超高强度的低温焊接件制造技术

提供用于连接超高强度低合金钢的焊接方法，以便获得抗拉强度大于约９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）的焊接件，所述焊接件上的焊缝金属具有根据已知的断裂力学原理适合于低温应用场合的断裂韧性。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生产具有低温断裂韧性优异的焊缝金属的超高强度焊接件的方法。更具体而言，本专利技术涉及生产在超高强度的低合金钢上形成具有低温断裂韧性优异的焊缝金属的超高强度焊接件的方法。
技术介绍
在下面的说明中定义了许多术语。为了方便起见，恰在权利要求书的前面给出了一个术语表。经常地，需要在低温，即温度低于约-40℃(-40°F)的条件下，贮存和运输加压的挥发性液体。例如，需要在约1035kPa(150psia)-7590kPa(1100psia)的压力范围和高于约-123℃(-190°F)的温度下，贮存和运输加压的液化天然气(PLNG)的容器。也需要在低温下，安全且经济地贮存和运输其它加压流体，例如甲烷、乙烷和丙烷的容器。为用焊接钢建造这种容器，所述钢及其焊接件(见术语表)在服役条件下必须具有足以承受流体压力的强度和足以防止断裂发生，即一种失效事件发生的韧性。对于熟练的技术人员而言，很熟悉的是，在设计用于运输加压的低温流体，例如PLNG的存贮容器时，可采用夏氏V形缺口(CVN)试验，尤其是通过使用韧-脆转变温度(DBTT)来进行断裂韧性的评价和断裂控制。DBTT描述了结构钢的两个断裂区域。温度低于DBTT时，夏氏V形缺口试验的破坏一般以低能量的解理(脆性)断裂形式出现，当温度高于DBTT时，破坏一般以高能量的韧性断裂形式出现。用于上述低温场合和其它承载的低温服役条件的由焊接钢建造的存贮和运输容器的DBTT，其值由夏氏V形缺口试验测定，必须明显低于所述构件的使用温度，以避免脆性失效。根据设计、使用条件和/或适用的船级社的要求，所要求的DBTT温度变化(即DBTT必须低于期望使用温度的温度值)可以在低于使用温度的5-30℃(9-54°F)之间。传统上用于低温结构场合的含镍钢，例如，镍含量大于约3wt.％的钢具有低的DBTT，但其抗拉强度也相对较低。典型地，市售的含Ni量分别为3.5wt.％，5.5wt.％，和9wt.％的钢的DBTT分别为约-100℃(-150°F)，-155℃(-250°F)和-175℃(-280°F)，抗拉强度最高分别为约485MPa(70ksi)，620MPa(90ksi)和830MPa(120ksi)。为了获得这些强度和韧性的组合，这些钢一般进行昂贵的处理，如双退火处理。在低温应用的情况下，工业上目前使用这些工业含镍钢是因为它们在低温下具有良好韧性，但必须针对它们的相对低的抗拉强度进行设计。所述设计一般要求应用于承载、低温场合的钢的厚度过大。结果，由于所述钢成本高，再加之所要求的钢厚度过大，使得这些含镍钢在承载、低温场合的使用趋于昂贵。目前用于输送-162℃(-260°F)和大气压下的液化天然气(LNG)的商业贮存容器典型地采用上述工业含镍钢、奥氏体不锈钢或铝来建造。在LNG应用场合，对这些材料，以及对连接这些材料的焊接件的强度和韧性要求与对PLNG时明显不同。例如，在讨论用于低温用途的2.25-9wt％的Ni钢的焊接时，G.E.Linnert在1967年的美国焊接学会、第三版的“welding Metallurgy(焊接冶金学)”中的第2卷，第550-570页，列出了对这种焊接件的夏氏V形缺口韧性(见术语表)的要求为约20-61J，该值在使用温度下测得。另外，1995出版的Det Norske Veritas(DNV)船舶分类准则指出，用于新建的、液化气运输船舶的材料必须满足一定的最小夏氏V形缺口韧性要求。具体而言，所述DNV准则要求用于设计温度为-60至-165℃的压力容器的板材和焊接件在低于设计温度5至30℃(9至54°F)的试验温度下的夏氏韧性最小值应为27J。由Linnert和DNV准则所列出的要求不能直接用于输送PLNG(或者其它加压的低温流体)的容器的建造，因为PLNG的容器压力典型地约2760kPa(400psia)，该值比运输LNG的传统方法明显高，运输LNG时一般等于或接近大气压。对于PLNG贮存和运输容器而言，需要更严格的韧性要求，因而，需要具有比目前建造LNG贮存容器使用的焊接件的韧性性能更优的焊接件。基板材料优选采用超高强度的低合金钢的分立板材建造用于加压的低温流体如PLNG的贮存容器。三个共同未决的美国临时专利申请确定了各种具有优异低温韧性的可焊接超高强度低合金钢用于建造运输PLNG和其它加压的低温流体的贮存容器。所述的钢在题为“ultra-high strength steelswith excellent cryogenic temperature toughness”，优选权日为1997年12月19日的共同未决的美国临时专利申请中进行了介绍，该申请为美国专利商标局(“USPTO”)确定的申请号是60/068194；在题为“ultra-high strength ausaged steels with excellent cryogenictemperature toughness”，优选权日为1997年12月19日的共同未决的美国临时专利申请中也对所述钢进行了介绍，该申请为USPTO确定的申请号是60/068252；而且，在题为“Ultra-high strength dual phasesteels with excellent cryogenic temperature toughness”，优选权日为1997年12月19日的共同未决的美国临时专利申请中又对所述钢进行了介绍，该申请为USPTO确定的申请号是60/068816。所述这些钢尤其适于许多低温场合，包括PLNG的运输，原因在于对于厚度优选约2.5cm(1英寸)或更大的钢板而言，所述钢具有如下特性(i)在基体钢和焊接HAZ，DBTT低于约-73℃(-100°F)，优选低于约-107℃(-160°F)，(ii)抗拉强度大于830MPa(120ksi)，优选大于约860MPa(125ksi)，并且更优选大于约900MPa(130ksi)，(iii)焊接性优异，(iv)沿厚度方向的显微组织和性能基本均匀，以及(V)韧性改善，其值超过标准的、市售超高强度低合金钢的韧性指标。上述共同未决的美国临时专利申请中介绍的所述钢的抗拉强度可以大于约930MPa(135ksi)，或者大于965MPa(140ksi)，或者大于约1000MPa(145ksi)。在1997年2月5日公开的，国际申请号为PCT/JP96/00157和国际公开号为WO 96/23909(08.08.1996 Gazette 1996/36)(这种钢优选具有0.1-1.2wt％的铜含量)的欧洲专利申请中，以及在题为“ultra-high strength，weldable steels with excellent ultra-lowtemperature toughness”，优先权日为1997年7月28日，被USPTO确定的申请号为60/053915的共同未决的美国临时专利申请中均对其它合适的钢进行了介绍。焊接采用某种焊接方法可将这种钢连接一起以建造用于加压的低温流体如PLNG的贮存容器，所述焊接方法应适于获得具有对于特定场合而言，足够的强度和断裂韧性的焊接件。这样的焊接方法优选包括一种合适的焊接工艺，例如，但不限于，气本文档来自技高网...

【技术保护点】
对基体金属进行焊接以获得抗拉强度大于约９００ＭＰａ（１３０ｋｓｉ）的焊接件的方法，所述方法包括的步骤为：（ｉ）使用气体保护焊接工艺、氩基的保护气体、以及自耗焊丝进行焊接，所述自耗焊丝产生含有铁和下述合金元素的焊缝金属：约０．０６－０ ．１０ｗｔ％的碳；约１．６０－２．０５ｗｔ％的锰；约０．２０－０．３２ｗｔ％的硅；约１．８７－６．００ｗｔ％的镍；约０．３０－０．８７ｗｔ％的铬；以及约０．４０－０．５６ｗｔ％的钼。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：DP法尔其尔德，
申请(专利权)人：埃克森美孚上游研究公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]