X65MS酸性服役管線鋼焊接性研究

胡美娟，李炎華，吉玲康，楊 放，池 強

（中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065）

0 前 言

為了滿足全球未來石油和天然氣需求，含H2S鉆井的開發數量同過去相比大大增加。與此同時，酸性服役用管線鋼的需求也在隨之增加。由于用于提高管線鋼強度的合金元素大都具有產生偏析的傾向，偏析又是引起管線鋼氫致開裂的主要因素，因此用于嚴重酸性氣體服役條件下管線鋼的強度級別大都在X65及以下[1-5]。

管道工程就是一項大規模的焊接成型和長距離的焊接安裝工程。良好的焊接性能是管線鋼不可或缺的基本要求。酸性服役條件下用管線鋼合金元素含量較小，焊接后熱影響區可能存在組織粗大，局部軟化和韌性損傷等問題。本研究利用Gleeble 3500熱模擬試驗機，根據測得不同冷卻速度下材料的相變溫度，建立了X65MS耐酸管的SH-CCT曲線，并對其焊接性進行分析，可為其工程中的應用提供技術支持。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料取自中信金屬和寶鋼聯合研制生產的 準508 mm×9.53 mm X65MS耐酸 HFW 焊管，化學成分見表1，表1中列出計算所得的CEⅡW，Ceq和Pcm值。

表1 X65MS管線鋼的化學成分%

由表1可知，為了減少偏析，該焊管材料合金元素含量低，材料的冷裂紋敏感指數Pcm僅僅為0.1%。

X65MS管線鋼微觀組織如圖1所示，為多邊形鐵素體、少量貝氏體和珠光體的混合物，晶粒度為10.6級。材料的力學性能見表2。母材的維氏硬度值為207 HV0.5。

圖1 X65MS管線鋼微觀組織

表2 X65MS管線鋼拉伸性能

1.2 試驗方法

X65MS管線鋼臨界相變點AC1和AC3的測量方法是：將試樣以20℃/s的速度加熱到400℃，然后以0.05℃/s的速率緩慢加熱至1 000℃。根據加熱過程中試樣的膨脹量曲線確定材料的AC1和AC3。

X65MS管線鋼焊后不同冷卻速度下相變溫度的測量方法是：將試樣以100℃/s的速度加熱到峰值溫度1 300℃，保溫1 s。從1 300℃降溫到950℃的時間固定為10 s。然后分別以0.2℃/s，0.3℃/s，0.5℃/s，1℃/s，2℃/s，3℃/s，5℃/s，7℃/s，10℃/s，12℃/s，15℃/s，20℃/s，30℃/s，40℃/s和50℃/s的速度冷卻到室溫。根據冷卻過程中試樣的膨脹量曲線確定對應的相變溫度和相變時間[6-8]。

將不同冷卻速度的熱模擬試樣，在試驗后沿試樣軸向剖開，經研磨、拋光和腐蝕后，用MEF4M金相顯微鏡觀察材料顯微組織和維氏硬度的變化。根據測得的臨界相變溫度和不同冷卻速度下的相變溫度、相變時間以及金相組織，繪制X65MS管線鋼的SH-CCT曲線。

2 試驗結果和討論分析

2.1 臨界相變點

本研究采用切線法和斜率法相結合的方法，確定材料的相變溫度。圖2為X65MS管線鋼加熱過程中熱膨脹量隨溫度的變化曲線，對膨脹量求斜率所得曲線繪于圖中（紅線）。由圖可知，隨著溫度的增加，試樣的膨脹量線性增加，此時材料的熱膨脹量僅是其物理熱效應的結果，膨脹量斜率基本保持穩定。當加熱溫度在828～883℃時，發生貝氏體向奧氏體的轉變，試樣膨脹量減小，斜率曲線發生陡降。在883～917℃時，發生珠光體向奧氏體的轉變。在917～958℃區間，鐵素體完成奧氏體化。當加熱溫度大于958℃，相變完成試樣膨脹量隨溫度變化線性增加。對三組試樣所得臨界相變溫度求平均值，X65MS管線鋼AC1為820℃，AC3為951℃[4-5]。

圖2 X65MS管線鋼熱膨脹量曲線

2.2 SH-CCT曲線

圖3為X65MS管線鋼SH-CCT曲線。由圖可知，當焊接冷卻速度低于2℃/s時，焊接熱影響區組織為多邊形鐵素體和少量珠光體混合物。當冷卻速度大于等于12℃/s時，焊接熱影響區組織全部為粒狀貝氏體。當焊接冷卻速度在2～12℃/s之間時，焊接熱影響區組織為粒狀貝氏體、鐵素體和珠光體的混合物，并且隨著冷卻速度的增加，鐵素體含量減少，粒狀貝氏體含量增加，具體見圖4[9]。

圖3 X65MS管線鋼SH-CCT曲線

圖4 不同冷卻速度下X65MS管線鋼熱影響區的組織

2.3 顯微硬度

圖5為X65MS管線鋼焊接熱影響區顯微硬度曲線。

圖5 X65MS管線鋼熱影響區顯微硬度

由圖5可知，當冷卻速度小于2℃/s時，隨著冷卻速度的增加，熱影響區顯微硬度線性增加。當冷卻速度≥2℃/s后，微觀組織中開始出現粒狀貝氏體。隨著冷卻速度的增加，粒狀貝氏體含量的增加，顯微硬度逐漸減小，并在12℃/s時達到局部最小值，顯微硬度為183HV0.5。此時熱影響區組織全部轉變為粒狀貝氏體。此后隨著冷卻速度的增加，粒狀貝氏體中馬氏體-鐵素體含量增加，顯微硬度值逐漸上升。當冷卻速度在2～5℃/s和30～50℃/s時，焊接粗晶區顯微硬度值大于母材。

2.4 討論分析

X65MS管線鋼焊接冷裂紋敏感指數Pcm僅僅為0.1%，焊接熱影響區組織中沒有出現馬氏體轉變，所以產生冷裂紋的傾向較小。

實際焊管生產基本都采用雙絲或多絲埋弧焊進行焊接，且一般采用多道次（內焊和外焊）焊接方法。根據現場檢測和統計，當外焊在之前的內焊道上進行，金屬已經處于預熱狀態，在這種情況下，800～500℃區間的冷卻速度可能在5～7℃/s的范圍變化。然而，如果金屬在冷態下焊接，則該冷速則提高到10～12℃/s[10]。結合焊接粗晶區組織和顯微硬度的變化結果可知，此時X65MS管線鋼焊接熱影響區組織主要以粒狀貝氏體為主，顯微硬度值低于母材，HAZ軟化現象在12℃/s時達到最大。隨著冷卻速度的增加，貝氏體中呈粒狀分布的馬氏體-奧氏體組元逐漸增加，并變細、變長，進而使熱影響區組織硬度增加。當焊后冷卻速度大于20℃/s時，熱影響區硬度值大于母材。即提高埋弧焊接時冷卻速度，可以有效改善熱影響區域軟化現象。

3 結 論

（1）X65MS管線鋼焊接粗晶區組織分為三種情況，當焊接冷卻速度低于2℃/s時，焊接熱影響區組織為多邊形鐵素體和少量珠光體混合物。當冷卻速度大于等于12℃/s時，焊接熱影響區組織全部為粒狀貝氏體。當焊接冷卻速度在2～12℃/s之間時，焊接熱影響區組織為粒狀貝氏體、鐵素體和珠光體的混合物。

（2）X65MS管線鋼制管埋弧焊時存在熱影響區軟化問題，提高焊后冷卻速度至20℃/s可以改善熱影響區軟化現象。

[1]SUBRAMANIAN S,ZUROB H.Studies on Softening Kinetics of Low Manganese Steel Microalloyed with Niobium for High Strength Sour Service ERW Pipe[C]//2011 International Symposium on the Recent Developments in Plate Steels.Winter Park,CO.USA:AIST,2011:365-374.

[2]J.MALCOLM GRAY.Plate and Linepipe for Critical Service Three Generations of Evolution[C]//Proceedings of the International Symposium on Low-Carbon Steels for the 90’s.Pittsburg,PA,USA:[s.n.],1993:19.

[3]ISHIKAWA N,SHINMIYA T,ENDO S.Recent Developmentin High Strength Linepipes forSour Environment[C]//22nd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering.Cancun Mexico:[s.n.],2003:17-26.

[4]付俊巖.Nb微合金化和含鈮鋼的發展及技術進步[J].鋼鐵,2005,40(08):1-5.

[5]朱利敏，韓振華.鈮對管線鋼連續冷卻過程相變溫度和顯微組織的影響[J].金屬熱處理,2012,37(04):51-54.

[6]胡美娟，王鵬，韓新利，吉玲康.X80級抗大變形管線鋼焊接粗晶區的組織和性能 [J].焊接學報,2012,33(09):93-96.

[7]楊勝蓉.YB/T 5128-93鋼的連續冷卻轉變曲線圖的測定（膨脹法）[M].北京：中國標準出版社，1993.

[8]張麗穎，趙伯恭，程廣學.YB/T 130-1997鋼的等溫轉變曲線圖的測定 （膨脹法）[M].北京：中國標準出版社，1997.

[9]馮耀榮,高惠臨,霍春勇,等.管線鋼顯微組織的分析與鑒別[M].西安：陜西科學技術出版社,2008.

[10]陳小偉.X70管線鋼埋弧焊焊接熱循環參數的數值模擬及應用[D].秦皇島：燕山大學,2006.