CN116586819A - 一种低压输氢管道焊接用焊丝钢水和焊丝及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冶炼及丝材制备领域，公开了一种低压输氢管道焊接用焊丝钢水和焊丝及其制备方法，制备方法包括采用真空感应熔炼炉冶炼钢水，利用钢水制备钢锭；对钢锭进行锻造，得到钢坯；将钢坯轧制成盘条；对盘条进行拉拔减径和层绕，得到成品。本发明通过对钢水的各合金成分元素进行优化，使各元素达到一定的配比及相互作用，可以保证焊接后的熔敷金属性能保持在一个稳定的范围内，使该焊丝焊接的接头具有良好的氢相容性和抗氢脆性，适配低压输氢管道的抗氢脆性和强度焊接需求。
Description
技术领域
本发明属于冶炼及丝材制备领域，尤其涉及一种低压输氢管道焊接用焊丝钢水和焊丝及其制备方法。
背景技术
氢能具有来源丰富、绿色低碳、应用广泛等特点，目前氢能输运主要方式有高压氢气瓶长管拖车输送、液氢槽罐车输送及液氢驳船输送，这些方式输送成本较高且效率较低。由于我国天然气管网分布广泛、建造规模大，因此利用在役天然气管道或新建管道输运氢气是未来氢能大规模经济输送利用的最佳途径。
然而氢气具有易漏、易燃、易爆等理化特性，并且管道压力范围广泛，管道材料种类多，氢气通过在役天然气管道或新建管道输送会产生一系列新的技术和安全问题，氢原子作为质量最轻的原子，具有极小的原子半径，极易作为间隙原子进入金属材料内部并在晶体占阵内扩散。钢中存在大量缺陷（如位错、晶界、空位、析出相、非金属夹杂物等），由于其周转周围存在应变场，它能和氢应变场相互作用从而把氢吸引在自己的周围。随后在各种应力和氢的耦合作用下，引发裂纹惑产生氢鼓泡，导致材料失效。
随着国内冶炼水平的不断提高，钢材本身对抗氢脆性能已经有了很大的提高，特别是纯净化冶炼技术的不断提高，钢材本身对氢的相容性及抗氢脆性，在低压时已经可以满足低压输氢的要求，如何将无缝管焊接起来使之形成一条完整的管线，现有焊丝是否能在含氢环境中进行使用，没有相关专利及试验进行理论支持。
低压输氢管道是指压力小于0.01MPa、氢气浓度不小于98%的管道，对于低压（压力不大于0.01MPa）输氢管道，使用抗拉强度大于430MPa的管道即可以满足要求，焊丝抗拉强度过高，无论是从经济性上考虑还是从与管道强度匹配性上来看，都是不合适的。
因此，有必要提供一种对氢的相容性及抗氢脆性符合低压输氢管道需求，熔敷金属力学性能适配低压输氢管道的焊丝。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种低压输氢管道焊接用焊丝钢水和焊丝及其制备方法，使用真空感应炉冶炼钢水，在钢水中增加镍，使其韧性增加，加入了铬和钼，使其对氢不敏感，再适应性的调节其他元素的含量，使得焊丝的熔敷金属力学性能适配低压输氢管道，然后通过锻造、轧制、拉拔将冶炼的钢水制备成焊丝。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种低压输氢管道焊接用焊丝钢水，焊丝钢水中各组分的质量百分比为：0.06％-0.10%的C，0.4％-0.8%的Si，0.8％-1.4%的Mn，不大于0.015%的P，不大于0.010%的S，0.05%-0.15%的Cr，0.05%-0.15%的Mo，0.05%-0.15%的Ni，余量为Fe和杂质。
第二方面，本发明公开了一种低压输氢管道焊接用焊丝的制备方法，包括：
采用真空感应熔炼炉冶炼钢水，利用钢水制备钢锭；
对钢锭进行锻造，得到钢坯；
将钢坯轧制成盘条；
对盘条进行拉拔减径和层绕，得到成品；
其中，钢水中各组分的质量百分比为：0.06％-0.10%的C，0.4％-0.8%的Si，0.8％-1.4%的Mn，不大于0.015%的P，不大于0.010%的S，0.05%-0.15%的Cr，0.05%-0.15%的Mo，0.05%-0.15%的Ni，余量为Fe和杂质。
进一步地，采用真空感应熔炼炉冶炼钢水，利用钢水制备钢锭，包括：
将钢水的温度调整至1500~1560℃；
将调整完温度的钢水倒入钢锭模内形成钢锭。
进一步地，对钢锭进行锻造，得到钢坯，包括：
将钢锭的表面进行打磨。
进一步地，对钢锭进行锻造，得到钢坯，还包括：
对打磨过的钢锭进行加热和保温，保温温度为1050~1080℃，保温时间不低于两小时；
将保温后的钢锭锻造成钢坯。
进一步地，将钢坯轧制成盘条，包括：
对钢坯的表面进行打磨。
进一步地，将钢坯轧制成盘条，还包括：
对打磨过的钢坯进行加热和保温，保温温度为1050~1080℃，保温时间不低于两小时；
将保温后的钢坯轧制成预设尺寸的盘条；
将盘条放入沙坑进行冷却。
进一步地，对盘条进行拉拔减径和层绕，得到成品，包括：
采用模具将盘条拉拔至预设尺寸，对拉拔后的盘条进行表面清洗并镀铜至预设的成品尺寸，对镀铜后的盘条进行层绕处理得到成品。
进一步地，对盘条进行拉拔减径和层绕，得到成品，还包括：
采用模具将盘条拉拔至Φ1.23mm，对拉拔后的盘条进行表面清洗并镀铜至Φ1.20mm，对镀铜后的盘条进行层绕处理得到成品。
第三方面，本发明公开了一种低压输氢管道焊接用焊丝，采用上述的方法制备而成。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明通过对钢水的各合金成分元素进行优化，使各元素达到一定的配比及相互作用，可以保证焊接后的熔敷金属性能保持在一个稳定的范围内（抗拉强度略大于430MPa），使该焊丝焊接的接头具有良好的氢相容性和抗氢脆性，适配低压输氢管道的焊接需求。
2、本发明通过使用真空感应熔炼炉冶炼钢水，保证了钢水的纯净度以及成分的精确控制，可以将气体元素的含量控制在较低的水平。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明的一种低压输氢管道焊接用焊丝的制备方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种低压输氢管道焊接用焊丝，焊丝钢水中各组分的质量百分比为：0.06％-0.10%的C，0.4％-0.8%的Si，0.8％-1.4%的Mn，不大于0.015%的P，不大于0.010%的S，0.05%-0.15%的Cr，0.05%-0.15%的Mo，0.05%-0.15%的Ni，余量为Fe和杂质，本发明通过对钢水的各合金成分元素进行优化，在钢水中增加镍，使其韧性增加，加入了铬和钼，使其对氢不敏感，同时使各元素达到一定的配比及相互作用，可以保证焊接后的熔敷金属性能保持在一个稳定的范围内，使该焊丝焊接的接头具有良好的氢相容性和抗氢脆性，适配低压输氢管道的焊接需求。
第二方面，如图1所示，本发明提供了一种低压输氢管道焊接用焊丝的制备方法，包括：
采用真空感应熔炼炉冶炼钢水，利用钢水制备钢锭；
对钢锭进行锻造，得到钢坯；
将钢坯轧制成盘条；
对盘条进行拉拔减径和层绕，得到成品；
其中，钢水中各组分的质量百分比为：0.06％-0.10%的C，0.4％-0.8%的Si，0.8％-1.4%的Mn，不大于0.015%的P，不大于0.010%的S，0.05%-0.15%的Cr，0.05%-0.15%的Mo，0.05%-0.15%的Ni，余量为Fe和杂质。
在本发明的一些实施例中，采用真空感应熔炼炉冶炼钢水，利用钢水制备钢锭，包括：
将钢水的温度调整至1500~1560℃；
将调整完温度的钢水倒入钢锭模内形成钢锭。
在本发明的一些实施例中，对钢锭进行锻造，得到钢坯，包括：
对钢锭的表面进行打磨，直至钢锭表面出现金属光泽且无肉眼可见的缺陷。
在本发明的一些实施例中，对钢锭进行锻造，得到钢坯，还包括：
对打磨过的钢锭进行加热和保温，保温温度为1050~1080℃，保温时间不低于两小时；
将保温后的钢锭锻造成钢坯。
在本发明的一些实施例中，将钢坯轧制成盘条，包括：
对钢坯的表面进行打磨，直至钢锭的表面出现金属光泽且无肉眼可见的缺陷。
在本发明的一些实施例中，将钢坯轧制成盘条，还包括：
对打磨过的所述钢坯进行加热和保温，保温温度为1050~1080℃，保温时间不低于两小时；
将保温后的钢坯轧制成预设尺寸的盘条；
将盘条放入沙坑进行冷却。
在本发明的一些实施例中，对盘条进行拉拔减径和层绕，得到成品，包括：
采用模具将盘条拉拔至预设尺寸，对拉拔后的盘条进行表面清洗并镀铜至预设的成品尺寸，对镀铜后的盘条进行层绕处理得到成品。
在本发明的一些实施例中，对盘条进行拉拔减径和层绕，得到成品，还包括：
采用模具将盘条拉拔至Φ1.23mm，对拉拔后的盘条进行表面清洗并镀铜至Φ1.20mm，对镀铜后的盘条进行层绕处理得到成品。
第三发面，本发明还公开了一种低压输氢管道焊接用焊丝，采用上述的方法制备而成。
为了更好的理解本方案，本发明还提供了以下实施例。
实施例1
S1:采用真空感应熔炼炉进行冶炼，将钢水调整至如下重量百分比成分：0.06%的C，0.4%的Si，0.8%的Mn，0.008%的P，0.006%的S，0.05%的Cr，0.05%的Mo，0.05%的Ni，余量为Fe和杂质。钢水的成分调整完成以后，调整钢水的温度至1520℃，然后将钢水倒入预先准备好的钢锭模内制备钢锭。
S2:钢锭冷却以后，对钢锭的冒口进行锯切，将钢锭的表面打磨至金属光泽且无肉眼可见缺陷后，放入加热炉内进行加热，保温温度为1060℃，保温时间两小时，然后采用液压式锻造机对钢坯进行锻造。
S3:将锻造好的钢坯表面打磨至金属光泽且无肉眼可见缺陷，然后放入加热炉内进行加热，保温温度为1060℃，保温时间两小时，然后采用连续式轧机将钢坯轧制成公称尺寸Φ6.50mm的盘条，轧制后的盘条放入沙坑进行缓冷。
S4:采用固定式模具对盘条进行拉拔减径，拉拔至Φ1.23mm时对盘条进行表面清洗并镀铜至Φ1.20mm，然后层绕得到成品。
采用本实施例制得的焊丝进行熔敷试板焊接，对采用该焊丝焊接的焊接接头在室温下进行拉伸试验，在-40℃下进行冲击试验，熔敷金属力学性能如表1所示，采用该焊丝焊接的焊接接头室温下抗拉强度为475MPa，略大于430MPa，满足低压输氢管道的焊接强度需求。
表1
参照《ISO 11114-4-2005 移动气瓶 气瓶和瓶阀材料与盛装气体的相容性 第4部分：选择耐氢脆金属材料的试验方法》标准中的方法A对焊接接头进行测试，其氢脆化指数i为1.45（i=1时，材料中不存在氢脆；1＜i≤2，材料具有一定抗氢脆能力；i＞2时，材料氢脆严重），说明该种材料具有抗氢脆能力，可以在相应氢环境中进行使用。
实施例2
S1:采用真空感应熔炼炉进行冶炼，将钢水调整至如下重量百分比成分：0.08%的C，0.6%的Si，1.0%的Mn，0.007%的P，0.005%的S，0.10%的Cr，0.10%的Mo，0.10%的Ni，余量为Fe和杂质。钢水的成分调整完成以后，调整钢水的温度至1530℃，然后将钢水倒入预先准备好的钢锭模内制备钢锭。
S2:钢锭冷却以后，对钢锭的冒口进行锯切，将钢锭的表面打磨至金属光泽且无肉眼可见缺陷后，放入加热炉内进行加热，保温温度为1080℃，保温时间不低于2.5小时，然后采用液压式锻造机对钢坯进行锻造。
S3:将锻造好的钢坯表面打磨至金属光泽且无肉眼可见缺陷，然后放入加热炉内进行加热，保温温度为1080℃，保温时间不低于2.5小时。然后采用连续式轧机将钢坯轧制成公称尺寸Φ6.50mm的盘条，轧制后的盘条放入沙坑进行缓冷。
S4:采用固定式模具对盘条进行拉拔减径，拉拔至Φ1.23mm时对盘条进行表面清洗并镀铜至Φ1.20mm，然后层绕得到成品。
采用本实施例制得的焊丝进行熔敷试板焊接，对采用该焊丝焊接的焊接接头在室温下进行拉伸试验，在-40℃下进行冲击试验，熔敷金属力学性能如表2所示，采用该焊丝焊接的焊接接头室温下抗拉强度（Rm）为490MPa，略大于430MPa，满足低压输氢管道的焊接强度需求。
表2
参照《ISO 11114-4-2005 移动气瓶 气瓶和瓶阀材料与盛装气体的相容性 第4部分：选择耐氢脆金属材料的试验方法》标准中的方法A对焊接接头进行测试，其氢脆化指数i为1.52（i=1时，材料中不存在氢脆；1＜i≤2，材料具有一定抗氢脆能力；i＞2时，材料氢脆严重），说明该种材料具有抗氢脆能力，可以在相应氢环境中进行使用。
实施例3
S1:采用真空感应熔炼炉进行冶炼，将钢水调整至如下重量百分比成分：0.09%的C，0.8%的Si，1.3%的Mn，0.008%的P，0.007%的S，0.12%的Cr，0.13%的Mo，0.14%的Ni，余量为Fe和杂质。钢水的成分调整完成以后，调整钢水的温度至1550℃，然后将钢水倒入预先准备好的钢锭模内制备钢锭。
S2:钢锭冷却以后，对钢锭的冒口进行锯切，将钢锭的表面打磨至金属光泽且无肉眼可见缺陷后，放入加热炉内进行加热，保温温度为1070℃，保温时间三小时。然后采用液压式锻造机对钢坯进行锻造。
S3:将锻造好的钢坯表面打磨至金属光泽且无肉眼可见缺陷，然后放入加热炉内进行加热，保温温度为1070℃，保温时间三小时。然后采用连续式轧机将钢坯轧制成公称尺寸Φ6.50mm的盘条，轧制后的盘条放入沙坑进行缓冷。
S4:采用固定式模具对盘条进行拉拔减径，拉拔至Φ1.23mm时对盘条进行表面清洗并镀铜至Φ1.20mm，然后层绕得到成品。
采用本实施例制得的焊丝进行熔敷试板焊接，对采用该焊丝焊接的焊接接头在室温下进行拉伸试验，在-40℃下进行冲击试验，熔敷金属力学性能如表3所示，采用该焊丝焊接的焊接接头室温下抗拉强度（Rm）为505MPa，略大于430MPa，满足低压输氢管道的焊接强度需求。
表3
参照《ISO 11114-4-2005 移动气瓶 气瓶和瓶阀材料与盛装气体的相容性 第4部分：选择耐氢脆金属材料的试验方法》标准中的方法A对焊接接头进行测试，其氢脆化指数i为1.68（i=1时，材料中不存在氢脆；1＜i≤2，材料具有一定抗氢脆能力；i＞2时，材料氢脆严重），说明该种材料具有抗氢脆能力，可以在相应氢环境中进行使用。
本发明还对市面上用量最大，与本发明焊丝的熔敷金属抗拉强度相近的ER50－6焊丝进行了氢脆对比试验，ER50－6焊丝焊接的焊接接头的氢脆化指数i为2.82，说明该种材料氢脆严重，不可在氢环境中进行使用。
综上，本发明通过对钢水的各合金成分元素进行优化，在钢水中增加镍，使其韧性增加，加入了铬和钼，使其对氢不敏感，同时使各元素达到一定的配比及相互作用，可以保证焊接后的熔敷金属性能保持在一个稳定的范围内，使该焊丝焊接的接头具有良好的氢相容性和抗氢脆性，适配低压输氢管道的焊接强度和抗氢脆性需求。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低压输氢管道焊接用焊丝钢水，其特征在于，
所述焊丝钢水中各组分的质量百分比为：0.06％-0.10%的C，0.4％-0.8%的Si，0.8％-1.4%的Mn，不大于0.015%的P，不大于0.010%的S，0.05%-0.15%的Cr，0.05%-0.15%的Mo，0.05%-0.15%的Ni，余量为Fe和杂质。
2.一种低压输氢管道焊接用焊丝的制备方法，其特征在于，包括：
采用真空感应熔炼炉冶炼钢水，利用所述钢水制备钢锭；
对所述钢锭进行锻造，得到钢坯；
将所述钢坯轧制成盘条；
对所述盘条进行拉拔减径和层绕，得到成品；
其中，所述钢水中各组分的质量百分比为：0.06％-0.10%的C，0.4％-0.8%的Si，0.8％-1.4%的Mn，不大于0.015%的P，不大于0.010%的S，0.05%-0.15%的Cr，0.05%-0.15%的Mo，0.05%-0.15%的Ni，余量为Fe和杂质。
3.根据权利要求2所述的一种低压输氢管道焊接用焊丝的制备方法，其特征在于，所述的采用真空感应熔炼炉冶炼钢水，利用所述钢水制备钢锭，包括：
将所述钢水的温度调整至1500~1560℃；
将调整完温度的所述钢水倒入钢锭模内形成钢锭。
4.根据权利要求2所述的一种低压输氢管道焊接用焊丝的制备方法，其特征在于，对所述钢锭进行锻造，得到钢坯，包括：
将所述钢锭的表面进行打磨。
5.根据权利要求4所述的一种低压输氢管道焊接用焊丝的制备方法，其特征在于，对所述钢锭进行锻造，得到钢坯，还包括：
对打磨过的所述钢锭进行加热和保温，保温温度为1050~1080℃，保温时间不低于两小时；
将保温后的所述钢锭锻造成钢坯。
6.根据权利要求2所述的一种低压输氢管道焊接用焊丝的制备方法，其特征在于，所述的将所述钢坯轧制成盘条，包括：
对所述钢坯的表面进行打磨。
7.根据权利要求6所述的一种低压输氢管道焊接用焊丝的制备方法，其特征在于，所述的将所述钢坯轧制成盘条，还包括：
对打磨过的所述钢坯进行加热和保温，保温温度为1050~1080℃，保温时间不低于两小时；
将保温后的所述钢坯轧制成预设尺寸的盘条；
将所述盘条放入沙坑进行冷却。
8.根据权利要求2所述的一种低压输氢管道焊接用焊丝的制备方法，其特征在于，所述的对所述盘条进行拉拔减径和层绕，得到成品，包括：
采用模具将所述盘条拉拔至预设尺寸，对拉拔后的盘条进行表面清洗并镀铜至预设的成品尺寸，对镀铜后的盘条进行层绕处理得到成品。
9.根据权利要求8所述的一种低压输氢管道焊接用焊丝的制备方法，其特征在于，所述的对所述盘条进行拉拔减径和层绕，得到成品，还包括：
采用模具将所述盘条拉拔至Φ1.23mm，对拉拔后的盘条进行表面清洗并镀铜至Φ1.20mm，对镀铜后的盘条进行层绕处理得到成品。
10.一种低压输氢管道焊接用焊丝，其特征在于，所述焊丝采用权利要求2-9任意一项所述的方法制备而成。
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