X80管線鋼配套焊條CHE657GX的研制

四川大西洋焊接材料股份有限公司 （自貢 643010） 陳耕耘 陽 東 曾志超

1. 概述

管道輸送是長距離運輸石油天然氣最合理的運輸方式，具有經濟、安全、高效、節能、不間斷，以及對環境破壞程度小等顯著特點。管道運輸已成為繼公路、鐵路、水路和航空運輸之后的第5大運輸業。其總體發展趨勢是長距離、大口徑、高強度和高韌性。目前，國內外管線建設普遍采用X70鋼級管線鋼，部分長距離管線建設開始采用X80管線鋼，目前全世界累計使用長度僅為1750km。但目前國內建造的西氣東輸二線天然氣管道工程干線全長約4800km，這使X80管線鋼的應用得到了普及，同時也對X80管線鋼及配套焊接材料提出了新的更高的要求。

在高強度焊管制造過程中，其最難解決的是焊縫金屬及熱影響區的強度及韌性的降低問題，如何控制焊縫的性能是高強度焊管開發和使用急需解決的關鍵問題。我公司始終緊跟著市場需求的步伐，在管道用鋼的焊接材料研究、開發方面投入大量的人力、物力，從19世紀80年代末開始對X60管線鋼配套焊材進行研發，1997年對X65管線鋼配套焊材研發，2001年對X70配套焊材研發，到2008年完成對X80管線鋼配套焊材研發的一系列研究工作。目前我廠的CHE657GX焊條已經投入批量生產，經用戶使用，肯定了其良好的焊接性能，完全能滿足西氣東輸二線天然氣管道工程用X80鋼管焊接的各項性能要求。

2. X80管線鋼及其配套焊條

（1）X80管線鋼的技術要求 西氣東輸二線工程標準對高強度管線鋼的技術要求，化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。

表1 X80管線鋼化學成分要求（質量分數） （%）

表2 X80管線鋼力學性能要求

（2）X80管線鋼配套焊條相關要求 一般來說，管線鋼配套焊條的基準是：使焊縫的化學成分與母材基本保持一致，強度略低于母材。按這個思路出發，我們研究的焊接X80管線鋼的焊條電弧焊專用高強度、高韌性、低氫型焊條CHE657GX，其焊接熔敷金屬化學成分和力學性能等技術指標如表3、表4所示。

表3 CHE657GX焊條的熔敷金屬化學成分（質量分數） （%）

表4 CHE657GX焊條的熔敷金屬力學性能（焊態）

（3）焊接試驗相關條件 母材化學成分如表5所示。

表5 X80管線鋼22mm厚卷板的實際化學成分（質量分數） （%）

CHE657GX焊條藥皮成分如表6所示。

表6 CHE657GX焊條藥皮成分 （%）

焊接參數如表7、表8所示。坡口形式如圖1、圖2所示。

表7 熔敷金屬焊接參數

表8 X80鋼對接焊接參數

圖1 熔敷金屬坡口

圖2 X80鋼對接焊縫坡口

（4）試驗結果 CHE657GX焊條熔敷金屬化學成分如表9所示。

表9 CHE657GX焊條熔敷金屬化學成分（質量分數）（%）

CHE657GX焊條熔敷金屬力學性能如表10所示。

表10 CHE657GX焊條熔敷金屬力學性能

X80管線鋼對接焊縫化學成分如表11所示。

表11 X80管線鋼對接焊縫化學成分（質量分數）（%）

X80管線鋼對接焊縫力學性能如表12所示。

表12 X80管線鋼對接焊縫力學性能

3. 試驗結果分析討論

上述試驗數據顯示，使用CHE657GX焊條所焊接的X80管線鋼的焊縫和熱影響區具有足夠的強度和韌性，能夠滿足X80管線鋼焊接的技術要求。

一般來說，要使焊縫具有如此高強度而又保證足夠高的沖擊韌性，必須對焊縫進行適當的熱處理，但管線用鋼的焊接一般是野外作業，要實現對焊縫進行熱處理，不僅要耗費大量的人力物力，而且由于地理環境、天氣等原因，熱處理往往很難達到要求。要解決這個問題，最直接的方法就是在不對焊縫進行焊后熱處理的情況下保證焊縫的各項性能，特別是強度和沖擊韌性達到技術指標要求。而我們研制開發的CHE657GX焊條，經用戶使用證明了在不需焊后熱處理的情況下性能依然能達到X80管線鋼焊接技術要求。

該焊條之所以有此特性，主要是我們對焊條中各元素及其含量進行合理的匹配，使其對焊縫組織和力學性能起的關鍵性的作用，下面就一些常用的，對組織、性能影響比較大的元素進行探討。

（1）錳(Mn)、硅（Si） 硅可以脫氧，有鎮靜熔池、消除氣孔的作用，但加入量過大會降低焊縫的塑性和韌性。錳可以提高焊縫強度、硬度，而過高則會降低X80鋼抗腐蝕性能。下面是在大量試驗過程中總結出來的該焊條中Mn-Si（其他元素不變）對焊縫抗拉強度、沖擊韌性影響的具體曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 硅、錳元素與抗拉強度的關系曲線

圖4 硅、錳元素與沖擊韌性的關系曲線

由圖3、圖4數據可以看出，在硅不變，錳增加的情況下，強度總體是增加的，而且增幅明顯，沖擊有所下降，但幅度不大；而隨著硅含量的增加，強度并沒有得到本質的增加，沖擊韌性卻有大幅的下降。理想情況下，錳硅比值越高、硅越低，焊條的沖擊韌性越好。但實際上，硅過低會引起焊縫晶粒顆粒粗大，焊縫成形粗糙，工藝性能變差，所以我們將wsi控制在0.25%左右；同時將wMn控制在1.50%左右，因為過量的錳會使焊條在焊接時飛濺明顯增大。

（2）鉬（Mo） 雖然單獨使用錳也可以提高焊縫強度，但要達到焊縫要求的強度、沖擊韌性，其加入量將相當高，從而引發降低X80鋼抗腐蝕性能的新問題。如果配合鉬使用，在焊條藥皮中加入少量鉬鐵，不但會使焊縫組織晶粒細化，而且增加焊縫強度、提高沖擊韌性；但鉬鐵加入量也不宜過高，因為鉬屬于貴金屬，過量的加入增加了焊條的成本，而且還會惡化焊縫沖擊性能，增加焊縫硬度，故加入量應控制在0.20%左右。總體上看，其對焊縫性能的影響如圖5、圖6曲線所示。

圖5 鉬元素與抗拉強度的關系曲線

圖6 鉬元素與沖擊韌性的關系曲線

（3）鐵粉（Fe） 鐵粉在焊條藥皮的作用一般容易被忽略，但在該焊條中它卻起到了不小的作用。因為鐵粉具有還原性，能起到凈化熔池的作用，同時又能細化晶粒，提高焊縫沖擊韌性，但不宜過多，因為過量的加入鐵粉會使其他元素稀釋，所以加入量控制在15%左右。

（4）雜質硫和磷的控制 在一般情況下，雜質（主要指硫和磷）會使焊縫組織形成低熔點共晶（如FeS+ FeO、Fe3P+ Fe、Ni3Fe+ Fe等），促使焊縫中形成熱裂紋和脆化，焊縫金屬中硫含量越高，焊縫的夏比沖擊值越低；磷含量越高，焊縫就越容易產生偏析、脆化、裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，焊縫的塑性和韌性越低。焊縫中硫、磷主要來源于三個方面：一是母材，其中的硫、磷幾乎可以全部過渡到焊縫中去；二是焊芯，其中硫、磷約70%～80%可以過渡到焊縫中去；三是藥皮，其中的硫、磷有30%～50%可以過渡到焊縫中。由此可見，嚴格控制焊接材料的硫、含磷量是限制焊縫硫、含磷量的關鍵。

我們主要從兩個方面對雜質進行控制：一是在焊芯方面選用硫、磷盡量低的特殊碳鋼焊芯。二是藥粉都選用一些含硫、磷極為低的，比如精選的大理石、 氟石等，均是為了防止焊縫硫、磷量的增加。

4. 結語

（1）使用CHE657GX焊條所焊接X80管線鋼的焊接接頭和熱影響區具有足夠的強度和韌性，能夠滿足石油天然氣輸送管道焊接鋼管高強度、高韌性、彎曲和低硬度等技術要求。

（2）焊縫中的各種元素，主要是碳、錳、硅、鉬對焊縫的力學性能起到了決定性的作用。

（3）該焊條中雜質元素磷、硫的控制是關鍵，主要通過焊芯控制和藥粉控制。