CN115401299A - 一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，耐蚀钢扁钢厚度为3.5‑8mm，闪光对焊工艺参数包括预热电流、焊接电流、伸出长度、闪光留量、顶锻留量、顶锻压力、进给速度、闪光顶锻完成后预压时间。采用本发明的焊接工艺可以实现耐蚀钢扁钢焊接接头的可靠性连接，有效降低能源消耗与生产成本，改善闪光对焊接头组织不均匀性，降低屈强比，提高焊接接头强度与耐蚀性能，能够满足海洋恶劣环境中柔性管用耐蚀钢焊接接头力学性能与耐蚀性能的服役要求，生产过程中通过控制焊接工艺参数，辅以焊后热处理来实现接头组织及性能的调整，有利于加速深海或超深海油田开采步伐，降低油田开发成本。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法
背景技术
全球油气资源危机不断加剧，我国油气开采从陆地转向海洋，从浅水转向深水、超深水，加强深水、超深水油气资源勘探开发面临技术难度大、成本高等挑战。在海洋油气资源开采过程中，海洋柔性管以自身耐蚀性强、连续长度长、地形适应性强等优点受到广泛的应用。海洋柔性管为特殊结构的多层复合管道，其结构包括骨架层、密封层、铠装层、护套层，其中铠装层为海洋柔性管的核心部件，为了增加海洋柔性管的强度、提高其承载能力、减小自重，一般采用高强钢为核心部件材料。由于柔性管输送原油中含高压力高浓度的H2S、CO2等腐蚀气体，长期服役后，腐蚀气体可渗透通过密封层与核心部件材料接触，因此海洋柔性管核心部件金属材料必须具有良好的抗氢损伤能力和耐腐蚀能力。随海洋柔性管核心部件材料强度级别的不断提高，其对氢脆的敏感性显著增强，现工业生产一般采用屈服强度低于600MPa以下的钢材作为核心部件材料。
海洋柔性管服役环境极其恶劣，铠装层耐蚀钢极易出现严重的腐蚀破环现象，极大的缩短海洋柔性管整体使用寿命。随着核心部件材料强度级别的提升，其焊接性显著降低，其中相关闪光对焊方法尚未见报道。为了完善我国高强度柔性管用耐蚀钢焊接技术，加速海洋柔性管的国产化进程，有必要开发海洋柔性管用600MPa级耐蚀钢闪光对焊焊接方法。高强度耐蚀钢闪光对焊接头组织转变规律复杂，焊缝和热影响区组织一般为多边形铁素体、针状铁素体、贝氏体铁素体、粒状贝氏体等几种组织的复相结构，焊接接头各区域的相组成及其比例直接影响海洋柔性管的力学性能、耐蚀性能与服役寿命。目前，需要解决的问题是，闪光对焊焊接工艺参数的选取及焊接工艺的控制来获取优质的焊接接头，在实现焊接接头的可靠性连接，同时保证焊接接头强度接近于母材，改善焊接接头存在组织不均匀的较大差异，其特殊的服役环境对焊接接头抗腐蚀性能提出更高的要求。对此，通过控制闪光对焊工艺参数辅以焊后热处理技术，可以赋予焊接接头良好的抗氢致损伤性能与耐蚀性能。因此，迫切需要开发海洋柔性管用耐蚀钢的闪光对焊焊接方法。
发明内容
基于上述情况，本发明提出一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，以及焊后热处理来改善焊接接头的组织及性能，提高酸性服役环境下高强度耐蚀钢在恶劣服役环境中的使用寿命。
本发明的技术方案如下：
一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，包括以下步骤：
步骤1、待焊耐腐蚀钢的准备：
步骤1.1、对厚度3.5-8mm，宽度8-12mm的耐腐蚀钢端面进行打磨，保证端面光泽、平整；
步骤1.2、为提高焊接质量，电极夹持部位需打磨，打磨后耐腐蚀钢表面使用丙酮去油；
步骤2、将待焊耐腐蚀钢进行闪光对焊：
步骤2.1、将待焊耐腐蚀钢夹持于闪光对焊机的电极上，保证耐腐蚀钢的两端面间隙在0.1-2mm；
步骤2.2、设定焊接参数，依次经过闪光阶段、顶锻阶段、休止阶段，采用焊接的方式将待焊耐腐蚀钢焊接在一起；
步骤2.2.1、闪光阶段是耐腐蚀钢两端面接触点的融化过程，该过程伴随大量热量来加热耐腐蚀钢，同时烧损掉耐腐蚀钢端面的不平及脏污物；
步骤2.2.2、顶锻阶段是对耐腐蚀钢施加一定顶锻力，确保焊接良好的连接，并排挤出闪光阶段产生的液态金属及氧化物夹渣；
步骤2.2.3、休止阶段是闪光阶段和顶锻阶段完成后对耐腐蚀钢预压1-5s；
步骤2.3、对焊缝进行打磨；
步骤3、焊后热处理：对焊接后的耐腐蚀钢进行淬火后回火热处理。
进一步的，上述的一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，步骤2所述闪光阶段的工艺参数为：预热电流300-550A、焊接电流200-420A、伸出长度10.5-23.5mm、闪光留量5-12mm。
进一步的，上述的一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，步骤2所述顶锻阶段的工艺参数为：顶锻留量2-8mm，顶锻力0.1-1MPa，进给速度50-150mm/s。
进一步的，上述的一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，步骤3中，热处理过程采用中频感应加热。
进一步的，上述的一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，步骤3中，淬火温度860-920℃，保温时间20-50min，水淬至室温，回火温度550-700℃，回火时间10-50min，空冷至室温。
进一步的，上述的一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，焊后热处理后，闪光对焊接头在抗氢致开裂实验中表面均无氢鼓泡出现。
进一步的，上述的一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，焊后热处理后，闪光对焊接头在抗硫化物应力腐蚀开裂实验中均满足持续时间720h未断裂。
本发明的有益效果为：
(1)本发明所述的方法，可以在低飞溅、高效率的情况下使焊接接头获得无异常缺陷的微观组织，保证焊接接头具有优良的力学性能；
(2)本发明所述的耐蚀钢闪光对焊焊接方法，以及焊后热处理工艺，进一步提升耐蚀钢闪光对焊接头的性能，消除焊接接头的软化现象。辅助焊后热处理措施降低焊接残余应力，改善焊接接头组织均匀性及稳定性，使焊接接头具有高强度、抗氢致损伤及耐蚀性能，其优越的抗硫化物应力腐蚀开裂性能，能够满足在海上油田开采恶劣环境下服役的海洋柔性管对耐蚀钢焊接接头处性能的要求。具有工艺简单、实用性强的优点。
附图说明
图1为本发明实施方式中制备的海洋柔性管用耐蚀钢显微组织图；
图2为本发明实施2中闪光对焊接头典型横截面低倍形貌图；
图3为本发明实施2中闪光对焊接头拉伸断口形貌图；
图4为本发明实施2中焊后热处理后接头热影响区显微组织图。
具体实施方式
一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，所述600MPa级耐蚀钢，如图1所示，组织由多边形铁素体、回火马氏体和第二相析出物组成，屈服强度628-698MPa，抗拉强度701-795MPa，延伸率20-28％。该耐蚀钢包括组分及重量百分含量为C：0.03-0.08％，Mn：0.2-0.9，Si：0.1-0.5，P≤0.01％，S≤0.003％，Cr：0.9-1.4％，Mo：0.4-0.9，Ti：0.012-0.03％，Nb：0.014-0.035％，余量为Fe及不可避免杂质，满足碳当量Ceq≤0.52％(Ceq＝[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15])，公式中元素为对应元素的重量百分含量。耐蚀钢为厚度3.5-8mm，宽度8-12mm的扁钢，该材料氢致开裂实验中试样表面均无氢鼓泡出现，硫化物应力腐蚀开裂实验中，试样均满足持续720h未断裂。
闪光对焊包括闪光阶段、顶锻阶段和休止阶段。获得优质闪光对焊接头取决于闪光对焊机的焊接参数与焊接材料尺寸的匹配性，选取适当的焊接参数，可以使耐蚀钢闪光对焊接头获得接近于母材同等性能。闪光对焊的焊接参数为预热电流300-550A，焊接电流200-420A，伸出长度10.5-23.5mm，闪光留量5-12mm，顶锻留量2-8mm，顶锻力0.1-1MPa，进给速度50-150mm/s，闪光顶锻完成后预压时间1-5s。闪光对焊接头进行焊后热处理淬火后回火，淬火温度860-920℃，保温时间20-50min，回火温度550-700℃，回火时间10-50min。海洋柔性管用耐蚀钢闪光对焊接头氢致开裂实验中试样表面均无氢鼓泡出现，硫化物应力腐蚀开裂实验中，试样均满足持续720h未断裂。
为了使本发明的目的、闪光对焊焊接方法、焊后热处理优点更加清楚明白，结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，下述具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中焊接方式采用气动闪光对焊机(型号：UN-100A)
本发明实施例中热处理过程采用中频感应加热；
本发明实施例中观测显微组织的设备为扫描电镜(型号：FEI Quanta 600)和透射电子显微镜(型号：FEI Tecnai G2F20)；
本发明实施例中抗氢致开裂性能检测实验依据标准NACE TM0048进行，实验溶液组成为5wt.％NaCl+0.5wt.％CH3COOH+94.5wt.％H2O，实验时间为96h，实验温度为室温。抗硫化物应力腐蚀开裂实验依据标准NACE TM0177进行，采用恒载荷拉伸法，实验溶液为该标准中的A溶液(5wt.％NaCl+0.5wt.％CH3COOH+94.5wt.％H2O)，实验开始时溶液pH值为2.7±1，实验结束后溶液实验pH值＜4，实验温度为室温，加载应力水平为90％[0.9US，YS]min。
为了更好说明一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，通过实施例做进一步的举例说明：
实施例1-7采用上述实施方法对海洋柔性管用600MPa级耐蚀钢扁钢进行闪光对焊，扁钢其厚度为4mm，宽度为10mm，设定其组元及重量百分含量为C：0.06％，Si：0.25％，Mn：0.6％，P：0.005％，S：0.002％，Cr：1.1％，Mo：0.7％，Nb：0.02％，Ti：0.015％，余量为Fe及不可避免杂质，Ceq＝0.48％。
实施例1-7焊接工艺参数设定如下：
实施例1：
闪光对焊工艺参数设定，预热电流400A，焊接电流270A，伸出长度22.5mm，闪光留量7，顶锻留量5mm，顶锻力0.43MPa，进给速度55mm/s，闪光顶锻完成后预压时间1s；焊后热处理设定为火温度900℃，保温时间30min，进行水淬，随后进行回火，回火温度650℃，保温时间30min，空冷至室温。
实施例2：
预热电流400A，焊接电流270A，伸出长度22.5mm，闪光留量7mm，顶锻留量4，顶锻力0.43MPa，进给速度55mm/s，闪光顶锻完成后预压时间1s；焊后热处理设定为火温度900℃，保温时间30min，进行水淬，随后进行回火，回火温度650℃，保温时间30min，空冷至室温。
实施例3：
预热电流400A，焊接电流240A，伸出长度22.5mm，闪光留量7mm，顶锻留量3mm，顶锻力0.43MPa，进给速度55mm/s，闪光顶锻完成后预压时间1s；焊后热处理设定为火温度900℃，保温时间30min，进行水淬，随后进行回火，回火温度650℃，保温时间20min，空冷至室温。
实施例4：
预热电流400A，焊接电流240A，伸出长度19mm，闪光留量5mm，顶锻留量4mm，顶锻力0.35MPa，进给速度65mm/s，闪光顶锻完成后预压时间2s；焊后热处理设定为火温度920℃，保温时间30min，进行水淬，随后进行回火，回火温度630℃，保温时间30min，空冷至室温。
实施例5：
预热电流350A，焊接电流240A，伸出长度19mm，闪光留量6mm，顶锻留量4mm，顶锻力0.35MPa，进给速度65mm/s，闪光顶锻完成后预压时间2s；焊后热处理设定为火温度920℃，保温时间30min，进行水淬，随后进行回火，回火温度630℃，保温时间20min，空冷至室温。
实施例6：
预热电流400A，焊接电流270A，伸出长度15mm，闪光留量8mm，顶锻留量4mm，顶锻力0.56MPa，进给速度52mm/s，闪光顶锻完成后预压时间1s；焊后热处理设定为火温度920℃，保温时间30min，进行水淬，随后进行回火，回火温度580℃，保温时间30min，空冷至室温。
实施例7：
预热电流400A，焊接电流300A，伸出长度15mm，闪光留量6mm，顶锻留量3mm，顶锻力0.56MPa，进给速度52mm/s，闪光顶锻完成后预压时间1s；焊后热处理设定为火温度920℃，保温时间30min，进行水淬，随后进行回火，回火温度580℃，保温时间20min，空冷至室温。
实施例1-7焊后热处理条件下的拉伸性能见表1。
表1：实施例焊后热处理焊接接头力学性能及抗氢致损伤性能
按照本发明，可以实现海洋柔性管用耐蚀钢闪光对焊，特别是能够抗氢致损伤及耐蚀性能，其优越的抗硫化物应力腐蚀开裂性能，能够满足在海上油田开采恶劣环境下服役的海洋柔性管对耐蚀钢焊接接头处性能的要求。
需要注意，本发明所述的方法不限于实施例中所提到的钢种，凡是满足本发明所述的组织、性能特征的海洋柔性管用耐蚀钢的闪光焊接方法、工艺改进均在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤1、待焊耐腐蚀钢的准备：
步骤1.1、对厚度3.5-8mm，宽度8-12mm的耐腐蚀钢端面进行打磨，保证端面光泽、平整，无明显杂物；
步骤1.2、为提高焊接质量，电极夹持部位需打磨，打磨后耐腐蚀钢表面使用丙酮去油；
步骤2、将待焊耐腐蚀钢进行闪光对焊：
步骤2.1、将待焊耐腐蚀钢夹持于闪光对焊机的电极上，保证耐腐蚀钢两端面间隙在0.1-2mm；
步骤2.2、设定焊接参数，依次经过闪光阶段、顶锻阶段、休止阶段，采用焊接的方式将待焊耐腐蚀钢焊接在一起；
步骤2.2.1、闪光阶段是耐腐蚀钢两端面接触点的融化过程，该过程伴随大量热量来加热耐腐蚀钢，同时烧损掉耐腐蚀钢端面的不平及脏污物；
步骤2.2.2、顶锻阶段是对耐腐蚀钢施加一定顶锻力，确保焊接良好的连接，并排挤出闪光阶段产生的液态金属及氧化物夹渣；
步骤2.2.3、休止阶段是闪光阶段和顶锻阶段完成后对耐腐蚀钢预压1-5s；
步骤2.3、对焊缝进行打磨；
步骤3、焊后热处理：对焊接后的耐腐蚀钢进行淬火后回火热处理。
2.根据权利要求1所述的一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，其特征在于，步骤2所述闪光阶段的工艺参数为：预热电流300-550A、焊接电流200-420A、伸出长度10.5-23.5mm、闪光留量5-12mm。
3.根据权利要求1所述的一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，其特征在于,步骤2所述顶锻阶段的工艺参数为：顶锻留量2-8mm，顶锻力0.1-1MPa，进给速度50-150mm/s。
4.根据权利要求1所述的一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，其特征在于,步骤3中，热处理过程采用中频感应加热。淬火温度860-920℃，保温时间20-50min，水淬至室温，回火温度550-700℃，回火时间10-50min，空冷至室温。
5.根据权利要求1所述的一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，其特征在于,焊后热处理后，闪光对焊接头在抗氢致开裂实验中表面均无氢鼓泡出现。
6.根据权利要求1所述的一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法，其特征在于,焊后热处理后，闪光对焊接头在抗硫化物应力腐蚀开裂实验中均满足持续时间720h未断裂。
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| CN202211157322.8A CN115401299B (zh) | 2022-09-22 | 2022-09-22 | 一种酸性服役环境下屈服强度600MPa级耐蚀钢的闪光对焊焊接方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN115922042A (zh) * | 2023-01-31 | 2023-04-07 | 江苏科技大学 | 一种预热闪光对焊方法 |
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2022
- 2022-09-22 CN CN202211157322.8A patent/CN115401299B/zh active Active
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| CN115922042B (zh) * | 2023-01-31 | 2023-07-21 | 江苏科技大学 | 一种预热闪光对焊方法 |
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