X100焊管的組織性能*

包志剛 ，畢宗岳 ，牛 輝 ，劉海璋 ，趙紅波 ，張萬鵬 ，劉 斌

（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）

預計在未來10年內我國還將建設長輸管線 10～20萬km的油氣管道[1]。油氣輸送管道必然向著高強度、大壁厚、大直徑及大輸量方向發展[2－3]，高強度管線鋼管節省更多的鋼材[4]。

早在1985年日本就開始研究X100管線鋼[5]。我國對X100管線鋼的研究雖然起步較晚，但發展較快。 近年來，X100 鋼材[6－8]和鋼管[9－10]成為研究的熱點。國內相關單位研究的X100管線鋼的微觀組織由針狀鐵素體、粒狀貝氏體和M/A島組成[11]。粒狀貝氏體主要存在于鐵素體邊界；鐵三碳存在于鐵素體板條；組織以針狀鐵素體為主，也存在少量條狀鐵素體，同時位錯密度很高[12]。

通過艱苦攻關和不懈努力，寶雞石油鋼管有限責任公司成功研制出了φ1 219 mm、壁厚15.3 mm的X100螺旋埋弧焊管，隨后又進行了φ1 219 mm、壁厚14.8 mm的X100螺旋焊管和φ1 219 mm、壁厚 14.8 mm/17.8 mm的 X100直縫焊管的單爐試制。

表1 試驗用鋼的化學成分

1 試驗材料及方法

試驗材料采用低C+中/高Mn+Nb+Mo合金化設計[13]，取自國內3家不同的鋼廠，編號分別為1#鋼、2#鋼和3#鋼。材料的化學成分見表1。

拉伸試樣取自距焊縫180°位置橫向，拉伸試樣標距內尺寸為8.9 mm，采用WES－1000液壓萬能試驗機（100 t）進行拉伸試驗。結果表明[14]，距焊縫90°位置沖擊性能最差，因此沖擊試樣在距焊縫90°位置橫向取樣。沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試驗溫度為-10℃，沖擊系列溫度試驗為20℃，0℃，-10℃，-20℃，-40℃和-60℃。沖擊試驗采用JB800型沖擊試驗機。采用奧林巴士PMG3金相顯微鏡對金相組織進行觀察。

2 試驗結果及分析

2.1 金相組織

3種鋼母材的金相組織如圖1所示，其組織均為粒狀貝氏體（GB）+針狀鐵素體（AF），馬氏體/奧氏體（M/A）組元為圓形細小且彌散分布。1#鋼與3#鋼組織較細小，3#鋼組織最細；1#鋼與3#鋼中GB較多，AF較少，3#鋼M/A島含量也要多于1#鋼；2#鋼組織粗大，具有發達的AF。

圖1 3種鋼母材的金相組織

圖2 3種鋼焊縫的金相組織

3種鋼焊縫的金相組織如圖2所示，其組織均為針狀鐵素體（AF）+少量先共析鐵素體（PF），1#鋼中的針狀鐵素體更加細密；2#鋼組織最大，針狀鐵素體晶粒之間呈大角晶界；3#鋼組織中PF較多，組織較2#鋼更細。3種鋼HAZ的金相組織如圖3所示，其組織均為粒狀貝氏體（GB）組織，能清晰看到原奧氏體晶界。大部分的M/A細小島彌散分布，少部分M/A島呈島鏈分布，2#鋼的彌散分布M/A較多。

圖3 3種鋼HAZ的金相組織

2.2 力學性能

拉伸試驗結果如圖4所示。可以看出1#鋼的屈服強度Rp0.2和拉伸強度Rm要低于2#鋼和3#鋼，但是焊縫抗拉強度Rm從高到低為1#鋼、2#鋼、3#鋼。

圖4 3種鋼制管后的拉伸性能

圖5 3種鋼制管后的母材沖擊功

沖擊功系列溫度試驗結果的總體趨勢為：隨著試驗溫度的降低，沖擊功下降。但是鋼種和取樣位置不同，沖擊功隨著試驗溫度變化的趨勢不同。3種鋼制管后母材的沖擊功如圖5所示。從圖5可以看出，1#鋼和2#鋼的韌脆轉變溫度在-20℃左右，經過韌脆轉變溫度后，隨著試驗溫度的降低沖擊功下降緩慢，當試驗溫度為-60℃時，仍有很高的沖擊功，平均值分別為223 J和207 J；試驗溫度高于-20℃時，2#鋼的沖擊功平均值要高于1#鋼；驗溫度為-40℃時，雖然2#鋼的沖擊功要高于1#鋼，但是其數值離散；驗溫度為-60℃時，2#鋼的沖擊功平均值要低于1#鋼，且數值離散。3#鋼的韌脆轉變溫度在0℃左右，經過韌脆轉變溫度后，隨著試驗溫度的降低沖擊功急劇下降，試驗溫度為-60℃時沖擊功的平均值只有42 J。

3種鋼制管后焊縫的沖擊功如圖6所示。從圖6可以看出，各種鋼變化曲勢基本相同，韌脆轉變溫度都在-20℃左右，沖擊功值接近。3種鋼的沖擊功值從高到低順序為2#鋼、3#鋼、1#鋼。

圖6 3種鋼制管后的焊縫沖擊功

3種鋼制管后HAZ的沖擊功如圖7所示。可以看出，當試驗溫度高于-20℃時，3種鋼的沖擊功值基本接近，2#鋼韌脆轉變溫度在-20℃左右；1#鋼和3#鋼的韌脆轉變溫度在-40℃左右。1#鋼隨著試驗溫度下降沖擊功下降緩慢；3#鋼經過韌脆轉變曲線后沖擊功隨著試驗溫度的下降急劇下降。

圖7 3種鋼制管后的HAZ沖擊功

3 分析討論

母材組織均為GB+AF，M/A島為圓形細小且彌散分布。1#鋼與3#鋼組織細小，3#鋼組織最細；1#鋼與3#鋼中GB較多，AF較少且多處于形核階段，3#鋼M/A島含量要多于1#鋼。2#鋼組織粗大，具有發達的AF。發達的AF組織中，其位錯強化起決定性作用，AF組織中的大角晶界和亞境界可以阻礙裂紋擴展；彌撒細小的M/A島，作為材料中的脆硬相的同時也阻礙裂紋的擴展。因此AF組織和彌撒細小的M/A島都可使材料在保證高強度的同時獲得很好的沖擊韌性。1#鋼中的Ni含量較高有利于位錯的交滑移，提高鋼的低溫沖擊韌性[15]；2#鋼有更多AF，同樣在低溫沖擊試驗中表現很好焊縫組織都為AF+PF。1#鋼較細的組織較細為和較多細小彌散的M/A島，因此有著較高的強度。2#組織較粗，但含有大角晶界使得其擁有與1#和3#鋼焊縫組織相近的沖擊韌性。3種鋼的焊接熱影響區的組織都為貝氏體組織。貝氏體鐵素體呈板條狀，在板條間分布著有棒狀M/A島組元[16]。GB的原奧氏體晶粒度和M/A島的比例、大小、形狀、分布決定性能。2#鋼含有較多細小彌散的M/A島組織，原奧氏體晶粒較大，強度上沒有突出的表現，沖擊韌性稍好，而較多的M/A島使得韌脆轉彎溫度上升。1#鋼和3#鋼組織基本相近，其性能相近，僅在試驗溫度為-60℃條件下，3#鋼的沖擊吸收功迅速下降，同樣可以用Ni含量較低解釋。

4 結 論

（1）母材組織為GB＋AF，母材化學成分接近時，含有較多的AF會獲得較好的強度和韌性，同時也會具有較好的沖擊韌性。

（2）母材GB組織較多，焊縫組織較細小；AF組織較多，焊縫組織較粗大；熔敷金屬的合金含量較高，力學性能相差不大。

（3）熱影響區為粒狀貝氏體體組織，含有較多彌散分布的M/A島，有利于獲得較好的強韌匹配，但M/A島數量較多會使韌脆轉變溫度升高。

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