加熱溫度對X90鋼級熱煨彎管組織與性能的影響

包志剛，倪書民，畢宗岳，宋紅兵

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司 西安石油專用管分公司,西安 710201）

加熱溫度對X90鋼級熱煨彎管組織與性能的影響

包志剛1,2，倪書民3，畢宗岳1,2，宋紅兵1,2

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司 西安石油專用管分公司,西安 710201）

為了獲得X90鋼級彎管的合理熱處理工藝，采用Gleeble3500熱模擬試驗機，研究了高強度X90焊管焊縫和母材在不同加熱溫度下的組織與性能。試驗結果顯示，隨著加熱溫度的升高，焊縫先共析鐵素體減少，并出現粒狀貝氏體組織，硬度上升；焊縫沖擊功呈現先升后降趨勢，當加熱到925℃時，沖擊功最低，加熱到975℃時沖擊功最高，但加熱溫度超過1 050℃時，針狀鐵素體板條粗大，夏比沖擊功下降。因此得出結論，焊縫最佳的加熱溫度區間為950～1 025℃。在此溫度區間內，母材隨著加熱溫度的增加，塊狀鐵素體逐漸減少，硬度上升，同時原奧氏體晶粒不斷長大，夏比沖擊功總體變化不大；當加熱溫度超過1 050℃時，粒狀貝氏體晶粒粗化，沖擊韌性快速下降。

X90；母材；焊縫；加熱溫度；組織；力學性能

油氣輸送管道正在向著高強度、大壁厚、大直徑及大輸量方向發展[1]。近幾年中石油天然氣集團公司組織攻關第三代大輸量天然氣管道工程的研究和試制工作，采用X90等更高鋼級管線鋼是油氣輸送管線建設發展的必然趨勢[2]。彎管不僅改變管道的敷設方向，還可以緩沖外界地層的遷移、泥石流及環境氣候變化等施加在管道上的拉、壓應力和扭矩的作用，保證管道的安全運行[3]。因此，彎管是管道建設中的重要配套設施。X80和X100彎管相關文獻較多[4-6]。但國內外文獻未有關于X90彎管的研究，筆者通過研究不同加熱溫度對X90彎管焊縫和母材的組織性能的影響和不同加熱溫度下的起裂功和擴展功的變化，提出了高強度X90彎管熱處理工藝，并成功試制出了X90彎管產品。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為X90彎管，其化學成分見表1。

表1 X90彎管的化學成分

1.2 試驗方法

采用Gleeble 3500熱模擬試驗機和HT500電阻加熱爐進行熱模擬試驗。45s分別加熱至925℃、950℃、975℃、1000℃、1025℃和1 050℃，保溫90 s，以15℃/s冷卻到室溫；再加熱到550℃回火2 h。母材沖擊試樣在距焊縫90°位置橫向取樣。焊縫和母材沖擊試樣尺寸為10 mm×10mm×55 mm，沖擊試驗溫度為-20℃。利用PSW750 Zwick/Roell型沖擊試驗機和DuraScan-70丹麥司特爾硬度計檢測力學性能。在DMI 5000M金相顯微鏡上對金相組織進行觀察和使用S-3700N掃描電鏡觀察斷口形貌。

2 試驗結果及分析

2.1 溫度對組織的影響

不同溫度下熱處理后的焊縫（WM）金相組織如圖1所示，由圖1可以看出，加熱溫度為925～975℃時，焊縫金相組織為針狀鐵素體（AF）+先共析鐵素體（PF）+少量珠光體（P），先共析鐵素體沿奧氏體晶界析出，且加熱溫度為925℃時先共析鐵素體含量較高，但隨著加熱溫度的升高，針狀鐵素體板條變長變寬，先共析鐵素體含量減少。加熱溫度為1 000～1 050℃時，組織為針狀鐵素體 （AF）+粒狀貝氏體 （GB）+先共析鐵素體（PF）+少量珠光體（P）。

圖1 不同加熱溫度下焊縫的金相組織

不同熱處理溫度下母材（BM）金相組織如圖2所示。由圖2可以看出，當加熱溫度為925～1 000℃時，組織為粒狀貝氏體（GB）+少量塊狀鐵素體（F），加熱溫度為1 025℃和1 050℃時，以粒狀貝氏體為主，且晶粒粗大，加熱溫度增加塊狀鐵素體逐漸減少。

圖2 不同加熱溫度下母材的金相組織

2.2 溫度對力學性能的影響

焊縫和母材硬度隨加熱溫度變化如圖3所示。由圖3可以看出，隨著加熱溫度的升高，硬度上升。

圖3 不同加熱溫度下焊縫和母材硬度試驗結果

焊縫沖擊功隨加熱溫度變化如圖4所示，由圖4可以看出，加熱溫度為925℃、950℃時焊縫沖擊功隨加熱溫度的增加而上升，分別為54J和95J；975℃時沖擊功為最高，為109J；1000℃和1 025℃時，焊縫沖擊功隨加熱溫度的增加而下降升，分別為94 J和82 J；當加熱溫度為1 050℃時，焊縫沖擊功下降明顯為59 J。

圖4 不同加熱溫度下焊縫沖擊試驗結果

母材沖擊功隨加熱溫度變化見圖5。由圖5可看出，在925～1025℃加熱時，母材沖擊功基本不變， 分別為252J、223J、229J、224J和220J。當加熱到1050℃時，沖擊功快速下降為92J。

2.3 溫度對起裂功和擴展功的影響

測得的沖擊吸收功可分為最大載荷前功Ei（通常稱為起裂功）、最大載荷后功Ep（通常稱為擴展功）和總功Et（即沖擊功Cv，亦可在表盤上讀出）。在三個沖擊試樣中選取有代表性的示波沖擊曲線分析。起裂功和擴展功與總功的比值見表2。焊縫和母材的示波沖擊能量隨加熱溫度變化如圖6和圖7所示。

圖5 不同加熱溫度下母材沖擊試驗結果

表2 起裂功和擴展功與總功的比值

圖6 加熱溫度對焊縫起裂功和擴展功的影響

圖7 加熱溫度對母材起裂功和擴展功的影響

由表2可以看出焊縫Ei/Et的取值為0.53～0.90，加熱溫度為975℃時，數值最小，主要是因為擴展功增大而引起總功Et增大；母材Ei/Et的取值為0.25～0.72，隨著加熱溫度增加，數值會變大，主要原因是總功Et減小，當加熱溫度為1 050℃時，數值迅速上升到0.72。相同的加熱溫度下，焊縫的Ei/Et要遠遠大于母材的Ei/Et，這是因為起裂功和擴展功相比較，焊縫的要大于母材。

由圖6可以看出，隨加熱溫度升高，焊縫起裂功Ei先上升，之后基本不變，最后下降；擴展功Ep先升高后下降，最高點出現在975℃。起裂功Ei要大于裂紋擴展功Ep，即起裂功Ei對焊縫沖擊總功的貢獻較大。加熱溫度為950℃較925℃的起裂功 Ei大幅上升了 34 J，在 950～1025℃基本不變，保持在63～64J，加熱到1050℃時下降了16 J。裂紋擴展功Ep先升高后下降，裂紋擴展功Ep在加熱溫度為925℃和950℃時，分別為16 J、31 J，加熱溫度為975℃時達到最高點的56 J，加熱溫度為1 000℃時下降到25 J，加熱溫度為1 025℃和 1 050℃時同樣為 8 J。

由圖7可以看出，隨加熱溫度升高，母材起裂功Ei基本保持不變，而裂紋擴展功Ep持續下降。在950～1 025℃，下降緩慢，超過1 025℃以后，快速下降。除加熱溫度為1 050℃，其余加熱溫度的母材裂紋擴展功Ep要遠大于起裂功Ei，裂紋擴展功直接影響沖擊總功，決定沖擊總功的趨勢。加熱溫度區間為925～1 050℃的起裂功Ei在71～73 J之間波動。隨加熱溫度由925℃增加到950℃，裂紋擴展功Ep由210 J下降到156 J；在950～1 025℃，裂紋擴展功Ep由156 J緩慢下降到149 J；加熱溫度為1 050℃時，裂紋擴展功Ep直線下降到28 J。

3 分析討論

焊縫和母材隨著加熱溫度的增加，合金元素更好地溶入奧氏體，很好的起到了固溶強化和析出強化的效果，因此硬度隨加熱溫度的增加而上升。

焊縫組織隨著加熱溫度的不同，組織變化，沖擊功呈現先上升后下降的趨勢，加熱溫度為975℃是達到最高，焊縫起裂功占沖擊總功比重較高。加熱溫度為925℃時，金相組織為針狀鐵素體（AF）和沿奧氏體晶界析出的先共析鐵素體，針狀鐵素體細小，先共析鐵素體較多。溫度較低時，鐵素體的生長主要由C擴散控制，生長速率較快；當溫度升高時，合金元素發生擴散與再分配，鐵素體的生長將由Mn等合金元素的擴散控制，由于合金元素的擴散速率比C擴散速率低幾個數量級，因而會導致鐵素體的生長速率急劇降低[7]。而裂紋易在晶界先共析鐵素中擴展，不利于焊縫韌性的提高[8-9]，起裂功Ei和擴展功Ep都較低，導致沖擊總功較低。

圖8所示為焊縫沖擊斷口裂紋擴展區的掃描照片。焊縫加熱溫度為950℃、975℃時，雖然仍有少量鐵素體，但組織仍以針狀鐵素體為主，因此，焊縫表現出良好的韌性[10]。具有較高的起裂功Ei；沖擊斷口裂紋擴展區的撕裂棱也較大（如圖8（a）所示），擴展功Ep升高。沖擊吸收功上升，加熱到975℃時到達最高點。

焊縫加熱溫度為1 000～1 050℃時，隨著加熱溫度進一步升高，原奧氏體合金元素固溶量增大，降低了轉變溫度。金相組織為針狀鐵素體（AF）+粒狀貝氏體（GB）+少量先共析鐵素體（PF），另一方面加熱溫度升高使得原奧氏體晶粒長大，轉變后的組織較大，利于裂紋擴展，加熱到1 000℃和1 025℃時針狀鐵素體板條長大不明顯，起裂功Ei基本不變，裂擴展功Ep快速下降。加熱溫度為1 050℃時，晶粒粗大，斷裂形式以準解理為主，撕裂棱較小（見圖8（b）），起裂功Ei組成且大幅下降，且直接過渡到失穩擴展狀態，擴展功Ep較低。因此，總的沖擊功連續下降。

圖8 焊縫沖擊斷口裂紋擴展區掃描照片

母材經過加熱后的組織，均已粒狀貝氏體為主，隨著加熱溫度的增加塊狀鐵素體逐步減少，對原奧氏體起訂扎作用的Nb和Ti的碳氮化物逐漸溶解[11-13]，晶粒逐步長大，起裂功Ei基本不變，擴展功Ep持續下降，總的沖擊功下降，起裂功在沖擊總功中占比重逐漸增大。有研究表明[14]母材起裂階段裂紋萌生對所需能量是一個對試驗溫度不敏感的參數。在此試驗中則表明母材起裂階段裂紋萌生對所需能量是一個對加熱溫度同樣不敏感。圖9所示為母材沖擊斷口裂紋擴展區的掃描照片。母材加熱溫度為925～1 000℃時，組織為粒狀貝氏體（GB）+少量塊狀鐵素體（F），加熱溫度925℃和950℃，加熱溫度較低，晶粒較細，有效抑制了裂紋的擴展[15]，裂紋擴展穩定，未出現失穩狀態。加熱溫度升高975～1 025℃，晶粒有所長大，裂紋在擴展的過程中出現失穩。由于撕裂棱的較多的韌窩（見圖9（a）），起裂功Ei和擴展功Ep較高，總的沖擊功保持在較高的水平。

圖9 母材沖擊斷口裂紋擴展區掃描照片

母材加熱溫度進一步升高，合金元素充分溶解，粒狀貝氏體組織增加，當加熱溫度增加到1 050℃時，晶粒劇烈長大，斷裂形式以沿晶解理斷裂為主（見圖9（b））。 起裂功 Ei基本不變，而擴展功Ep大幅下降，總的沖擊吸收功同時快速下降。

4 結 論

（1）焊縫隨著加熱溫度的升高，先共析鐵素體減少，出現粒狀貝氏體組織，硬度上升，焊縫沖擊功呈現為先升高后降低，焊縫起裂功在沖擊總功中占比重較高。加熱到925℃時，晶界先共析鐵素體較多，不利于阻礙裂紋的擴展，起裂功和擴展功都低，致使總功低。加熱到950℃和975℃時，晶界先共析鐵素體減少，起裂功和擴展功上升，總功升高，到975℃時達到最高。由于加熱溫度上高，晶粒長大，加熱到1 000～1 025℃時起裂功基本不變，擴展功下降，致使總功下降。但當加熱溫度增加到1 050℃時，針狀鐵素體板條粗大，起裂功和擴展功同時下降，總功下降明顯。焊縫最佳的加熱區間為950～1 025℃；

（2）母材隨著加熱溫度的增加，塊狀鐵素體逐漸減少，晶粒不斷長大，硬度上升。起裂功基本不變，擴展功下降，起裂功在沖擊總功中占比重逐漸增大。925～1 025℃擴展功功變化不大，但隨著加熱溫度增加，裂紋擴展變得不穩定。當加熱溫度增加到1 050℃時，晶粒劇烈長大，裂紋擴展迅速，擴展功和總功快速下降，因此母材加熱最高溫度不能超過1 025℃。

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Influence of Heating Temperature on Microstructure and Properties of X90 Induction Bends

BAO Zhigang1,2,NI Shumin3,BI Zongyue1,2,SONG Hongbing1,2
（1.Steel Pipe Research Institute of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi China;2.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008,Shaanxi,China;3.Xi’an OCTG Branch Company of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Xi’an 710201,China）

In order to obtain the reasonable heat treatment process for X90 grade bends,the microstructure and mechanical properoties of the weld and base metal of X90 welded pipes were investigated under different temperatures by using Gleeble 3500 thermal simulation testing machine.The results showed that the pre-eutectoid ferrite decrease in weld with increasing of heating temperature,and then granular bainite appear,the hardness raise;Weld impact energy presents the trend of increase first and fall later,when heated to 925℃,the impact energy is the lowest,heated to 975℃,the impact energy is the highest,but the heating temperature exceeds 1 050℃,the acicular ferrite lath is bulky,the Charpy impact energy decrease.So come to the conclusion that the best heating temperature range for weld is 950～1 025℃.In this temperature range,with the increase of heating temperature,the block ferrite of base metal gradually reduce,the hardness increase,at the same time the original austenite grain constantly grow up,the Charpy impact energy is little change in general;When the heating temperature is over 1 050℃,the granular bainite grain coarsening,and the impact toughness fall fast.

X90;base metal;weld;heating temperature;microstructure;mechanical properties

TE973.1

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.01.005

包志剛（1984—），男，碩士，工程師，畢業于燕山大學材料學專業，現主要從事油氣管材產品研制及開發工作。

2015-07-17

黃蔚莉