X90和X100管線鋼管HAZ夏比沖擊韌性研究

劉振偉，田 鵬，王志太，孫 宏，李 濤，汪海燕，宗秋麗

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062650）

0 前 言

隨著石油、天然氣工業(yè)的發(fā)展，對(duì)管線鋼的需求不斷增加，采用高鋼級(jí)、中等直徑和厚壁的管線鋼管，可以在降低施工成本與壓縮造價(jià)的同時(shí)降低材料成本。國(guó)內(nèi)X90和X100鋼級(jí)管線鋼管的研究與應(yīng)用是我國(guó)管線鋼管的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)鋼廠為了提高高鋼級(jí)管線鋼的強(qiáng)度，普遍加入了相對(duì)較高的合金含量，但碳當(dāng)量隨之提高，降低了高鋼級(jí)管線鋼的焊接性能。對(duì)于高強(qiáng)度管線鋼而言，強(qiáng)度并不是主要問(wèn)題，粗晶區(qū)的脆化才是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái)，許多人對(duì)低合金高強(qiáng)鋼的焊接接頭性能進(jìn)行了大量的研究，對(duì)于焊接熱影響區(qū)來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)局部脆化區(qū)域，即單道焊的粗晶區(qū)和多道焊的臨界粗晶區(qū)。相對(duì)于母材而言，粗晶區(qū)的韌性損失約為20%～30%，臨界粗晶區(qū)的韌性損失甚至可達(dá)60%。本研究對(duì)X90和X100管線鋼焊縫熱影響區(qū)夏比沖擊韌性進(jìn)行了分析，從而為高鋼級(jí)管線鋼的生產(chǎn)和應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試樣的化學(xué)成分見(jiàn)表1。試驗(yàn)采用X90和X100螺旋埋弧焊管，分別對(duì)應(yīng)編號(hào)為A，B兩種鋼管。

表1 X90和X100管線鋼化學(xué)成分%

1.2 試驗(yàn)方法

分別從A和B兩種焊管中截取焊縫金相試樣，經(jīng)銑床、磨床磨平后，分別用砂紙和拋光機(jī)拋光，后將金相試樣在3%硝酸酒精溶液中腐蝕3～5 s，酸蝕后的形貌如圖1所示。

圖1 試樣酸蝕后的焊縫形貌

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沖擊性能

X90和X100螺旋埋弧焊管-10℃的夏比沖擊性能見(jiàn)表2。

表2 X90和X100管線鋼管-10℃夏比沖擊性能

從表2可以看出，A鋼管HAZ沖擊功出現(xiàn)1個(gè)低值79 J；B鋼管HAZ沖擊功出現(xiàn)2個(gè)低值83 J和75 J。一般而言，引起HAZ韌性降低的因素有3種：粗晶脆化、組織脆化和粗晶熱影響區(qū)兩相區(qū)脆化，因此，有必要對(duì)焊縫及熱影響區(qū)組織進(jìn)行金相觀察分析。

2.2 金相組織分析

選取X80螺旋埋弧焊管并編號(hào)為C，與X90和X100螺旋埋弧焊管作對(duì)比。利用奧林巴斯顯微鏡對(duì)3種焊管焊縫金相試樣進(jìn)行觀察分析，其內(nèi)焊熱影響區(qū)組織如圖2所示。

圖2 3種鋼管內(nèi)焊熱影響區(qū)組織

由圖2可以看出，C鋼管內(nèi)焊縫熱影響區(qū)組織以粒狀貝氏體為主，有少量的貝氏體鐵素體零星摻雜其中，無(wú)板條馬氏體出現(xiàn)，屬于正常的熱影響區(qū)組織。A和B鋼管內(nèi)焊縫熱影響區(qū)組織表現(xiàn)異常，有大量的板條馬氏體組織出現(xiàn)，板條密排整齊并占據(jù)主導(dǎo)地位，只有少量的粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體出現(xiàn)；外焊熱影響區(qū)均以粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體為主的組織結(jié)構(gòu)，無(wú)板條馬氏體出現(xiàn)，在同樣的焊接條件下，兩者唯一的區(qū)別是焊接規(guī)范和焊接工藝。在螺旋埋弧焊管焊接時(shí)，首先進(jìn)行的工序是內(nèi)焊，外焊工序是在內(nèi)焊完成后進(jìn)行的，內(nèi)焊完成后仍然帶有相對(duì)較高的余熱，對(duì)后續(xù)的外焊起到了預(yù)熱作用。在內(nèi)、外焊焊接熱輸入量相同的條件下，外焊冷卻速度較低，內(nèi)焊冷卻速度相對(duì)較快，這是內(nèi)焊形成板條馬氏體的外部因素；從內(nèi)因看，與X80管線鋼相比，X90和X100母材中加入了相對(duì)較高的Cr，Mo，Mn和Ni等合金元素，這些合金元素的加入提高了母材和熱影響區(qū)的淬透性。

利用馬氏體轉(zhuǎn)變公式計(jì)算出X90和X100管線鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度分別為440℃和431℃，在該溫度下板條馬氏體轉(zhuǎn)變傾向比較大，即該合金成分下的母材具有較高的淬透性。

從圖2可以看出，BF和LM組織較為細(xì)密，不同位相的板條勾畫(huà)出原始奧氏體晶界，在低的焊接熱輸入下，快速冷卻造成的晶格畸變和內(nèi)應(yīng)力均對(duì)韌性造成影響。當(dāng)沖擊試樣的刻槽位置大部分在內(nèi)焊對(duì)應(yīng)的熱影響區(qū)的區(qū)域時(shí)，沖擊韌性也表現(xiàn)出較低值。

2.3 硬度分析

采用載荷為HV-10 kg的硬度儀打點(diǎn)，對(duì)X90和X100管線鋼管試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，如圖3所示。打點(diǎn)位置為靠近管體內(nèi)外表面1 mm處，分別打33個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)間距為1 mm，打點(diǎn)順序?yàn)槟覆?、熱影響區(qū)、焊縫、熱影響區(qū)、母材。由于沿途經(jīng)過(guò)HAZ較小，不能準(zhǔn)確反映HAZ的硬度值，則本試驗(yàn)在HAZ多打5個(gè)點(diǎn)，最后以這5個(gè)點(diǎn)的平均值作為HAZ的硬度值。圖4硬度分布為圖3中對(duì)應(yīng)位置每相鄰兩點(diǎn)的平均值?？梢钥闯觯琗90內(nèi)焊對(duì)應(yīng)熱影響區(qū)平均硬度為272HV10，X100內(nèi)焊對(duì)應(yīng)熱影響區(qū)平均硬度為298HV10，X80內(nèi)焊對(duì)應(yīng)熱影響區(qū)平均硬度為250HV10。X90和X100鋼管HAZ出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，這與金相組織中觀察到的板條馬氏體有關(guān)。

圖3 試樣硬度打點(diǎn)位置示意圖

圖4 3種鋼管內(nèi)焊硬度分布情況

2.4 后續(xù)回火處理

鑒于熱影響區(qū)沖擊值相對(duì)較低的情況，對(duì)熱影響區(qū)進(jìn)行熱處理，從而研究出一套既能提高熱影響區(qū)沖擊韌性，又能滿足生產(chǎn)的合理生產(chǎn)工藝。對(duì)熱影響區(qū)沖擊功較低的鋼管取樣并進(jìn)行兩種回火工藝，具體是：①在鼓風(fēng)式干燥箱300℃回火保溫20 min；②200℃回火保溫20 min。表3為試驗(yàn)鋼管300℃回火前后性能對(duì)比。

表3 試驗(yàn)鋼管300℃回火前后的性能對(duì)比

從表3可見(jiàn)，HAZ沖擊功回火后均有不同程度的提高，A鋼管HAZ平均沖擊功提高35 J，B鋼管HAZ平均沖擊功提高83 J，且均無(wú)低值出現(xiàn)。200℃回火前后鋼管性能對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)鋼管200℃回火前后性能對(duì)比

從表4可以看出，200℃回火熱處理后A鋼管HAZ平均沖擊功提高了111 J；B鋼管HAZ平均沖擊功提高了60 J，基本消除了單值過(guò)低的現(xiàn)象。

圖5中對(duì)比了不同溫度回火前后鋼管沖擊韌性的變化情況。對(duì)于A鋼管而言，熱處理后焊縫沖擊功有所降低，HAZ沖擊功有所提高；對(duì)于B鋼管而言，熱處理后焊縫和HAZ韌性均有不同程度的提升，其中HAZ沖擊功提升更為明顯，這說(shuō)明更高鋼級(jí)管線鋼焊接接頭部位受熱處理影響較為顯著，為了提高高鋼級(jí)焊管焊接接頭的沖擊韌性，有必要進(jìn)行焊后熱處理。

圖5 不同溫度回火前后的沖擊性能對(duì)比

由以上分析可知，實(shí)際生產(chǎn)中可以在外焊工藝完成后增加熱處理工序，對(duì)焊縫進(jìn)行300℃左右熱處理，消除組織內(nèi)應(yīng)力，從根本上解決因板條馬氏體組織引起的沖擊韌性較低的問(wèn)題。從另一個(gè)角度來(lái)講，也同時(shí)解決了焊接接頭的拘束應(yīng)力集中問(wèn)題，從而改善焊接接頭的沖擊韌性。

3 結(jié) 論

硬脆的板條馬氏體相的出現(xiàn)嚴(yán)重降低了熱影響區(qū)沖擊韌性，原因可以概括為2種：

（1）較高的合金含量提高了HAZ母材的淬透性，給馬氏體的形成創(chuàng)造了內(nèi)在條件；

（2）內(nèi)焊相對(duì)較低的焊接熱輸入量，較低的焊接電流和較高的焊接速度將導(dǎo)致熱輸入量處于較低的水平，從而導(dǎo)致熱影響區(qū)t8/5之后溫度梯度較大，冷速較快，為馬氏體的形成創(chuàng)造了外部條件，通過(guò)熱處理能有效地降低甚至消除淬硬組織對(duì)熱影響區(qū)沖擊韌性的影響。

4 建 議

（1）針對(duì)高鋼級(jí)管線鋼的焊接，由于合金含量普遍偏高，需改變現(xiàn)有的焊接工藝，如焊后追加一套針對(duì)焊縫的回火處理工序，能有效解決高鋼級(jí)管線鋼焊接熱影響區(qū)脆化問(wèn)題。

（2）降低管線鋼的合金含量，從而降低因碳當(dāng)量過(guò)高引起的熱影響區(qū)淬硬傾向。

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