X80管线钢配套焊条CHE657GX的研制

四川大西洋焊接材料股份有限公司 （自贡 643010） 陈耕耘 阳 东 曾志超

1. 概述

管道输送是长距离运输石油天然气最合理的运输方式，具有经济、安全、高效、节能、不间断，以及对环境破坏程度小等显著特点。管道运输已成为继公路、铁路、水路和航空运输之后的第5大运输业。其总体发展趋势是长距离、大口径、高强度和高韧性。目前，国内外管线建设普遍采用X70钢级管线钢，部分长距离管线建设开始采用X80管线钢，目前全世界累计使用长度仅为1750km。但目前国内建造的西气东输二线天然气管道工程干线全长约4800km，这使X80管线钢的应用得到了普及，同时也对X80管线钢及配套焊接材料提出了新的更高的要求。

在高强度焊管制造过程中，其最难解决的是焊缝金属及热影响区的强度及韧性的降低问题，如何控制焊缝的性能是高强度焊管开发和使用急需解决的关键问题。我公司始终紧跟着市场需求的步伐，在管道用钢的焊接材料研究、开发方面投入大量的人力、物力，从19世纪80年代末开始对X60管线钢配套焊材进行研发，1997年对X65管线钢配套焊材研发，2001年对X70配套焊材研发，到2008年完成对X80管线钢配套焊材研发的一系列研究工作。目前我厂的CHE657GX焊条已经投入批量生产，经用户使用，肯定了其良好的焊接性能，完全能满足西气东输二线天然气管道工程用X80钢管焊接的各项性能要求。

2. X80管线钢及其配套焊条

（1）X80管线钢的技术要求 西气东输二线工程标准对高强度管线钢的技术要求，化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。

表1 X80管线钢化学成分要求（质量分数） （%）

表2 X80管线钢力学性能要求

（2）X80管线钢配套焊条相关要求 一般来说，管线钢配套焊条的基准是：使焊缝的化学成分与母材基本保持一致，强度略低于母材。按这个思路出发，我们研究的焊接X80管线钢的焊条电弧焊专用高强度、高韧性、低氢型焊条CHE657GX，其焊接熔敷金属化学成分和力学性能等技术指标如表3、表4所示。

表3 CHE657GX焊条的熔敷金属化学成分（质量分数） （%）

表4 CHE657GX焊条的熔敷金属力学性能（焊态）

（3）焊接试验相关条件 母材化学成分如表5所示。

表5 X80管线钢22mm厚卷板的实际化学成分（质量分数） （%）

CHE657GX焊条药皮成分如表6所示。

表6 CHE657GX焊条药皮成分 （%）

焊接参数如表7、表8所示。坡口形式如图1、图2所示。

表7 熔敷金属焊接参数

表8 X80钢对接焊接参数

图1 熔敷金属坡口

图2 X80钢对接焊缝坡口

（4）试验结果 CHE657GX焊条熔敷金属化学成分如表9所示。

表9 CHE657GX焊条熔敷金属化学成分（质量分数）（%）

CHE657GX焊条熔敷金属力学性能如表10所示。

表10 CHE657GX焊条熔敷金属力学性能

X80管线钢对接焊缝化学成分如表11所示。

表11 X80管线钢对接焊缝化学成分（质量分数）（%）

X80管线钢对接焊缝力学性能如表12所示。

表12 X80管线钢对接焊缝力学性能

3. 试验结果分析讨论

上述试验数据显示，使用CHE657GX焊条所焊接的X80管线钢的焊缝和热影响区具有足够的强度和韧性，能够满足X80管线钢焊接的技术要求。

一般来说，要使焊缝具有如此高强度而又保证足够高的冲击韧性，必须对焊缝进行适当的热处理，但管线用钢的焊接一般是野外作业，要实现对焊缝进行热处理，不仅要耗费大量的人力物力，而且由于地理环境、天气等原因，热处理往往很难达到要求。要解决这个问题，最直接的方法就是在不对焊缝进行焊后热处理的情况下保证焊缝的各项性能，特别是强度和冲击韧性达到技术指标要求。而我们研制开发的CHE657GX焊条，经用户使用证明了在不需焊后热处理的情况下性能依然能达到X80管线钢焊接技术要求。

该焊条之所以有此特性，主要是我们对焊条中各元素及其含量进行合理的匹配，使其对焊缝组织和力学性能起的关键性的作用，下面就一些常用的，对组织、性能影响比较大的元素进行探讨。

（1）锰(Mn)、硅（Si） 硅可以脱氧，有镇静熔池、消除气孔的作用，但加入量过大会降低焊缝的塑性和韧性。锰可以提高焊缝强度、硬度，而过高则会降低X80钢抗腐蚀性能。下面是在大量试验过程中总结出来的该焊条中Mn-Si（其他元素不变）对焊缝抗拉强度、冲击韧性影响的具体曲线，如图3、图4所示。

图3 硅、锰元素与抗拉强度的关系曲线

图4 硅、锰元素与冲击韧性的关系曲线

由图3、图4数据可以看出，在硅不变，锰增加的情况下，强度总体是增加的，而且增幅明显，冲击有所下降，但幅度不大；而随着硅含量的增加，强度并没有得到本质的增加，冲击韧性却有大幅的下降。理想情况下，锰硅比值越高、硅越低，焊条的冲击韧性越好。但实际上，硅过低会引起焊缝晶粒颗粒粗大，焊缝成形粗糙，工艺性能变差，所以我们将wsi控制在0.25%左右；同时将wMn控制在1.50%左右，因为过量的锰会使焊条在焊接时飞溅明显增大。

（2）钼（Mo） 虽然单独使用锰也可以提高焊缝强度，但要达到焊缝要求的强度、冲击韧性，其加入量将相当高，从而引发降低X80钢抗腐蚀性能的新问题。如果配合钼使用，在焊条药皮中加入少量钼铁，不但会使焊缝组织晶粒细化，而且增加焊缝强度、提高冲击韧性；但钼铁加入量也不宜过高，因为钼属于贵金属，过量的加入增加了焊条的成本，而且还会恶化焊缝冲击性能，增加焊缝硬度，故加入量应控制在0.20%左右。总体上看，其对焊缝性能的影响如图5、图6曲线所示。

图5 钼元素与抗拉强度的关系曲线

图6 钼元素与冲击韧性的关系曲线

（3）铁粉（Fe） 铁粉在焊条药皮的作用一般容易被忽略，但在该焊条中它却起到了不小的作用。因为铁粉具有还原性，能起到净化熔池的作用，同时又能细化晶粒，提高焊缝冲击韧性，但不宜过多，因为过量的加入铁粉会使其他元素稀释，所以加入量控制在15%左右。

（4）杂质硫和磷的控制 在一般情况下，杂质（主要指硫和磷）会使焊缝组织形成低熔点共晶（如FeS+ FeO、Fe3P+ Fe、Ni3Fe+ Fe等），促使焊缝中形成热裂纹和脆化，焊缝金属中硫含量越高，焊缝的夏比冲击值越低；磷含量越高，焊缝就越容易产生偏析、脆化、裂纹、气孔和夹杂等缺陷，焊缝的塑性和韧性越低。焊缝中硫、磷主要来源于三个方面：一是母材，其中的硫、磷几乎可以全部过渡到焊缝中去；二是焊芯，其中硫、磷约70%～80%可以过渡到焊缝中去；三是药皮，其中的硫、磷有30%～50%可以过渡到焊缝中。由此可见，严格控制焊接材料的硫、含磷量是限制焊缝硫、含磷量的关键。

我们主要从两个方面对杂质进行控制：一是在焊芯方面选用硫、磷尽量低的特殊碳钢焊芯。二是药粉都选用一些含硫、磷极为低的，比如精选的大理石、 氟石等，均是为了防止焊缝硫、磷量的增加。

4. 结语

（1）使用CHE657GX焊条所焊接X80管线钢的焊接接头和热影响区具有足够的强度和韧性，能够满足石油天然气输送管道焊接钢管高强度、高韧性、弯曲和低硬度等技术要求。

（2）焊缝中的各种元素，主要是碳、锰、硅、钼对焊缝的力学性能起到了决定性的作用。

（3）该焊条中杂质元素磷、硫的控制是关键，主要通过焊芯控制和药粉控制。