X90M鋼板對接接頭性能測試與分析

于 磊，李志宏，莫誠生，王登樹，檀才保

（1.安徽省特種設備檢測院，合肥 230051；2.合肥紫金鋼管有限公司，合肥230051）

X90M鋼板對接接頭性能測試與分析

于 磊1，李志宏1，莫誠生1，王登樹2，檀才保1

（1.安徽省特種設備檢測院，合肥 230051；2.合肥紫金鋼管有限公司，合肥230051）

對管線鋼用X90M鋼板自動埋弧焊對接接頭進行了力學性能測試、微觀組織觀察、SEM掃描等試驗。分析得出焊縫組織主要由針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成，熱影響區(qū)除粒狀貝氏體外，還有少量塊狀鐵素體。硬度測試結果表明，熱影響區(qū)并不存在明顯軟化現(xiàn)象，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊吸收能量均對溫度較為敏感，但焊縫中縱橫交錯分布的針狀鐵素體和柱狀晶狀態(tài)導致其韌性比熱影響區(qū)稍差。0℃下的母材和熱影響區(qū)沖擊斷口形貌呈韌窩形狀，而焊縫斷口形貌則為準解理特征。

焊接；X90M；焊縫；熱影響區(qū)；拉伸性能；沖擊韌性；斷口形貌

目前我國西氣東輸三線工程管線鋼等級最高用到X80級[1]，但隨著石油和天然氣能源的不斷發(fā)展，推動著管線鋼不斷向更高強度、更高等級發(fā)展。為適應未來油氣輸送管線長距離、大直徑、高壓力、高安全性的需求，我國X90鋼級以上管線鋼的研制[2]和生產(chǎn)將會越來越受到重視。

石油天然氣管線用鋼不僅僅要求管線鋼本身具有優(yōu)良的性能，而且要具有良好的焊接性能[3-7]。對管線鋼用X90M鋼板對接接頭性能的分析研究，將為X90M管線鋼管的埋弧自動焊提供重要的試驗基礎數(shù)據(jù)。

1 試驗用鋼板化學成分及力學性能

試驗用X90M管線鋼板屬于控軋控冷型多元素合金強化低碳錳鋼[8]，用全定量直讀式光譜儀器測試試驗用鋼板的主要化學成分，結果見表1。由表1可見，該試驗用鋼的化學成分相對于X80M進一步增加了Mn和Mo等含量以提高其強度，增加了Ni含量則有效提高了其韌性。試驗用鋼板的主要力學性能指標包括屈服強度、抗拉強度、延伸率及在－20℃下的橫向沖擊功，檢測結果見表2。

表1 X90M鋼板主要化學成分 %

表2 X90M鋼板主要力學性能

2 試驗材料及焊接工藝參數(shù)

試驗用X90M鋼板為國內某大型鋼廠所生產(chǎn)，厚度16.3mm。試樣開帶鈍邊的X形坡口，內外坡口角度均為88°，具體尺寸如圖1所示。焊接時，先從外焊縫內坡口處用CO2氣體保護焊進行焊接固定，再進行內焊縫的焊接，最后是外焊縫的焊接，內外焊縫均采用直列式三絲埋弧焊接。焊絲選用國內某知名焊材制造公司研制的焊絲，直徑為4.0 mm。試驗X90M鋼板直縫埋弧焊主要工藝參數(shù)見表3，焊接接頭實物照片如圖2所示。

圖1 X90M鋼板埋弧焊焊接坡口形狀及尺寸

表3 試驗用X90M鋼板直縫埋弧焊主要工藝參數(shù)

圖2 X90M鋼板埋弧焊焊接接頭實物照片

3 焊接接頭觀察、測試與斷口形貌掃描

3.1 射線照相檢測

焊接接頭經(jīng)36 h冷卻后，按照JB/T 4730.2—2005標準對其全長進行射線照相檢測，檢測結果如圖3所示。從照相底片上看，未發(fā)現(xiàn)任何缺陷影像，且接頭成像致密均勻，清晰度較高。

圖3 X90M鋼板埋弧焊焊接接頭射線檢測結果

3.2 焊接接頭拉伸和彎曲性能

拉伸與彎曲試驗所用設備均為萬能試驗機。截取兩個橫向全壁厚矩形試樣，尺寸為50 mm× 38.1 mm。焊接接頭拉伸后的斷口形貌如圖4所示。圖4中1#試樣拉伸斷口位于熔合線以外，抗拉強度714 MPa；2#試樣拉伸斷口位于母材位置，抗拉強度727MPa。2#試樣拉伸曲線如圖5所示。

圖4 焊接接頭拉伸試驗結果

圖5 焊接接頭2#試樣拉伸曲線

分別截取一個面彎和背彎試樣，兩個試樣經(jīng)180o彎曲后未發(fā)現(xiàn)任何裂痕，結果如圖6所示。由圖6可以看出，兩個試樣焊接接頭的塑性良好。

圖6 焊接接頭彎曲試驗結果

3.3 微觀組織觀察

對包含焊接接頭的小尺寸試樣進行打磨、拋光等，并采用4%硝酸酒精溶液侵蝕試樣，在顯微鏡下觀察顯微組織，結果如圖7所示。

圖7 X90M母材與焊接接頭的顯微組織

由圖7可以看出，X90M母材的組織主要為粒狀貝氏體。焊絲中Mo的質量分數(shù)為0.3%，焊縫中的Mo能顯著促進針狀鐵素體的形成[9]。焊縫處的組織主要為針狀鐵素體和少量粒狀貝氏體，形貌呈縱橫交錯分布；熱影響區(qū)以粒狀貝氏體為主，兼有少量塊狀鐵素體及少量M/A組元，熱影響區(qū)中熔合區(qū)晶粒最為粗大；從熔合區(qū)過渡到母材區(qū)域晶粒逐漸變細。

3.4 硬度試驗

先用10%硝酸酒精腐蝕出試樣輪廓，使肉眼能明顯區(qū)分出焊縫、熱影響區(qū)與母材，如圖8所示。再將試樣放在維氏硬度計上使用10 kN力測定，硬度檢測打點位置如圖9所示，硬度檢測結果見表4。

圖8 X90M焊接接頭實物照片

圖9 X90M焊接接頭硬度檢測打點位置示意圖

表4 X90M焊接接頭硬度檢測結果

從表4可以看出，焊縫部位硬度最高值為264HV10，最小值為235HV10，平均值為249 HV10；母材部位硬度分布較為均勻，平均值為236HV10；熱影響區(qū)硬度最高值為235HV10，最低為210HV10，平均值為223 HV10，硬度最大值與最小值相差25 HV10。說明熱影響區(qū)存在部分硬化與軟化區(qū)域，而軟化與熱影響區(qū)中少量的多邊形鐵素體組織有關，但該軟化現(xiàn)象并不明顯，整體硬度值都在可接受范圍內。

3.5 V形缺口夏比沖擊試驗

在不同溫度下分別對X90M焊接接頭的母材、焊縫、熱影響區(qū)進行沖擊試驗。試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，V形缺口，3個試樣為一組。沖擊試驗結果見表5，其平均值曲線如圖10所示。

表5 不同溫度下X90M焊接接頭沖擊試驗結果

圖10 不同溫度下X90M焊接接頭沖擊功均值曲線

從圖10可以看出，相同溫度下的母材沖擊功均值遠大于焊縫和熱影響區(qū)，這是由于母材中含有更多Ni，且粒狀貝氏體具有較高位錯密度；熱影響區(qū)的粒狀貝氏體相對母材來說更為粗大，且相關研究表明，熱影響區(qū)的沖擊斷口裂紋擴展方向主要為沿晶開裂[10]，所以相對來講，熱影響區(qū)的沖擊功數(shù)值低于母材；焊縫有大量針狀鐵素體組織，所以其韌性也較好，但由于針狀鐵素體呈現(xiàn)縱橫交錯分布，所以和熱影響區(qū)相比其沖擊功稍低。只是在－50℃時焊縫和熱影響區(qū)沖擊功值接近，但隨著溫度的升高，差值有所增大，這與焊縫中含有較多縱橫交錯的針狀鐵素體有關；熱影響區(qū)中的塊狀鐵素體和少量的M/A組元雖然一定程度上降低了韌性水平，但這些組織畢竟是少量的；不論是焊縫還是熱影響區(qū)的沖擊功都對溫度較為敏感。

3.6 沖擊斷口掃描電鏡觀察

用JSM-6490/LV掃描電子顯微鏡分別對0℃時的母材（沖擊功310.2 J）、熱影響區(qū)（沖擊功230.4 J）、焊縫 （沖擊功133.5 J）的沖擊斷口試樣進行了SEM掃描，結果如圖11所示。

圖11 0℃時X90M焊接接頭沖擊斷口SEM掃描結果

從圖11可以看出，焊縫的斷口形貌既有韌窩特征，也有撕裂的河流花樣特征，屬于混合斷裂形貌，呈現(xiàn)準解理特征；熱影響區(qū)和母材的斷口則都呈剪切韌窩特征，說明熱影響區(qū)和母材在剪切沖擊力作用下發(fā)生了很強的塑性變形后才導致最終斷裂。

4 結 論

X90M兩個焊接接頭橫向拉伸試樣的抗拉強度分別為714 MPa和727 MPa，稍高于母材，斷口分別位于熱影響區(qū)和母材，而且從斷口形貌看，有明顯的剪切唇和纖維區(qū)，為宏觀塑斷；彎曲試樣經(jīng)180o彎曲后，彎曲面未發(fā)現(xiàn)任何長度的裂紋或裂縫，表明焊接接頭的塑性良好；焊縫硬度平均值最高，母材硬度分布較為均勻，HAZ硬度最高值為235 HV10，最低僅為210 HV10，但并不存在明顯軟化現(xiàn)象；不論是焊縫還是熱影響區(qū)的沖擊功都對溫度較為敏感；0℃下焊縫的斷口形貌呈現(xiàn)準解理特征，而熱影響區(qū)和母材的斷口則都呈韌窩形貌。

［1］王茂堂，何瑩，王麗，等.西氣東輸二線 X80級管線鋼的開發(fā)和應用[J].電焊機，2009，39（5）：6-14.

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The Performance Test and Analysis of the Butt Joint About X90M Steel Plate

YU Lei1,LI Zhihong1,MO Chengsheng1,WANG Dengshu2,TAN Caibao1
(1.Anhui Special Equipment Inspection Institute,Hefei 230051,China;
2.Hefei Zijin Steel Pipe Co.,Ltd.,Hefei 230051,China)

In this paper,it carried out the mechanical properties test,microstructure observation and SEM scan test for the welded joint of automatic submerged arc welding about X90M pipeline steel plate.The tests showed that the weld microstructure is mainly composed of acicular ferrite and granular bainite，the heat affected zone(HAZ)includes granular bainite and a small amount of blocky ferrite.The hardness test results showed that no obvious softening phenomenon exist in HAZ, the impact absorbed energy of the weld and HAZ are more sensitive to temperature,but the cross distribution of acicular ferrite in the weld and the columnar crystal state leads to the toughness is a bit poor to HAZ.The impact fracture appearance of the base metal and HAZ below 0℃display the dimple shape,and the weld fracture morphology is quasi cleavage feature.

welding;X90M；weld;heat affected zone；tensile property;impact property;fracture appearance

TG407

A

1001－3938（2015）08-0011-05

于磊（1983—），男，工程碩士，工程師，現(xiàn)從事壓力管道、壓力容器檢驗檢測及技術開發(fā)等工作，擁有管道檢驗師、無損檢測高級等多項專業(yè)資質。

2015-04-25

謝淑霞