化氢腐蚀造成[1]。X52MS～X65MS钢级抗酸管是国内外目前和未来十年应用范围最广、使用量最大的抗酸管线钢种，约占抗酸管线钢消耗量的80％左右。

国内外部分大型钢厂已成功研制出抗酸管线钢，但相应的埋弧焊用抗酸焊丝研发仍相对滞后。在此以焊接难度要求比较高的X65MS抗酸管线钢为试验对象，从焊缝合金体系设计出发，选择以针状铁素体为韧化相为主，以粒状贝氏体为强化相为辅，进而形成合理的强韧匹配，为抗酸焊丝的设计研发奠定基础[2]。

1　抗酸焊缝合金体系设计思想

1.1焊缝力学和耐酸性能要求

根据GB/T 12470-2003、API SPEC 5L（45版）附录H酸性服役条件PSL2钢管的订购和美国腐蚀工程师协会NACE TM0284和NACE TM0177标准要求，所开发的埋弧焊焊接用抗硫化氢焊丝进行焊接时应具备以下要求：

（1）在焊速1.6～1.9 m/min进行埋弧焊时，焊缝外观须成型美观，焊道表面光亮平整。

（2）进行熔敷金属试验检测，屈服强度大于等于400 MPa，抗拉强度480～660 MPa，延伸率大于等于22％，-20℃冲击功均在27 J以上。

（3）匹配相应的焊剂埋弧焊接，以X65MS抗酸管为例进行焊接试验，焊缝抗拉强度大于等于535 MPa，0℃焊缝及HAZ冲击功均大于等于27 J，焊接接头硬度均小于250 HV10。

（4）经过HIC测试，A溶液浸泡96 h，焊接接头每组试样中，剖面上的裂纹必须满足CSR≤2％，CLR≤15％，CTR≤5％。

（5）经过SSCC测试，A溶液中浸泡720 h，对焊接接头施加72％最小规定屈服强度应力（SMYS）而不断裂，并且在放大倍数为10的低倍显微镜下检查试样的拉伸面，拉伸表面上不得出现任何开裂或者裂纹。

1.2焊缝组织设计

影响焊接接头力学性能和抗酸性能主要是焊缝组织结构。为确保焊接接头力学性能及抗HIC和抗SSCC敏感性，应尽量提高焊缝金属的纯净度、细化晶粒、改善夹杂物的分布和形态，降低焊接接头组织硬度等[1]。主要从以下方面进行焊缝组织设计：

（1）促使焊缝金属中含有大量AF和少量弥散分布的GB，焊缝金属才具有较高的韧性和较低的硬度。硬度值影响焊接接头的氢脆性能，因为裂纹易于在高硬度低塑性相区域萌生及扩展[3]。

（2）焊接接头组织要尽量均匀、细小，减少或避免焊接接头硬相如M/A组织出现，减少焊接接头相界面数量，尽量避免裂纹从晶格热力学差异大的非平衡状态组织和硬脆处萌发[4]。

（3）减少焊缝中MnS、Al及Si等的氧化物夹杂含量，尽量减少热膨胀系数不同的夹杂物形成空洞成为H陷阱[1]。

（4）尽量降低焊接接头残余应力及位错大小分布，避免较多带H位错在运动中富集，造成H压增大而产生裂纹[5]。

（5）优化焊接工艺及控制热输入，减少焊接过程中焊缝金属容易产生粗大的鱼骨状的魏氏组织，减少焊接热影响区中的硬化、粗晶及不均匀组织，避免电位的差异过大容易受到电化学腐蚀而形成蚀坑和蚀孔，为微裂纹的形成提供裂纹源[1]。

1.3抗酸焊丝合金体系的确定

确保焊丝的焊接性，焊缝具有一定的强韧性和抗酸性途径是：设计焊丝时应显著降低焊丝中影响抗酸性的C、Mn，并且尽可能降低P、S等有害元素含量，严格控制能引起焊缝金属焊接性能差的碳当量Ceq、淬硬倾向及裂纹敏感系数Pcm，焊丝中增加Ni以获得强韧性较好的针状铁素体及粒状贝氏体组织，并弥补降C降Mn带来的强度损失，适量添加Ti和B等微合金元素产生有效夹杂物形核质点，促进晶内针状铁素体的形成，以控制针状铁素体和粒状贝氏体的组成相比例。根据以上确定Mn-Ni-Ti-B作为X65钢级及以下抗酸管用埋弧焊焊丝合金系。

2　焊丝成分设计[1，6-10]

2.1C含量

碳作为焊缝组织中的主要强化元素，对于焊缝拉伸性能起着重要作用，但在抗酸焊丝中，碳含量太高，将会引起焊缝硬度升高，裂纹敏感性增加，容易引起碳化物偏析，造成偏析区的硬度与周围组织的差异，易导致HIC腐蚀。因此，本焊丝采用超低碳设计，但考虑到焊接过程中C的烧损，所以将C含量控制在0.04％～0.06％。

2.2Mn含量

Mn能提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性。Mn和S结合形成MnS，易产生带状偏析，容易在焊缝及热影响区产生马氏体和贝氏体等高强度的显微组织，表现出高硬度，将导致H原子易于在此聚集，增加焊后组织开裂倾向，易萌生裂纹并扩展直至断裂，降低焊缝中抗SSCC的能力。所以本焊丝采用低锰方案，将Mn含量控制在1.0％～1.4％。

2.3Si含量

Si在焊缝金属中主要起强化作用和脱氧作用，对于冲击韧性及抗H2S腐蚀有显著的改善作用。当熔敷金属中w（Si）≤0.1％时不能充分脱氧，焊缝中易于形成气孔等缺陷。当Mn、Si同时存在时，随着Mn-Si含量的增加，Si元素易于偏析于晶粒边缘，会助长晶间裂纹的形成，并且将会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，Si和P在晶界上形成Si-P复合物，促使晶界脆化[3]，因此将焊丝中Si含量控制在0.20％～0.30％。

2.4P含量

P作为有害杂质元素，即使含量很低，也能在MnS、氧化物夹杂以及晶界上形核扩展，磷的偏析易于造成磷化铁带状组织，带状组织会促进HIC裂纹的产生。所以抗酸焊丝要求将P含量控制的越低越好，因此将焊丝中P含量控制在0.004％以下。

2.5S含量

S作为有害杂质元素，易于形成带尖角且膨胀系数比焊缝基体大的MnS和FeS非金属夹杂物，使局部显微组织疏松产生预破坏区，促使析氢腐蚀加剧，诱发点蚀和SSCC应力腐蚀开裂，增加湿硫化氢环境下焊缝的HIC和SOHIC的敏感性。所以抗酸焊丝要求对S元素控制的越低越好，因此将焊丝中S含量控制在0.003％以下。

2.6Ni含量

Ni能提高强度，又能保持良好的塑性和韧性。Ni与Fe化学性质相同，原子半径接近，对基体点阵造成的畸变最小，对韧性的危害也最小，能细化奥氏体相的晶粒来提高焊缝金属韧性，细化组织促使针状铁素体的形成，增加Ni以弥补降C降Mn带来的强度损失，提高焊缝强度，提高对焊缝疲劳的斥力和低温脆性转变温度。另外，Ni加入焊缝中不仅耐酸而且耐碱，对大气及盐都有抗蚀能力。本研究的抗酸焊丝中Ni的含量应控制在0.20％～0.30％。

2.7Ti含量

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，在焊缝中能形成很细的弥散物，可以有效阻止晶粒长大，同时成为针状铁素体的形核核心，提高焊缝的韧性，本研究将其控制在0.05％～0.1％。

2.8B含量

B原子半径很小，可在晶界形成偏析，控制奥氏体迁移能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。在此将其控制在0.006％。

3　熔敷金属试验

采用研制的抗酸管埋弧焊用焊丝匹配BGSJ101G焊剂进行熔敷金属试验。BG-SJ101G属于碱性烧结焊剂，碱度值1.8～2.0，熔渣成分为w（CaO+ MgO+MnO+CaF2）≥50％，w（SiO2）≤20％，w（CaF2）≥15％。由于碱性烧结焊剂含有较多的碱性氧化物，有利于清除焊缝中的S、P等杂质，而且与SiO2结合有利于降低SiO2的活度，使钢中的[Si]与[O]更易形成SiO2，促使焊缝脱氧，减少合金元素的烧损，有利于提高焊缝的冲击韧性[11-12]。依据GB/T 12470-2003《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》要求进行熔敷金属焊接试验，结果如表1所示。可见熔敷金属的冲击韧性、强度实现了良好的强韧性匹配。

表1　抗酸管埋弧焊用焊丝熔敷金属力学性能检测结果

4　抗酸焊丝焊接试验及检测分析

采用抗酸焊丝和BG-SJ101G焊剂进行抗酸板平板对焊试验。焊接设备为林肯DC-1500/AC-1200焊机，焊接工艺为：内焊采用φ4 mm单丝，直流，焊接电流920 A，焊接电压32 V；外焊采用φ4 mm+ φ3.2 mm双丝，φ4 mm焊丝采用直流，焊接电流1 080 A，焊接电压32 V，φ3.2 mm焊丝采用交流，焊接电流420 A，焊接电压36 V，焊接速度1.70 m/min。试验采用厚度9.5 mm的X65MS抗酸板，不开坡口，抗酸卷板化学成分为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焊接接头微观组织

采用德国Leica DMI 5000M型光学显微镜对抗酸焊丝施焊的X65MS板材进行焊接接头金相组织分析，焊缝组织主要为IAF+B粒+PF+P，HAZ主要是B粒，如图1所示。焊缝中存在大量的晶核内针状F，针状F是晶内形核的贝氏体，以大角度分布，取向自由度大，位错密度高，裂纹不易扩展，并具有较高的强度和优良的抗腐蚀断裂性能[6]，PF和P是焊缝冷却过程中过冷奥氏体通过不同的相变机制转变获得。HAZ的B粒虽然其韧性不如针状铁素体，但强度较高，保证了焊接接头良好的强度。

图1　焊接接头金相组织Fig.1Metallographic structure of X65MS welded joint

4.2焊接接头硬度检测

大量研究证明，硬度值越高，管线钢临界应力值和断裂时间越低，耐腐蚀能力越差，所以控制硬度成为控制焊接接头抗SSCC敏感性的关键[6]。采用丹麦司特尔Durascan-70型全自动显微/维氏硬度计测量焊接接头的硬度，加载载荷10 kg，加载时间60 s，得到了焊接接头硬度分布如图2所示。对于抗酸性焊接接头，标准明确要求其母材、焊缝及HAZ的硬度值不应超过250 HV10。对抗酸焊丝采用优化的线能量热输入工艺施焊，焊接接头硬度都低于250 HV10，符合API SPEC 5L附录H标准要求。显微组织硬度相比较存在以下关系：PF硬度小于AF硬度、小于B粒硬度，由于载荷10 kg的都是宏观混合组织，在HAZ区域，基本都是大尺寸B粒组织，一般晶界的硬度值高于晶内的硬度值，HAZ中B粒的晶粒尺寸较大，晶界大幅度减少，减弱了晶界的强化作用，导致HAZ硬度减低，这也是焊接接头中硬度波动的原因，也同时造就了埋弧焊焊接接头良好的韧性和抗HIC敏感性。

图2　焊管焊接接头硬度分布Fig.2Hardness profile of welded joint of pipe（HV10）

4.3焊接接头力学性能

采用ZWICK Z1200KN型万能材料试验机进行拉伸试验，图3为抗酸焊丝施焊的X65MS板材的焊接接头拉伸结果，焊接接头强度都符合API SPEC 5L附录H中大于等于535MPa标准要求。采用ZWICK PSW750J型示波冲击试验机进行冲击试验，焊接接头系列温度冲击韧性如图4所示，0℃下焊缝和HAZ的冲击性能远高于标准要求的27 J，且焊缝和HAZ的韧脆转变温度ETT50都在-30℃以下，裂纹扩展就需更大能量，采用S-3700扫描电镜对-20℃焊缝冲击断口进行扫描，当裂纹失稳扩展从拉应力区，即断口放射区进入压应力区时裂纹稳定扩展，断口直接变为二次纤维区，没有塑性很差的放射区，冲击断口裂纹扩展区SEM照片如图5所示，存在大量韧窝，确保了焊缝具有较高的韧性。采用WE-30B型电液伺服万能试验机对焊缝进行正反弯试验，弯芯直径为6倍壁厚，弯曲角度为180°，正反面焊缝均未出现裂纹，均符合API SPEC 5L附录H标准要求。

图3　焊接接头拉伸强度频率正态分布Fig.3Normal distribution of strength of welded joints

图4　焊接接头系列温度冲击韧性Fig.4Normal distribution of different temperature impact toughness of welded joints

图5　-20℃焊缝冲击断口SEMFig.5SEM photos of seams fracture zone at-20℃

4.4HIC性能试验

依据美国腐蚀工程师协会标准NACE标准TM0284-2011《管线钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方法》对埋弧焊管焊接接头在硫化氢环境下进行试验检测，腐蚀溶液为标准A溶液（硫化氢饱和5％ NaCl+0.5％冰乙酸），溶液初始pH值为2.7，试验结束时，测定溶液pH值为3.7，浸泡96 h后对焊接接头的HIC试样进行宏观检查，外表面未发现有氢鼓泡现象。焊接接头HIC试验后形貌如图6所示，对金相剖面进行微观评定观察，焊接接头每组3个HIC平行试样中，剖面上均无HIC裂纹，HIC裂纹敏感率（CSR）、裂纹长度率（CLR）、裂纹厚度率（CTR）各敏感系数的测试结果均为0，远高于标准要求的CSR≤2％，CLR≤15％，CTR≤5％，说明采用抗酸焊丝施焊的X65MS板材的焊接接头对HIC不敏感。

图6　焊接接头HIC试验后形貌Fig.6Photo-macrogaph of HIC sample after tests

4.5SSCC性能试验

依据美国腐蚀工程师协会标准NACE TM 0177-2005《金属材料在含H2S环境中抗硫化物应力腐蚀开裂性能试验方法》进行试验，加载方式采用四点弯曲法，腐蚀溶液为标准A溶液（硫化氢饱和5％NaCl+0.5％冰乙酸），试验前溶液pH值为2.7，试验后pH值为3.9。对焊接接头分别在72％、90％ SMYS水平应力下加载720 h。试样SSCC试验结果如图7所示，焊接接头分别施加72％、90％SMYS拉伸应力后，全部试样均未发生SSCC开裂现象，远高于标准要求的72％SMYS不断裂标准要求，说明采用抗酸焊丝施焊的X65MS板材的焊接接头具有优异的抗SSCC性能。

5　结论

（1）以Mn-Ni-Ti-B为主要合金系，采用低C、低Mn及超低S、P控制设计的抗酸焊丝，纯净度高，焊接后可使焊缝获得较好的针状铁素体组织，确保焊缝具有较高的强韧性和抗酸性。

（2）研制的抗酸焊丝与BG-SJ101G焊剂匹配进行熔敷金属试验和X65MS螺旋埋弧焊管现场试制试验，焊缝低温冲击韧性均良好，拉伸强度较高、硬度低，力学性能指标完全满足GB/T 12470-2003和API SPEC 5L附录H标准要求。

图7　720 h SSCC试验后焊接接头试样形貌Fig.7Photomacrogaph of SSCC sample after 720 hours

（3）研制的抗酸焊丝，焊接后焊接接头具有较强的抗HIC性能和抗SSCC性能。

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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

国家科技支撑计划项目（2011BAE25B03）

黄晓辉（1980—），男，陕西宝鸡人，工程师，硕士，主要从事抗酸输送焊管开发及焊接技术等工作。