基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的X70鋼管軟化及脆化研究

靳海成，張金喜，王國(guó)兵，馮大勇

（1.中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，河北 廊坊065000；2.中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北 廊坊065000；3.中國(guó)石油管道局工程有限公司第五分公司，河北 廊坊065000）

基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的X70鋼管軟化及脆化研究

靳海成1，張金喜2，王國(guó)兵3，馮大勇1

（1.中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，河北 廊坊065000；2.中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北 廊坊065000；3.中國(guó)石油管道局工程有限公司第五分公司，河北 廊坊065000）

為了研究基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的X70鋼管在焊接熱循環(huán)作用下熱影響區(qū)軟化和脆化現(xiàn)象，采用焊接熱模擬試驗(yàn)、系列溫度沖擊試驗(yàn)及硬度檢測(cè)等方法，分析了焊接接頭熱影響區(qū)組織形成、低溫沖擊韌性和軟化程度大小的影響因素。研究結(jié)果表明，X70大變形鋼焊接熱影響區(qū)的脆化現(xiàn)象不明顯，但存在不同程度的軟化現(xiàn)象，填充層硬度最大降低10%，蓋面層硬度最大降低11.6%。通過(guò)對(duì)焊縫的補(bǔ)強(qiáng)覆蓋焊接增大了焊縫余高的寬度和高度，解決了焊縫熱影響區(qū)的軟化的問(wèn)題。

焊接；X70鋼管；基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)；大變形鋼；焊縫；軟化；脆化

長(zhǎng)輸管線在建設(shè)過(guò)程中往往途經(jīng)滑坡、地質(zhì)沉降及凍土等環(huán)境惡劣地區(qū)。在這些區(qū)域敷設(shè)管道，地質(zhì)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致管道發(fā)生大的變形，因此，要求鋼管應(yīng)具有足夠大的抗變形能力來(lái)承受整體和局部的變形。基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的大變形鋼管具有較低的屈強(qiáng)比及大的塑性變形能力，能適應(yīng)環(huán)境惡劣地區(qū)的要求。因此，長(zhǎng)距離管線采用高強(qiáng)度大變形鋼管是一種有效的措施。但高強(qiáng)度大變形管線鋼管在焊接熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)可能會(huì)存在不同程度的軟化和脆化現(xiàn)象，降低了大變形鋼的均勻變形能力，本研究針對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了研究。

1 焊接接頭脆化研究

為了保證大的均勻延伸率，基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的X70大變形鋼管設(shè)計(jì)為雙相組織（鐵素體+貝氏體）其微觀形貌如圖1所示。母材熱影響區(qū)上各點(diǎn)距焊縫的遠(yuǎn)近不同，受到的焊接熱循環(huán)不同，就會(huì)出現(xiàn)不同的組織，具有不同的性能。對(duì)于蓋面層的單道焊，根據(jù)峰值溫度，HAZ可劃分為粗晶區(qū) （GCHAZ）、細(xì)晶區(qū)（GRHAZ）、中間臨界區(qū)（ICHAZ）和亞臨界區(qū)（SCHAZ）4 個(gè)區(qū)域。

圖1 X70大變形鋼管顯微組織照片

對(duì)于多道焊，第二道焊縫的HAZ與第一道焊縫的HAZ相互重疊，在第一道焊縫的HAZ中形成部分或完全再熱區(qū)。再熱粗晶區(qū)大致可分為4個(gè)區(qū)域：未變粗晶熱影響區(qū)（UACGHAZ）、亞臨界再熱粗晶區(qū)（SCCGHAZ）、中間臨界再熱粗晶區(qū)（ICGCHAZ ）和亞臨界粗晶區(qū)（SCGHAZ）。

本研究采用焊接熱模擬技術(shù)，通過(guò)對(duì)環(huán)焊焊接接頭不同區(qū)域組織分析，發(fā)現(xiàn)焊接熱影響區(qū)的CGHAZ和ICGCHAZ性能相對(duì)較差。通過(guò)熱模擬試驗(yàn)分析大變形鋼多層焊時(shí)焊接熱輸入對(duì)材料的組織和低溫性能的影響，從而為優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，提高焊接接頭的低溫韌性，保證基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)大變形鋼管的安全運(yùn)行提供參考依據(jù)。

熱模擬試驗(yàn)峰值溫度為1 350℃時(shí)，GCHAZ在t8/5=5 s和t8/5=10 s條件下的系列溫度夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，t8/5=5 s條件下，－40℃時(shí)，粗晶熱影響區(qū)具有較好的沖擊韌性，但－60℃時(shí)，沖擊韌性明顯下降。t8/5=10 s條件下，－20℃時(shí)，焊接熱影響區(qū)仍具有較好的沖擊韌性，但－40℃時(shí)，沖擊韌性明顯下降，但仍然較高。

表1 GCHAZ不同t8/5條件下的系列溫度夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

GCHAZ在 t8/5=5 s和t8/5=10 s條件下顯微組織照片如圖2所示。從圖2可以看出，t8/5=5 s時(shí)，其組織為粒狀貝氏體；t8/5=10 s時(shí)，其組織為鐵素體+粒狀貝氏體，且晶粒明顯長(zhǎng)大。

圖2 GCHAZ在不同t8/5下的顯微組織照片

不同t8/5條件下，系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，－40℃以上時(shí)熱影響區(qū)均具有較高的沖擊韌性，可見(jiàn)X70大變形鋼的焊接熱影響區(qū)脆化現(xiàn)象不嚴(yán)重。

2 焊接接頭軟化研究

大變形鋼管在焊接過(guò)程熱作用下，焊接熱影響區(qū)存在不同程度的軟化現(xiàn)象，焊接接頭的軟化造成焊縫在受到拉應(yīng)力作用時(shí)，軟化區(qū)很容易出現(xiàn)集中變形，并在變形區(qū)發(fā)生斷裂，從而降低了大變形鋼管的均勻變形能力。

焊接熱影響區(qū)的軟化程度多用軟化系數(shù)表示，可通過(guò)硬度降低的百分比來(lái)測(cè)定。因此，焊接接頭的軟化程度可以采用系列硬度法來(lái)檢測(cè)。不同焊接工藝條件下的系列硬度分布如圖3所示，不同制管廠的軟化工藝及不同焊層的硬度降低比見(jiàn)表2。

圖3 不同焊接工藝條件下的系列硬度分布

表2 焊接接頭的軟化工藝及不同焊層的硬度降低比

由表2和圖3可知，1#和2#試樣為同一制管廠、不同焊接工藝下的焊接試樣，系列硬度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 3（a）～圖 3（f）。 可見(jiàn)， 1#工藝根焊層熱影響區(qū)硬度降低22.7%，填充層降低6.7%，蓋面層降低6.6%；2#工藝根焊層降低11.1%、填充層降低6.6%，蓋面層降低不明顯。對(duì)比來(lái)看，1#工藝的軟化更為嚴(yán)重。從焊接工藝角度分析，1#工藝為半自動(dòng)焊工藝，其焊接熱輸入整體比2#工藝的焊條電弧焊工藝大，其軟化也相對(duì)更為嚴(yán)重。

1#試樣、3#試樣和4#試樣為不同制管廠、相同焊接工藝下的焊接試樣，系列硬度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 3（a）～圖 3（c）和圖 3（g）～圖 3（l）。 對(duì)比表 2中3種鋼管不同焊層的硬度降低比例，可以看出，A廠和C廠鋼管的軟化較為嚴(yán)重，B廠鋼管相對(duì)較輕。在焊接工藝一定的條件下，焊接接頭的軟化與鋼管本身的合金體系、顯微組織、晶粒尺寸、軋制工藝等有關(guān)，因此，從工程應(yīng)用的角度看，鋼管的生產(chǎn)應(yīng)從合金體系的設(shè)計(jì)及軋制工藝等全過(guò)程考慮焊接接頭熱影響區(qū)軟化的情況，通過(guò)合金體系及軋制工藝減少鋼對(duì)焊接熱的敏感性。

通過(guò)系列硬度試驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同焊接工藝下、不同鋼廠的大變形鋼管，其熱影響區(qū)均存在一定的軟化現(xiàn)象，這會(huì)造成在軟化區(qū)出現(xiàn)集中變形，進(jìn)而影響大變形鋼管的整體均勻變形。

一組拉伸試樣的照片如圖4所示，由圖4可見(jiàn)，焊接接頭的斷裂位置均在軟化區(qū)內(nèi)。

圖4 軟化區(qū)斷裂的拉伸試樣

為了解決軟化問(wèn)題，開(kāi)展了幾何補(bǔ)強(qiáng)的相關(guān)研究。幾何補(bǔ)強(qiáng)覆蓋焊接法就是通過(guò)對(duì)焊接余高進(jìn)行加寬和加高，改變軟化區(qū)的形狀和尺寸，如圖5所示。

圖5 幾何補(bǔ)強(qiáng)覆蓋焊接法示意圖

對(duì)軟化區(qū)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)覆蓋焊接后，蓋面焊縫增寬T/2，焊縫高度為h1=T/S。T為管道壁厚，h1為焊后焊縫高度，S為軟化系數(shù)。

對(duì)軟化區(qū)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)覆蓋焊接后，可以提升焊接接頭的抗斷裂能力，實(shí)現(xiàn)焊接接頭的高強(qiáng)匹配。通過(guò)補(bǔ)強(qiáng)覆蓋焊接可以實(shí)現(xiàn)自保護(hù)半自動(dòng)焊工藝在大變形鋼管焊接中的應(yīng)用，提高現(xiàn)場(chǎng)的施工效率。

3 結(jié) 論

（1）基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的X70大變形鋼管組織為鐵素體+貝氏體，經(jīng)過(guò)t8/5=5 s的熱循環(huán)后，組織為粒狀貝氏體，t8/5=10 s的組織為鐵素體+貝氏體。－40℃時(shí)，仍具有較高的沖擊功，其脆化并不嚴(yán)重。

（2）系列硬度試驗(yàn)表明，X70大變形鋼管環(huán)焊接頭存在一定的軟化現(xiàn)象，填充層硬度最大降低10%，蓋面層硬度最大降低11.6%；幾何補(bǔ)強(qiáng)覆蓋法能夠解決拉伸斷裂在軟化區(qū)的問(wèn)題，提升了焊接接頭抗變形能力。

[1]靳海成，王俊紅，郭靜薇，等.基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的X80鋼管環(huán)焊技術(shù)研究[J].焊接，2012（4）：57-59.

[2]熊林玉，杜則裕，董麗紅，等.高強(qiáng)度X80鋼管道的焊接[J].石油工程建設(shè)，2004，32（2）：31-34．

[3]薛小懷，楊淑芳，吳魯海，等.X80管線鋼的研究進(jìn)展[J].上海金屬，2004，26（2）：45-49．

[4]卿穎，楊眉，晏利君，等.應(yīng)變時(shí)效對(duì)X70大變形鋼冷彎拉伸性能和組織的影響[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2014，35（12）：155-159.

[5]樊學(xué)華，李向陽(yáng)，董磊，等.國(guó)內(nèi)抗大變形管線鋼研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2015，34（3）：236-240.

[6]牛靖，陳宏遠(yuǎn)，劉甲，等.X70大變形鋼焊接接頭熱影響區(qū)軟化及其影響研究[J].熱加工工藝，2016（21）：176-179.

[7]湯忖江，尚成嘉，關(guān)海龍，等.大變形管線鋼中F/B多相組織應(yīng)變硬化行為和應(yīng)力比研究[J].材料研究學(xué)報(bào)，2016（6）：409-417.

[8]馬晶，張驍勇，高惠臨.B＋M/A復(fù)相組織X80大變形管線鋼的預(yù)應(yīng)變脆化[J].機(jī)械工程材料，2016（12）：26-31.[9]王偉，嚴(yán)偉，胡平，等.抗大變形管線鋼的研究進(jìn)展[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2011，23（2）：1-7.

[10]王國(guó)麗，韓景寬，趙忠德，等.基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法在管道工程建設(shè)中的應(yīng)用研究[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2011，22（5）：1-6.

Study on the Softening and Embrittlement of Strain-based Design X70 Steel Pipe

JIN Haicheng1， ZHANG Jinxi2， WANG Guobing3， FENG Dayong1
（1.China Petroleum and Natural Gas Pipeline Science Research Institute Co.,Ltd.,Langfang 065000， Hebei，China；2.International Business Division of China Petroleum Pipeline Bureau Engineering Co.,Ltd.,Langfang 065000，Hebei，China；3.No.5 Branch Company of China Petroleum Pipeline Bureau Engineering Co.,Ltd.,Langfang 065000，Hebei，China）

In order to find the reason of softening and embrittlement of strain-based design X70 steel pipe,using the methods of welding thermal simulation test,series temperature impact test,hardness measurement and so on,it analyzed the heat affected zone microstructure formation of welded joint,low temperature impact toughness and the influence factors of softening degree.The research results indicated that the embrittlement of the thermal influence zone of X70 large deformation steel welding heat affected zone was not obvious,but existed different degrees softening phenomenon,the hardness of the filling layer was reduced by 10%,and the hardness of the cover layer decreased by 11.6%.The width and height of welds were increased by the welding of weld reinforcement,which solved the softening problem of weld heat affected area.

welding； X70 steel pipe； strain-based design；large deformation steel； weld； softening； embrittlement

TG407

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.09.003

靳海成（1977—），男，高級(jí)工程師，主要從事長(zhǎng)輸管道與儲(chǔ)罐工程焊接技術(shù)研究、焊接工藝及設(shè)備評(píng)價(jià)、材料性能測(cè)試工作。

2017-05-04

編輯：李紅麗