X80和X90管線(xiàn)鋼熱影響區(qū)組織與韌性對(duì)比

李國(guó)鵬，韓秀林，趙 波，陳小偉，高 磊，杜國(guó)強(qiáng)

（1.渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣 062658；2.中國(guó)石油渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣062658）

隨著長(zhǎng)距離、大直徑、高壓輸送和極地、海洋油氣輸送管線(xiàn)的建設(shè)和使用，對(duì)管線(xiàn)鋼的要求越來(lái)越嚴(yán)格[1]。為了確保輸送管線(xiàn)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性，不僅要求管線(xiàn)鋼本身具有優(yōu)良的韌性，而且要具有優(yōu)良的焊接韌性。由于焊接過(guò)程本身固有的特點(diǎn)，往往使得管線(xiàn)鋼焊接熱影響區(qū)的韌性比母材的韌性更難控制，這成為了輸送管線(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)。最大限度地控制和提高焊接熱影響區(qū)的低溫韌性是管道工作者需要迫切解決的問(wèn)題之一[2-4]。

目前，X80管線(xiàn)鋼是石油天然氣輸送管道用主要鋼材，為適應(yīng)未來(lái)長(zhǎng)輸油氣管線(xiàn)大直徑、高壓輸送的發(fā)展需要，X90等高性能管線(xiàn)鋼的研制和開(kāi)發(fā)日益受到重視。然而，因高鋼級(jí)管線(xiàn)鋼從成分設(shè)計(jì)到組織狀態(tài)相對(duì)于低鋼級(jí)管線(xiàn)鋼有較大差異，高性能管線(xiàn)鋼在焊接過(guò)程中出現(xiàn)的組織惡化和力學(xué)性能下降的問(wèn)題仍未得到很好的解決[5]，尤其是X90管線(xiàn)鋼焊接熱影響區(qū)的韌性更需要研究。

管線(xiàn)鋼的焊接熱影響區(qū)是個(gè)在成分、組織、晶粒度以及性能等方面均有較大差異的不均勻體[4]。大直徑高鋼級(jí)焊管的焊接不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊接接頭局部脆性區(qū) （熱影響區(qū)），造成沖擊韌性下降。由于強(qiáng)度的提高和合金元素含量的增加，高鋼級(jí)管線(xiàn)鋼的這一問(wèn)題尤為突出。

本研究采用物理模擬技術(shù)和顯微分析相結(jié)合的方法，對(duì)一種X80和X90管線(xiàn)鋼焊接熱影響區(qū)的組織性能變化規(guī)律進(jìn)行了研究，分析了焊接熱影響區(qū)性能惡化的原因，尋找了其韌性最薄弱的區(qū)域，并對(duì)兩種鋼級(jí)管線(xiàn)鋼焊接熱影響區(qū)的薄弱區(qū)域進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用管線(xiàn)鋼化學(xué)成分見(jiàn)表1。試樣沿鋼板橫向截取，加工成10mm×10mm×55mm的矩形試樣。

表1 試驗(yàn)用母材的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

焊接熱循環(huán)是在Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，主要模擬了直縫埋弧焊管四絲焊 （焊接線(xiàn)能量為45 kJ/cm）時(shí)，焊接熱影響區(qū)不同區(qū)域組織與性能的變化情況。具體的模擬過(guò)程為：先將試樣以150℃/s的速度加熱到相應(yīng)的峰值溫度 （650～1 350℃），保溫1 s后分別以不同峰值溫度對(duì)應(yīng)的實(shí)際冷卻速度冷卻至室溫，如圖1所示。熱循環(huán)曲線(xiàn)參數(shù)是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出的每一階段的冷卻時(shí)間，所以此模擬曲線(xiàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際生產(chǎn)基本一致，從而保證了模擬的真實(shí)性。

圖1 不同峰值溫度下的熱循環(huán)曲線(xiàn)

熱模擬后的矩形樣沿板厚方向開(kāi)V形缺口，進(jìn)行-10℃的低溫沖擊試驗(yàn)。采用金相顯微鏡對(duì)不同焊接線(xiàn)能量和峰值溫度下的組織進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 峰值溫度對(duì)管線(xiàn)鋼熱影響區(qū)韌性的影響

X80和X90管線(xiàn)鋼焊接線(xiàn)能量為45 kJ/cm，經(jīng)過(guò)不同峰值溫度的熱循環(huán)，然后對(duì)熱模擬完的試樣進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同峰值溫度對(duì)管線(xiàn)鋼焊接熱影響區(qū)沖擊韌性的影響

由圖2（a）可知，X80管線(xiàn)鋼的熱影響區(qū)存在兩個(gè)韌性脆化區(qū)域，750℃左右時(shí)的臨界區(qū)以及1 250～1 350℃時(shí)的粗晶區(qū)，這兩個(gè)區(qū)域的韌性都較差，其中臨界區(qū)沖擊功為50 J，而粗晶區(qū)沖擊功只有20 J左右，遠(yuǎn)不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。由圖2（b）中可以看出，X90管線(xiàn)鋼熱影響區(qū)韌性脆化區(qū)域主要是峰值溫度在1 200～1 350℃時(shí)的粗晶區(qū)，尤其是更加接近融合線(xiàn)附近的粗晶區(qū)，沖擊功只有20 J左右，遠(yuǎn)不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；雖然750～800℃時(shí)的臨界區(qū)較亞臨界區(qū)（650～730℃）和細(xì)晶區(qū)（900～1 000℃）的沖擊韌性低很多，但沖擊功仍大于200 J，能夠滿(mǎn)足X90管線(xiàn)鋼焊接熱影響區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

比較X80與X90鋼熱影響區(qū)的亞臨界區(qū)和細(xì)晶區(qū)可知，兩種管線(xiàn)鋼的亞臨界區(qū)韌性相差不大。雖然細(xì)晶區(qū)同樣也是韌性較好的區(qū)域，但是X90鋼級(jí)管線(xiàn)鋼細(xì)晶區(qū)的韌性要明顯低于X80管線(xiàn)鋼細(xì)晶區(qū)的韌性。

2.2 峰值溫度對(duì)管線(xiàn)鋼熱影響區(qū)組織的影響

針對(duì)上述X80和X90管線(xiàn)鋼熱影響區(qū)韌性的變化情況，選擇了各個(gè)典型區(qū)域?qū)?yīng)的峰值溫度條件的金相組織，如圖3和圖4所示。

兩種管線(xiàn)鋼熱影響區(qū)性能較好的組織區(qū)域?yàn)閬喤R界區(qū)和細(xì)晶區(qū)，對(duì)比分析X80和X90管線(xiàn)鋼熱影響區(qū)亞臨界區(qū)（圖 3（a）和圖 4（a）），此時(shí)溫度為650℃，還未發(fā)生相變，相當(dāng)于進(jìn)行了一個(gè)短暫的高溫回火，且由于加熱作用時(shí)間短，在瞬時(shí)的回火時(shí)效過(guò)程中，鐵素體基體變化不大。但是，針狀鐵素體中有一定量的島狀組織，經(jīng)過(guò)回火后，這些島狀組織發(fā)生一定的轉(zhuǎn)變，韌性也會(huì)有相應(yīng)變化。X80鋼的組織類(lèi)型為針狀鐵素體，經(jīng)過(guò)回火，大量M/A分解，從而韌性有所改善。而X90鋼的組織以粒狀貝氏體為主，經(jīng)過(guò)回火后，消除了部分的硬相組織，使其韌性較高。因此，兩者沖擊韌性相差不大。

對(duì)比分析X80和X90管線(xiàn)鋼熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)（圖 3（c）和圖 4（c））的組織，此時(shí)組織已經(jīng)發(fā)生相變重結(jié)晶，兩種鋼的組織都為粒狀貝氏體和塊狀鐵素體的混合組織，而且晶粒都非常細(xì)小，而X80管線(xiàn)鋼細(xì)晶區(qū)中貝氏體含量較高，晶界處黑色的塊狀組織，為更細(xì)小的貝氏體。X90管線(xiàn)鋼細(xì)晶區(qū)的塊狀鐵素體多于X80，由于鐵素體在低溫下韌性較差，因此，X80細(xì)晶區(qū)的韌性好于X90鋼。

兩種試驗(yàn)管線(xiàn)鋼熱影響區(qū)性能較差的區(qū)域?yàn)榕R界區(qū)和粗晶區(qū)。臨界區(qū)又稱(chēng)相變重結(jié)晶區(qū)或正火區(qū)，因只有一部分組織發(fā)生了相變重結(jié)晶過(guò)程，因而該區(qū)在冷卻后由發(fā)生相變的細(xì)小組織和未發(fā)生相變粗大組織組成[6-7]。X80鋼臨界區(qū)（圖3（b））的組織由未發(fā)生相變的粗大的塊狀鐵素體與已經(jīng)發(fā)生相變的粒狀貝氏體組成，其中晶粒內(nèi)部及邊緣處有M/A組織存在，從而導(dǎo)致沖擊韌性很差。而對(duì)于X90鋼，亞臨界區(qū)組織為粒狀貝氏體與塊狀鐵素體，且貝氏體與鐵素體分層明顯，在晶粒邊緣處有M/A存在，但非常細(xì)小，因此韌性較好。X80和X90鋼熱影響區(qū)粗晶區(qū) （圖3（d）和圖4（d））的組織為塊狀鐵素體，晶粒都很粗大，且晶粒內(nèi)部出現(xiàn)粗大粒狀和板條狀的M/A組織，這使得兩種管線(xiàn)鋼粗晶區(qū)的韌性都很差，而且相差不大，都在20 J左右。

圖3 X80管線(xiàn)鋼熱影響區(qū)各區(qū)域微觀組織

圖4 X90管線(xiàn)鋼熱影響區(qū)各區(qū)域微觀組織

3 合金成分對(duì)性能的影響

為了更好地分析X80和X90管線(xiàn)鋼熱影響區(qū)的性能，對(duì)比了兩種母材的合金成分發(fā)現(xiàn)，X90管線(xiàn)鋼母材主要合金成分中Mo，Ni，Cr，Nb都要高于X80鋼。

（1）含Mo鋼中，Mo強(qiáng)烈阻礙先共析鐵素體的析出和長(zhǎng)大過(guò)程，促進(jìn)高密度位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的針狀鐵素體的形成[8]；Mo不但抑制先共析鐵素體的形成，延長(zhǎng)鐵素體形核的孕育期，而且降低鐵素體晶粒的長(zhǎng)大速率，當(dāng)鋼中添加0.10%的Mo時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變后形成的鐵素體晶粒比不含Mo的鋼更細(xì)小。鋼中Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至0.20%時(shí)，針狀鐵素體量明顯增多，組織以針狀鐵素體為主。鋼中Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.30%時(shí)，可見(jiàn)明顯的貝氏體束和M/A組織。當(dāng)Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至0.4%時(shí)，因0.4%的Mo能顯著降低Ms點(diǎn)，故使得鋼中殘余奧氏體的數(shù)量增加，M/A組織數(shù)量增多[9-10]。因此，此種X80管線(xiàn)鋼中加入0.168%的Mo，可充分抑制先共析鐵素體析出，促進(jìn)針狀鐵素體的形成，韌性較好。在X90管線(xiàn)鋼中，由于Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.299%，此時(shí)組織中可見(jiàn)明顯的貝氏體束和M/A組織，從而使強(qiáng)度增加，但是造成韌性降低。

（2）在保證X90管線(xiàn)鋼強(qiáng)度增加的同時(shí)，還要保證高的韌性，因此需要增加Ni的含量，Ni是唯一一種只對(duì)韌性起正面影響的合金成分，由于臨界區(qū)只有部分組織發(fā)生了相變，且本身此種X90鋼合金成分要多于X80鋼，韌性也要好于X80，因此X90管線(xiàn)鋼臨界區(qū)的性能要好。

（3）在此基礎(chǔ)上，又增加了Cr和Nb。Cr的增加顯著推遲了NbC的析出時(shí)間，延遲析出主要是因?yàn)镃r可以明顯增大NbC的固溶度，從而減少NbC的析出驅(qū)動(dòng)力，推遲NbC的析出時(shí)間而延遲再結(jié)晶的發(fā)生；Nb同樣也起到延遲奧氏體再結(jié)晶的作用，X90細(xì)晶區(qū)中再結(jié)晶的組織相對(duì)較少，晶粒相對(duì)而言粗大，韌性相對(duì)較差。

因此，通過(guò)這幾種合金成分的增加，使X90管線(xiàn)鋼熱影響區(qū)各區(qū)的韌性較X80鋼級(jí)相差不大，甚至個(gè)別區(qū)域要好于X80鋼級(jí)，而細(xì)晶區(qū)的韌性比X80鋼級(jí)要差。

4 結(jié) 論

（1）兩種管線(xiàn)鋼都是在亞臨界區(qū)、細(xì)晶區(qū)韌性較好，在臨界區(qū)、粗晶區(qū)韌性較差。

（2）由于合金成分的增加，保證了X90管線(xiàn)鋼熱影響區(qū)的高韌性，使X90管線(xiàn)鋼熱影響區(qū)的亞臨界區(qū)、粗晶區(qū)與X80鋼相對(duì)應(yīng)的各區(qū)韌性相差不大，且由于臨界區(qū)為部分相變區(qū)，其韌性要好于X80鋼。

（3）兩種試驗(yàn)用鋼的不同點(diǎn)在于X90管線(xiàn)鋼熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)韌性較差。這主要是因X90鋼細(xì)晶區(qū)中，低溫韌性較差的塊狀鐵素體要多于X80。

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