高強度管線鋼焊接性影響因素分析

鄭梗梗，徐學利，王洪鐸

（西安石油大學 材料科學與工程學院，西安710065）

高強度管線鋼焊接性影響因素分析

鄭梗梗，徐學利，王洪鐸

（西安石油大學 材料科學與工程學院，西安710065）

為了使X80～X120高強度管線鋼焊接時獲得高強韌性焊接接頭，避免產生冷裂紋及熱影響區脆化、軟化等各種缺陷，針對高強度管線鋼的焊接性影響因素進行了分析論述，包括冷裂紋產生的原因及影響因素、管線鋼的HAZ軟化及脆化影響因素等。重點對管線鋼的焊縫與管材的強韌匹配以及管線鋼焊接工藝進行了分析研究。研究結果表明，高強度管線鋼焊接時，應依據等韌性原則來選用接頭的匹配，選擇合適的預熱溫度、含氫量較小的焊接材料、合理的焊接熱輸入，保證焊接接頭具有足夠的韌性，滿足實際需要。同時針對冷裂紋及熱影響區脆化、軟化等各種缺陷提出了合理的控制措施。

焊接；高強度管線鋼；焊接性；冷裂紋；HAZ脆化；HAZ軟化

Abstract:In order to get high strength and high toughness welded joints during X80～X120 high strength pipeline steel welding,avoid various defects,such as cold crack,heat affected zone embrittlement,softening and so on,the influence factors of high strength pipeline steel weldability were analyzed and discussed,including the causes of cold cracks,influence factors,HAZ softening,the embrittlement influence factors of pipeline steel and etc.,especially focus on the strength matching of weld and base metal of pipeline steel,as well as the pipeline steel welding process.The research results showed that during high strength pipeline steel welding,according to the principles of same toughness,it should select welded joints matching,proper preheat temperature,welding material with small hydrogen content,reasonable welding heat input,to guarantee the welding joint has enough toughness,and meet the actual needs.At the same time,some reasonable control measures were put forward for various defects,such as cold crack,heat affected zone embrittlement,softening and so on.

Key words:welding;high strength pipeline steel;weldability;cold crack;HAZ enbrittlement;HAZ softening

隨著管道油氣輸送技術向高壓、大直徑方向發展，對管線鋼的韌性、強度和焊接性能的要求越來越高，全世界都在關注日益增大的天然氣需求及亞洲經濟擴張造成的高強度跨國管線的建設與使用問題，因而高等級管線鋼的焊接也成為關注的焦點之一[1-4]。高強度管線鋼一般指屈服強度大于500 MPa的超低碳、微合金細晶粒管線鋼，如X80、X90、X100、X120高強度管線鋼，其主要微觀組織為針狀鐵素體/貝氏體。這類鋼焊接存在的主要問題是焊接氫致裂紋、焊接熱影響區局部脆化、軟化及韌性下降，焊接接頭的疲勞等[5-7]。在實際應用中，高強度管線鋼焊接的主要目標是：焊接接頭處獲得較高的強度和韌性，避免產生冷裂紋及各種缺陷，能夠達到實際應用要求[8-9]。本研究主要針對X80～X120高強度管線鋼的焊接性影響因素進行較為詳盡的分析。

1 X80～X120高強管線鋼焊接冷裂紋產生原因、影響因素及防止措施

1.1 冷裂紋產生原因

高強度管線鋼焊接冷裂紋一般發生在焊接接頭的熱影響區，主要與被焊鋼種的淬硬傾向、焊接接頭的含氫量及分布、接頭所受的拘束應力狀態3個因素相關[6-7]。高強度管線鋼在焊接時處于淬硬狀態，近焊縫區的加熱溫度很高，使奧氏體晶粒嚴重長大；當快速冷卻時，粗大的奧氏體將轉變為粗大的馬氏體；馬氏體屬脆硬組織，因此，當焊接接頭存在馬氏體組織時，裂紋易于產生和擴展[8]。另外，焊接過程中，由于熱源的高溫作用，焊縫中溶解了較多的氫，當焊縫由奧氏體轉變為鐵素體、珠光體等組織時，氫的溶解度急劇下降，而氫在鐵素體等組織中的擴散速度很快，因此氫就很快地從焊縫向熱影響區擴散。由于氫在奧氏體中的擴散速度較小，不能很快地擴散到母材中，因而就在熔合線附近形成富氫區域；同時，滯后相變的熱影響區由奧氏體向馬氏體轉變時，氫就會在馬氏體中以過飽和狀態殘留，使熱影響區進一步脆化[9]。如果熱影響區存在缺陷，且氫含量較高，就可能產生冷裂紋；其次，由于焊接過程中接頭存在較大的拘束應力，當拘束應力大于接頭臨界應力時，也會出現裂紋。

1.2 冷裂紋影響因素

1.2.1 淬硬傾向

高強度管線鋼焊接冷裂紋的產生與接頭組織的淬硬傾向密切相關，接頭組織淬硬傾向越大，焊接時的冷裂傾向越大。高強度管線鋼在焊接過程所產生的各種顯微組織對冷裂紋的敏感性區別很大。各種顯微組織對裂紋的敏感性由弱到強的順序依次為：F/P→BL（下貝氏體）→ML（低碳馬氏體）→BH（上貝氏體）→Bg（粒狀貝氏體）→Mr（高碳孿晶馬氏體）。淬硬馬氏體組織對冷裂紋最為敏感；淬硬馬氏體數量越多，冷裂傾向越大[10]。主要是因為馬氏體中碳在α鐵中處于過飽和狀態，晶格畸變大，處于硬化狀態，焊接時近縫區的奧氏體易粗化，冷卻時會轉變為粗大的馬氏體；在形成淬硬馬氏體的同時，伴隨產生大量的晶格缺陷，這兩個方面同時作用，就會產生冷裂紋[11]。

鋼在焊接過程中產生冷裂紋的另一個主要因素是氫的擴散與溢出。焊接過程中，焊縫中若溶解了大量的氫，在冷卻過程中氫不能夠及時溢出而滯留在過飽和固溶的馬氏體中，促使組織進一步脆化，若此處還存在應力集中，冷裂紋便會出現。接頭中擴散氫含量越多，冷裂傾向越大。擴散氫對冷裂紋的產生和裂紋擴展起重要作用[12-13]。

1.2.2 接頭拘束應力

焊接接頭中僅存在脆硬組織和氫，而無應力存在時，一般來講高強度管線鋼也不會產生冷裂紋。某些情況下，焊接接頭所處的拘束應力狀態對冷裂紋的產生起著決定性作用[14]。不同焊接結構所處的拘束狀態不同，焊接過程中產生的拘束應力也就不同；一般來講，焊接鋼種的板厚越大，所造成的拘束度也越大，產生冷裂紋的傾向越大。焊接接頭所承受的拘束應力主要包括因非均勻熱輸入造成的熱應力和因相變產生的組織應力以及因剛性約束條件、焊接結構自重、工作載荷等引起的外拘束應力；當拘束應力超過焊接接頭的臨界拘束應力值時，就會引起開裂[15-17]。

1.2.3 焊接工藝對冷裂紋的影響

實際應用中，施工所采用的焊接工藝如焊接線能量、焊前預熱等對冷裂紋的敏感性均有不同程度的影響。焊接線能量過大會引起熱影響區過熱，促使晶粒粗化，降低接頭的抗裂性能；線能量過小，冷卻時間減少，會使熱影響區淬硬，不利于擴散氫的溢出，也增加了冷裂紋傾向。合理的預熱可以有效防止冷裂紋的產生。如果預熱溫度過高，會使勞動條件惡化；局部預熱會產生附加應力，因此預熱不當反而會加劇冷裂紋的產生，因此需慎重選擇預熱來降低冷裂紋傾向。

1.3 冷裂紋防止措施

1.3.1 焊前預熱及焊后保溫

焊接高強度管線鋼時，焊前預熱對于對接焊縫和根部焊道非常重要，焊接過程中和焊后的溫度越高，擴散氫就越容易從焊縫中溢出；焊接鋼材的板厚和級別越大，預熱的必要性也越大。預熱可以補償厚板焊接時其較快的冷卻速度，而且厚板比薄板的碳當量要大。同時，預熱對形成冷裂紋的三要素均能產生不同程度的影響：預熱可降低焊接冷卻速度，從而降低焊接接頭組織淬硬傾向；預熱可促進接頭中擴散氫的溢出；適當預熱可減緩焊接接頭的應力集中程度；預熱溫度、時間與母材的化學成分、熔敷材料的氫含量和結構厚度等因素有關，目前已經建立了很多確定預熱溫度的計算公式[18-19]。如果不同鋼種的焊接或所用焊材的碳當量比母材高，則預熱溫度應以碳當量高的母材或焊材的碳當量來決定。實際應用中，也可以根據構件的碳當量、氫含量和板厚來估算所焊鋼種的冷裂紋的敏感性。

式中：Pw—裂紋敏感指數；

Pcm—碳當量；

R—拘束度。

根據Pw可確定避免冷裂紋所需的預熱溫度

冷裂紋又稱氫致延遲裂紋，一般在焊后幾分鐘或一段時間后才會出現，因此在發生裂紋之前及時進行焊后保溫，也能有效抑制冷裂紋的發生。高強度管線鋼在焊后采取及時保溫，可促使擴散氫的進一步溢出，同時可一定程度上提高熱影響區和焊縫組織的韌性，降低殘余應力，避免冷裂缺陷產生。

1.3.2 降低含氫量

防止冷裂紋的另一個重要措施就是降低焊縫的含氫量。焊材在使用前必須經過烘焙，針對不同類型的焊接材料要根據相應的標準對焊材進行烘焙和保溫；普通低氫型焊條進行350℃烘焙，超低氫型焊條應在400～450℃保溫2 h，并妥善置于保溫箱（筒）保存。使用優質的超低氫或低氫焊材也是控制冷裂紋發生的重要措施[11]。

采用具有一定氧化性的保護氣氛也可降低焊接接頭中的含氫量。對某些淬硬傾向較大的高強度管線鋼可用奧氏體焊條進行焊接，因為奧氏體可固溶較多的氫，抑制了氫的擴散，也就減小了冷裂紋產生的傾向[8,15]。此外，應對焊絲、坡口附近的鐵銹、油污等進行清理，減少氫來源，也可降低冷裂紋產生的幾率。高強度管線鋼在焊接完成后立即將接頭加熱到150～250℃進行消氫處理，確保焊接接頭中的殘余氫擴散溢出，也可減少接頭產生冷裂紋。

1.3.3 降低拘束應力

為了降低高強度管線鋼焊接接頭的冷裂紋傾向，在設計焊接結構時，必須盡量減小接頭的拘束程度，施焊時盡量避免形成各種缺口，降低應力集中程度。適當加入某些合金元素，提高焊縫金屬的韌性和塑性，可減緩拘束應力，降低了HAZ產生冷裂紋的危險。如果采用強度比母材低的低匹配焊材，同樣可改善焊縫的塑性，也可減小高強度管線鋼焊接接頭承受的拘束應力，降低冷裂紋傾向[6,8,11]。

2 高強度管線鋼的HAZ軟化及脆化

2.1 高強度管線鋼的HAZ軟化

X80～X120管線鋼一般是通過TMCP工藝進行制造，顯微組織主要為貝氏體/鐵素體組織，晶粒細小，在焊接熱循環作用下HAZ會發生相變、再結晶、晶粒粗化等現象，使焊縫強度下降，產生軟化。有學者[20]認為硬度是冷裂敏感性指數和熱輸入的函數，硬度隨冷裂指數增加而增加，熱輸入越大，HAZ硬度越低，軟化越嚴重。X80級以下的管線鋼軟化現象并不顯著，但X80以上級別比較明顯，特別是制管的縱向焊縫焊接由熱輸入較大的多絲埋弧焊接而成，軟化更為明顯。德國試制的X100焊管在接頭橫向拉伸試驗中就發現HAZ的斷裂現象[20-21]。

研究表明，焊接線能量對HAZ軟化有很大影響。焊接線能量越大，軟化區就越寬。為了控制軟化區寬度，日本開發了超窄間隙氣體保護焊。另外，母材強度及成分對HAZ軟化也有一定的影響， 含鈮（Nb）、釩（V）、 鈦（Ti）等微合金元素時軟化區寬度也會更窄一些[1]。

為了獲得良好的韌性，除了合理的控制C、Mn、Si、S、P、Ti及B元素外，還必須嚴格控制O和N的含量，在針狀鐵素體系統內控制w（O）在0.02%左右，必須采用更高堿度焊劑。如果使用附加氬氣進行保護，即可降低焊縫含N量，韌性可進一步提高。選用較高堿度的焊劑或附加氬氣保護是保證焊縫與母材等韌性的一種有效措施。

同時，對于X80級以上高強度管線鋼，其要求具有足夠強度和變形能力，對于縱向屈服強度和抗拉強度有較高的要求，如果焊接過程中由于焊后冷卻速度低于軋制冷卻期間的冷卻速度，也會造成軟化現象，使得管道的強度降低。因此，還可以采用補強覆蓋焊接法，通過增加蓋面焊縫的寬度和余高來改變軟化帶的形狀和方向，在焊接過程中通過補強來保證焊接接頭拉伸試樣全部斷裂在母材位置[22]。

2.2 高強度管線鋼的HAZ脆化

高強度管線鋼焊接的另一個主要問題就是HAZ的脆化，一旦形成HAZ脆化就會對結構件的安全性帶來嚴重影響。焊接熱影響區脆化往往是造成管線鋼發生斷裂，誘發災難性事故的根源。局部脆化主要是指熱影響區粗晶區的脆化，這是由于過熱區的晶粒過度長大以及形成的不良組織引起的；多層焊時，粗晶區會發生再臨界脆化，即前焊道的粗晶區受后續焊道的兩相區的再次加熱引起的。這可以通過在鋼中加入一定量的Ti和Nb微合金化元素和控制焊后冷卻速度獲得合適的t8/5來改善韌性[23]。

大量研究結果表明，高強度管線鋼的HAZ局部脆化主要包括熱影響區粗晶區脆化和臨界粗晶區脆化。其中熱影響區粗晶區脆化主要是由晶粒粗大及脆硬性非平衡組織造成的，為防止其產生，一般應嚴格控制焊接線能量，采用預熱、后熱等工藝措施[16]。

臨界粗晶區脆化一般發生在被焊母材板厚或壁厚較大，必須進行多層多道焊時。對于高強度管線鋼來講，雙面焊或多道焊的臨界粗晶區局部脆化的韌性損失一般為60%～70%。為了避免臨界粗晶區脆化而影響焊接結構的使用，焊后一般要進行不完全回火處理來打斷非平衡組織在快速加熱冷卻過程中的位相繼承關系，即可消除臨界粗晶區脆化的發生。

3 高強度管線鋼的焊縫與管材的強韌匹配

X80～X120高強度管線鋼焊接性的另一個影響因素是其焊接接頭的強韌性匹配，因此保證高強度管線鋼焊縫金屬具有足夠的韌性是非常重要的。美國天然氣協會研究表明，焊縫金屬及管材屈服強度的差別是防止由焊縫金屬缺陷引起嚴重塑性變形的重要因素[24]。根據母材與焊縫金屬屈服強度之間的關系，傳統上焊接接頭強度匹配一般分為高強匹配、等強匹配和低強匹配三類。研究發現，低強匹配的接頭更容易產生塑性變形，而高強匹配的焊接接頭產生塑性變形所需的能量更大，這是由于焊縫強度不同變形難易程度不同而造成的[25]。

高強度管線鋼采用低匹配焊接接頭，其塑性變形區小，屈服和塑性變形主要由焊縫金屬來承擔，裂紋尖端應力集中嚴重，在較低裂紋擴展驅動力下裂紋就會發生擴展；焊縫若存在裂紋，接頭在承受較低外載荷下就會擴展斷裂。

高強度管線鋼采用高匹配焊接接頭，結構發生屈服和塑性變形時由焊縫和母材金屬承擔，因此塑性區較大，裂紋尖端應力程度降低；同時，在高匹配條件下，焊縫金屬受到軟質母材保護而不發生變形，因而焊縫上存在裂紋或類裂紋時，焊縫金屬容易獲得全面屈服。

大量研究表明，X80～X120管線鋼如果采用高強或等強匹配原則選用較高組配的焊接接頭，焊縫的韌性會進一步下降，可能會導致因焊縫金屬韌性不足而引起低應力脆性破壞[9,16,26]。因此，X80～X120管線鋼的焊接接頭應采用等韌性原則，使焊縫韌性不低于基體金屬低匹配焊接接頭時的強韌性為最宜。

4 高強度管線鋼焊接工藝分析

X80～X120高強度管線鋼焊接冷裂紋、熱影響區脆化軟化所導致的熱影響區韌性下降是其在實際應用中的主要問題，因此需要選擇合理的工藝來防止。

焊接工藝一般包括制定施工程序、選擇焊接線能量和預熱溫度、焊后加熱以及焊后熱處理等。為改善高強度管線鋼結構的應力狀態，應合理地分布焊縫的位置和施焊的順序。采用多層焊可以改善焊縫及HAZ的組織，但要嚴格控制層間溫度不低于預熱溫度，以免產生冷裂紋和對接頭的強韌性造成不利的影響[4,16]。

高強度管線鋼應在選擇含氫量低的焊接方法的同時嚴格控制焊接線能量，控制t8/5的冷卻時間以得到合理的焊縫金屬組織。常用焊接方法熱輸入量可根據式（3）計算。

式中：Q—焊接熱輸入，kJ/mm；

U—電壓，V；

I—焊接電流，A；

v—焊接速度，mm/min；

η—電弧熱效率。

焊接時如果熱輸入過小，焊縫會出現脆硬第二相組織，強度、硬度有所提高，但接頭的韌性會大大下降，所以焊接時焊條電弧焊的熱輸入不應超過25 kJ/cm，半自動焊的熱輸入不應超過20 kJ/cm。常用焊接方法電弧效率及焊縫氫含量見表1[8]。

表1 常用焊接方法電弧效率及焊縫含氫量

此外，焊接工藝的一個重要方面就是焊前準備。高強度管線鋼在焊接前要仔細清理焊件坡口周圍及焊絲表面的油銹、水分等雜質，嚴格執行焊條的保存制度；避免在穿堂風、低溫環境下施焊，否則應采取特殊措施進行防護，如采用擋風和進一步提高預熱溫度等措施；同時應根據相關標準對焊件和焊條進行合適溫度的預熱[23]。

5 結 論

（1）影響X80～X120高強度管線鋼焊接性的主要因素是冷裂紋及熱影響區脆化、軟化及接頭韌性下降。

（2）高強度管線鋼焊接時，為防止冷裂及其他缺陷的產生，應選用等韌性原則來選用接頭的匹配，以此來保證焊接接頭具有足夠的韌性，滿足實際需要。

（3）高強度管線鋼的焊接需要制定合理的焊接工藝，選擇合理的焊接參數，合適的預熱溫度、含氫量較小的焊接材料、合理的焊接熱輸入等對其焊接性至關重要。

[1]熊林玉，杜則裕，董麗紅，等.高強度X80鋼管道的焊接[J].石油工程建設，2004，30（2）：31-34.

[2]HILLENBRAND H G，LIESSEM A，KNAUFG， et al.Development of large-diameter pipe in grade X100[C]//Pipeline Technology Conference.Brugge,Belgium：[s.n.]，2000：15-18.

[3]DEMOFONTI G，MANNUCCI G，SPINELLI C M，et al.Large diameter X100 gas linepipes:fracture propagation evaluation by full-scale burst test[C]//Proceedings of the 3 rd Int.Pipeline Techn.Conf.2000：21-24.

[4]HILLENBRAND G，NIEDERHOFFK A，HAUCK G，et al.Procedures,considerations for welding X80 line pipe established[J].Oil and Gas Journal，1997，95（37）：47-56.

[5]DU L，ZHAO Y，LIU X.Microstructure characteristics and mechanical properties of X80 pipeline steels[J].Journal of Wuhan University of Technology-Mater，2012，27（2）:252-255.

[6]WANG P Y，MOU Z Y.Study on the weldability of X100 pipeline steel on scene[J].Advanced Materials Research，2013（753-755）：343-352.

[7]THEWLIS G.Weldability of X100 linepipe[J].Science and Technology of Welding and joining，2000，5（6）：365-377.

[8]任芝蘭.超高強度鋼的焊接分析[J].特種設備安全技術，2008（2）：1-4.

[9]王曉香.超高強度管線鋼管研發新進展[J].焊管，2010（2）：5-12.

[10]周振封.焊接冶金學（金屬焊接性）[M].北京：機械工業出版社，1995.

[11]徐達.外加電磁場控制焊接變形及冷裂紋研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

[12]DONG C F，LIU Z Y，LI X G，et al.Effects of hydrogencharging on the susceptibility of X100 pipeline steel to hydrogen-induced cracking[J].International journal of hydrogen energy，2009，34（24）：9879-9884.

[13]XUE H B，CHENG Y F.Characterization of inclusions of X80 pipeline steel and its correlation with hydrogeninduced cracking[J].Corrosion science，2011，53（4）：1201-1208.

[14]REDDY G M，MOHANDAS T，SARMA D S.Cold cracking studies on low alloy steel weldments:effect of filler metal composition[J].Science and Technology of Welding&Joining，2003，8（6）：407-414.

[15]李亞江.焊接冶金學 材料焊接性[M].北京：機械工業出版社，2006.

[16]高惠臨.管線鋼與管線鋼管[M].北京：中國石化出版社，2012：164-179.

[17]LANCASTER J F.Metallurgy of Welding[M].Netherlands：Elsevier,1999.

[18]ATKINS G，THIESSEN D，NISSLEY N，et al.Welding process effects in weldability testing of steels[J].Welding Research，2002（4）： 61-68.

[19]YURIOKA N，KASUYA T.A chart method to determine necessary preheat temperature in steel welding[J].Quarterly Journal of the Japan Welding Society，1995，13（3）：347-357.

[20]ZAJAC S，SCHWINN V，TACKE K H.Characterisation and quantification of complex bainitic microstructures in high and ultra-high strength linepipe steels[J].Materials Science Forum，2005（500-501）：387-394.

[21]錢百年，國旭明，李晶麗，等.高強度管線鋼X80的焊接研究[J].焊接，2002（8）：14-17.

[22]王利敏.西氣東輸二線管道X80管線鋼焊接技術探究[J].經營管理者，2010（16）：385-386.

[23]薛振奎，隋永莉.國內外油氣管道焊接施工現狀與展望[J].焊接技術，2001（S2）：16-18.

[24]杜則裕.高強度級別管線鋼的焊接[C]//石油工程焊接技術交流及焊接設備焊接材料應用研討會論文專刊.北京：中國石油工程建設協會，2004：4-6.

[25]莊傳晶，李云龍，馮耀榮，等.高強度管線鋼環焊縫強度匹配對管道性能的影響[J].理化檢驗 物理分冊，2004，40（8）：383-386.

[26]王國麗，管偉，韓景寬，等.X100、X90管線鋼管在高壓輸氣管道中應用的方案研究[J].石油規劃設計，2015，26（2）：1-6.

Influence Factors Analysis of High Strength Pipeline Steel Weldability

ZHENG Genggeng,XU Xueli,WANG Hongduo
（School of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China）

TG457.1

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.01.007

2016-09-14

編輯：黃蔚莉

鄭梗梗（1991—），男，陜西咸陽人，碩士，主要研究方向為金屬材料的焊接性。