X60鋼級HFW焊管焊縫沖擊韌性異常原因分析

趙金蘭 ， 雷俊杰 ， 王高峰 ， 聶向暉

（1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京 100101；2.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710077；3.西安應用光學研究所，西安 710065）

高頻直縫電阻焊管（HFW）是利用高頻電流的集膚效應和鄰近效應將管坯邊緣加熱到焊接溫度進行擠壓、焊接而成[1-2]。焊接過程造成了堆焊熱循環峰值溫度在管坯開口邊緣的梯度分布[3]，出現熔化區、部分熔化區及過熱組織區等特征區域，焊縫周圍的非平衡組織及粗大組織對焊管的性能產生了不利的影響；要保證焊縫質量，需合理控制焊接工藝，并進行焊后熱處理，使其達到所需的使用性能。

HFW焊管的焊縫和熱影響區是整個焊管的薄弱和危險區域，除應具有足夠的強度和塑性外，還應具有足夠的韌性。夏比沖擊韌性是HFW焊管最重要的質量評價指標之一。本研究對某X60級HFW焊管進行了力學性能試驗，對引起沖擊韌性異常的原因進行了分析，探討了改善焊縫性能的措施，實現了對焊縫質量的控制。

1 力學性能

1.1 試驗材料及方法

試驗選用某鋼管廠生產的X60級φ406.4 mm×8.7 mm HFW焊管，其主要化學成分見表1。

表1 某X60級HFW焊管的化學成分 %

1.2 拉伸試驗

在管體90°橫向和焊縫上截取板狀拉伸試樣，試樣寬度38.1 mm，標距50 mm。試驗執行GB/T 228.1—2010。試驗設備為UH－F500KNI拉伸試驗機，結果見表2。試驗結果表明，該規格焊管的拉伸性能符合相關標準要求。

表2 管體90°橫向和焊縫的拉伸試驗結果

1.3 壓扁試驗

截取100 mm長2根管段，依據GB/T 246—2007，在SHT4106壓扁試驗機上，將焊縫分別置于 0°和 90°位置， 壓扁到 2D/3， D/3（D=406.4 mm），貼合，均未出現裂紋。

1.4 夏比沖擊試驗

在管體90°橫向、焊縫及熱影響區分別截取V形缺口夏比沖擊試樣，焊縫中心線與沖擊試樣長度方向垂直，且正好對準V形缺口位置。－20℃條件下，依據GB/T 229—2007，在PSW750沖擊試驗機上進行夏比沖擊試驗，試驗結果見表3。試驗結果表明，焊縫沖擊試樣的沖擊功接近于零。

表3 V形缺口夏比沖擊試驗結果

2 試驗結果與分析

2.1 金相組織

母材、焊縫及熱影響區的金相顯微組織如圖1所示。

圖1 母材、焊縫、熱影響區的顯微組織

從圖1可以看出，母材組織為等軸細小的多邊形鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體，晶粒細小均勻，晶粒度10.6級，并伴有一定的帶狀組織（見圖1（a））；焊縫組織為貝氏體+多邊形鐵素體+珠光體，其晶粒明顯比母材晶粒大得多，晶粒度10.0級（見圖1（b））；熱影響區組織為貝氏體+多邊形鐵素體+珠光體，晶粒度為9.5級（見圖1（c））；焊縫熔合線完整，焊縫熱影響區腰鼓型清晰（見圖 1（d））。

2.2 焊縫沖擊斷口的電鏡掃描

對沖擊韌性異常低的焊縫進行電鏡掃描分析，發現源區有大量灰斑，擴展區有二次脆性裂紋，如圖2所示。形成灰斑原因多為未熔合或熔融氧化物未能有效排出。未熔合部位的顯微組織也多為 “氧化物夾雜”或 “灰斑”，兩側為細小的鐵素體+珠光體，經焊縫90°壓扁試驗時，焊縫極容易開裂[4]。 本試樣焊縫熔合線完整（見圖 1（d））， 且焊縫0°和90°壓扁試驗時均未開裂，可以判斷此灰斑不是由于未熔合而造成的。

對源區（圖 2（a））中的灰斑（兩處）進行能譜分析，結果見圖3～圖4及表4～表5。

圖2 焊縫電鏡掃描結果

圖3 源區灰斑1形貌及其能譜圖

圖4 源區灰斑2形貌及其能譜圖

由圖3～圖4及表4～表5可見，灰斑的主要化學成分為O，Fe，Mn，Si，Ti和Al等。源區中的灰斑是由于焊接過程中被氧化的金屬表面層未能有效地被擠出，產生大量氧化物夾雜，這些氧化物或夾雜物偏聚形成灰斑，從而導致焊縫沖擊韌性異常低，嚴重時會使超聲波探傷發生 “噴標”現象，甚至導致焊縫開裂。

表4 源區灰斑1的能譜分析結果

表5 源區灰斑2的能譜分析結果

熔合區夾雜物未能排出的原因：①焊接時焊接溫度偏低，金屬層熔化不充分，未能將氧化物夾雜帶出；②鋼管在進行高頻對接焊時，板邊平行度不好，使得焊接起始點的搭接狀況不理想，成V形或∧形。呈V形搭接時，阻擋氧化物夾雜的排出；呈∧形搭接時，內側焊縫的擠出物較少，未能將氧化物夾雜帶出[5-6]；③擠壓輥壓力不足，未能將氧化物夾雜擠出焊縫區。

由圖2（b）的沖擊試樣擴展區二次裂紋可知，沖擊斷開中存在脆性裂紋。追溯脆性裂紋的產生原因，可發現圖1（a）母材中存在一定的帶狀組織，且局部分布不均勻。帶狀組織一旦進入焊縫及熱影響區，并露出管壁表面，在拉應力的作用下，極易導致焊縫開裂。另外，由于氧化物夾雜的偏聚形成灰斑，大大降低了焊縫金屬的韌性，增加了低溫脆性。

高頻電阻焊管焊縫沖擊韌性低，可通過熱處理得到改善。熱處理一般采用在線中頻焊縫熱處理，加熱溫度在Ac3以上50～100℃，可得到細晶粒的鐵素體+珠光體組織，改善焊縫韌性[1]。

3 焊縫沖擊韌性改善分析

焊接氧化物未能及時排出形成灰斑缺陷，從而引起疲勞強度和沖擊韌性等關鍵指標大幅下降，也增加了熱裂紋和層狀撕裂的傾向?？梢娀野呤呛缚p中的危險缺陷。為了使焊接時熔融氧化物充分排出，保證焊縫質量，需從以下幾方面加以控制。

（1）合理控制原材料的化學成分。高頻焊接時，焊縫中的氧化物多以復合夾雜物的形式存在，其熔點取決于各種氧化物的相對含量，當氧化物的熔點高于焊接部分的熔點時，氧化物難以排出而殘留于焊縫，且母材中的Mn和Si含量對復合夾雜物的熔點影響較大，應嚴格控制[7]。

（2）有效調整焊接溫度、焊接速度、焊接擠壓力等成型工藝要素，盡量降低焊接過程中氧化物的殘留。

（3）控制母材帶狀組織，避免使用帶狀組織嚴重的母材。

（4）對焊后鋼管進行在線熱處理，控制加熱溫度在Ac3以上50～100℃。

4 結 論

通過對某鋼管廠生產的X60鋼級HFW焊管焊縫沖擊斷口掃描、能譜分析以及母材金相顯微組織分析，發現了焊縫沖擊韌性異常低的原因：

（1）焊接過程中被氧化的金屬表面層未能有效擠出，產生大量氧化物夾雜，這些氧化物或夾雜物偏聚形成灰斑，是造成焊縫沖擊韌性異常的主要原因；

（2）母材中的帶狀組織降低了沖擊韌性，帶狀組織一旦進入焊縫及熱影響區，并露出管壁表面，在拉應力作用下，極易導致焊縫開裂；

（3）焊后熱處理工藝控制不當，也會影響焊縫的沖擊韌性。

［1］李景學.HFW焊管焊接質量的影響因素分析及應對措施［J］.焊管，2011，34（02）：54-57，62.

［2］王立濤.高鋼級管線鋼的性能要求與元素控制［J］.鋼鐵研究，2004（04）：13-17.

［3］吳鳳梧.國外高頻直縫焊管的生產［M］.北京：冶金工業出版社，1985.

［4］黃友陽.高頻焊管金屬流線的形成形態與分析［J］.鋼管，2000，29（06）：31-36.

［5］史月麗，王振中，朱敦倫.高頻焊管焊縫沖擊韌性異常原因分析［J］.理化檢驗-物理分冊，2001，37（08）：335-337.

［6］趙熹華.壓力焊［M］.北京：機械工業出版社，1994.

［7］徐學利，辛希賢，石凱，等.ERW直縫套管殘余應力分布規律的研究［J］.石油機械，2003（03）：5-7，12.

［8］張嗣偉.石油連續柔性管技術的現狀［J］.石油專用管，1997（03）：1-7.

［9］黃志潛，李平全.石油工業發展對油井管和管線管的要求與對策［J］.石油專用管，1998（04）：1-10.

［10］馮耀榮.ERW鋼管焊縫灰斑缺陷及其預防—日本ERW鋼管生產技術考察報告［J］.石油專用管，1993（02）：56-59.