超高強度X100管線鋼埋弧焊焊絲研制*

畢宗岳， 牛 輝，溫寶京， 趙紅波，徐紅莊， 劉剛偉

（1.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008）

X100管線鋼是當今世界超高強度管線鋼，也是國內外管線鋼開發的熱點之一，超高鋼級鋼管的應用可顯著降低長距離油氣輸送管線建設的總成本。近年來，國內在高強度管線鋼研制方面投入了大量的資金和人力，并計劃進行試驗段建設。根據X100管線鋼標準要求，X100焊縫的抗拉性能至少要達到760 MPa以上，且在較高的焊接速度下，對焊縫和熱影響區的低溫韌性提出了較高要求。僅僅依靠普通合金焊絲焊接，已不能滿足X100焊縫預期的要求，因此，研究開發出相配套的X100焊絲，必將為國產化X100焊管批量生產應用提供重要的技術支撐。

1 焊絲合金體系的確定

根據API SPEC 5L和BG/T 12470—2003要求，所開發的X100焊絲應具備以下性能：①焊絲加工性能良好；②采用1.5 m/min以上焊速進行平焊或螺旋焊接后，焊縫外觀形貌良好，焊道表面光亮、平整；③在匹配相應的焊劑焊接后，焊縫抗拉強度760 MPa以上，焊縫沖擊韌性值80 J以上；焊縫熔敷金屬760 MPa以上，屈服強度在690 MPa以上，-40℃沖擊功在27 J以上。

綜合以上要求，為了能夠適應高焊速、大線能量焊接，保證焊縫具有較高的強韌性，應當降低顯著影響沖擊韌性C，Si，P和S等有害元素含量，并嚴格控制能引起焊縫金屬的碳當量Ceq、淬硬傾向及裂紋敏感系數Pcm增加的Ti，Cr和Cu等合金元素的含量；同時，提高Mn，Ni和Mo等脆化矢量較小的元素，以獲得可提高強韌性的針狀鐵素體及粒狀貝氏體組織；適量添加Ti和B等微合金元素產生有效夾雜物形核質點，促進晶內的針狀鐵素體的形成，以控制針狀鐵素體和粒狀貝氏體的組成相比例。根據以上確定Mn-Ni-Mo-Ti-B作為X100焊絲合金系。

2 焊絲成分設計

2.1 C

C是焊縫金屬中最重要的合金元素，它作為一種間隙固溶強化元素，常通過基體點陣畸變而易于使基體產生微裂紋和擴展，并致使焊縫金屬沖擊韌性大幅度下降。另外，C含量的增加還會引起AF比例的增加，先共析鐵素體的數量減少。因此，w（C）應限制在0.05%～0.10%之間。

2.2 Mn

Mn在焊縫中的含量對焊縫金屬的力學性能有很大的影響，它通常作為固溶強化基體，可有效地提高焊縫強度。由于管線鋼中對C含量的嚴格控制使得焊縫強度稍顯不足，所以應相應的提高Mn含量來彌補強度。又由于焊接過程中常采用低Mn焊劑，焊縫中的Mn會發生燒損。因此，焊絲中含量應當稍比母材高一些，即w（Mn）應限制在1.8%～2.0%。

2.3 Si

Si在焊縫金屬中主要起脫氧作用，尤其當Mn和Si同時存在時，對焊縫金屬組織和性能都有較大的影響，在進行管線鋼焊接時，為了達到一定的工藝性能所配套焊劑中常采用高含量的SiO2，極易引起焊縫中硅含量增加，而影響焊縫性能。因此，焊縫中w（Si）一般應控制在0.25%～0.40%。

2.4 Ni

Ni無限固溶于γ-Fe，其作用與Mn相似，只是較Mn的作用弱，是弱合金元素。在焊縫中能降低點陣中的位錯運動抗力和位錯與間隙元素交互作用能量，促進應力松弛，減少脆性斷裂傾向。

2.5 Ti

Ti為強脫氧劑及Ti（C,N）形成元素，它所形成的高熔點化合物質點可作為結晶核心，細化焊縫晶粒。另外在焊縫金屬中加入Ti，由于其與N的親和力極高，可降低焊縫金屬中自由N的含量。

2.6 B

B可明顯抑制鐵素體在奧氏體晶界上的形核，使鐵素體轉變曲線明顯右移，同時使貝氏體轉變曲線變得扁平，可在較大的冷卻范圍內得到貝氏體。Ti與B同時存在時，Ti可在焊接過程中保護B不被氧化，使B抑制先共析鐵素體的效果將更好。但由于w（B）超過0.003%，形成的B相沿晶界析出，產生熱脆現象；另外，由于B與N和O有很強的親和力，過多含量易于在焊縫中形成夾雜物。因此，w（B）在0.0004%～0.001%較為合宜。

2.7 Mo

Mo是縮小γ相區的元素，是中強碳化物形成元素，其主要作用是推遲先共析鐵素體轉變而有利于形成貝氏體結構。Mo在焊縫中固溶于奧氏體或以碳化物的形式存在，并強烈地抑制珠光體轉變，可以改善焊縫沖擊韌性。

2.8 S和P

S和P等有害元素由于會引起焊縫韌性的降低和提高韌性轉變溫度，并且會增大焊縫熱脆和焊接結晶裂紋的傾向性。所以，應當嚴格限制，本次焊絲研制限制w（S）在0.006%以下，w（P）在0.015%以下。

3 熔敷金屬試驗

3.1 熔敷金屬力學性能

采用研制的X100焊絲匹配BG-SJ101H2焊劑，依據GB/T 12470—2003《埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑》要求進行熔敷金屬焊接試驗，結果見表1。可知，-30℃下熔敷金屬的沖擊韌性、拉伸強度實現了良好的強韌性匹配。

表1 X100焊材熔敷金屬力學性能結果

3.2 熔敷金屬微觀組織

研制焊絲配合BG-SJ101H2焊劑所得到的焊接接頭熔敷金屬的組織如圖1所示。從圖中可以看出，熔敷金屬組織以鐵素體為主，呈籃筐編結形態分布，且大小、分布較為均勻，除此之外，在鐵素體之間分布有少量的珠光體。該組織形態充分保證焊縫在低溫下具有較高的沖擊韌性。

圖1 熔敷金屬組織

4 管材焊接試驗

焊接方法為雙絲交直流內外雙面埋弧焊接，焊接設備為林肯DC-1500/AC-1200焊機。焊接材料采用研制的X100焊絲及BG-SJ101H2焊劑，試驗用鋼板為本鋼集團有限公司生產的X100卷板，厚度為14.8 mm，化學成分見表2，焊接時的工藝參數見表3。試板采用X形坡口，內焊坡口角度為70°，外焊坡口角度為100°， 鈍邊大小為8～9 mm。

表2 X100板材化學成分%

表3 焊接參數

4.1 焊縫接頭拉伸性能

采用研制的X100焊絲進行焊接，依據API SPEC 5L及X100管線鋼標準對于焊縫金屬進行拉伸性能檢測，并對試驗結果匯總統計，如圖2所示。從圖2中可以看出，焊縫拉伸性能分布在780～860 MPa，均滿足X100管線鋼的強度要求，滿足API SPEC 5L標準中 對X100管線鋼的強度要求。

圖2 X100焊絲焊接后焊縫的拉伸性能

4.2 焊縫接頭沖擊性能

研制的X100焊絲匹配本鋼X100原料進行焊接，對焊縫金屬進行-10℃沖擊韌性試驗，試驗結果匯總統計如圖3所示。由圖3可知，所研制焊絲焊縫的沖擊性能優良，完全滿足API SPEC 5L（44版）及X100管線鋼標準要求。

圖3 X100焊絲焊接后焊縫的沖擊韌性

4.3 斷口及組織分析

研制的焊絲與BG-SJ101H2焊劑匹配焊接所得焊縫組織如圖4所示，其中焊縫組織為混雜分布狀態的針狀鐵素體（AF）和少量先共析鐵素體（PF）組織存在，主要以針狀鐵素體為主，且組織大小，形態及分布都較為均勻；焊縫斷口形貌如圖5所示，由觀察可得斷口形貌除有少量的二次淺裂紋外，其余為較淺且分布均勻的韌窩，由此說明焊縫韌性較好，通過對斷口進行掃描，未發現有明顯的MnO和Al2O3夾雜物存在。

圖4 焊縫組織

圖5 焊縫斷口形貌

5 結 論

（1）所研制焊絲匹配BG-SJ101H2焊劑進行焊接后，焊縫低溫沖擊韌性良好，且拉伸強度較高，完全達到API SPEC 5L管線標準中X100指標要求。

（2）熔敷金屬試驗表明所研制焊絲不僅具有較高的強度，而且有較好的低溫沖擊韌性，力學性能指標達到了BG/T 12470—2003標準要求，可以滿足X100母材與焊縫等強匹配的要求。

（3）通過采用Mo，Ni，Ti和B等多元微量合金元素設計焊絲，焊接后可使焊縫獲得較好的針狀鐵素體組織，并確保了焊縫較高的強韌性。

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