焊接熱輸入對CMT打底焊接頭組織與性能的影響

孫有輝，劉永貞，欒陳杰，楊曉飛，李子軒，畢曉健

海洋石油工程股份有限公司 天津 300452

1 序言

鋼質懸鏈線立管（SCR）由標準長度的焊接鋼管制造而成，憑借其低成本和適應高溫高壓介質環境的特點成為深海石油資源運輸的首選結構[1]。然而，作為SCR的最薄弱環節，立管的焊接接頭中易出現較大的應力集中、殘余應力，以及微觀組織不均勻等缺陷，使管線鋼焊接接頭成為了最易失效的位置。

應力腐蝕開裂（SCC）是指油氣運輸管道在使用過程中，管道內外腐蝕介質與拉應力相互作用所產生的腐蝕或斷裂問題[2]。當前越來越多的油氣資源中含有H2S氣體，一般來說H2S氣體沒有很強的腐蝕性，但其極易溶于水中形成酸性溶液，造成管線應力腐蝕開裂（SSCC）[3]。管道一旦發生應力腐蝕開裂，就會導致油氣泄漏并造成嚴重的人員傷亡。目前，X65管線鋼是我國酸性環境中使用的主要管材，其憑借良好的抗變形性與韌性在海底石油天然氣運輸中得到了廣泛應用。有關研究表明[4]，焊接接頭的粗晶熱影響區（CGHAZ）是焊接接頭最薄弱的區域，且CGHAZ的硬度偏大、應力腐蝕敏感性偏高，極易導致應力腐蝕開裂，而焊接熱輸入對焊接粗晶區的組織形貌及性能有很大影響。

冷金屬過渡（CMT）采用自動焊絲回抽技術，熔滴過渡形式如圖1所示，具有熱輸入小、電弧控制穩定和焊接效率高等特點，有學者提出采用CMT打底焊的方法對管道進行焊接，能夠顯著改善接頭的成形質量，得到良好的焊接效果[5]。另有研究表明，CMT打底焊可以通過降低根部應力集中、改善微觀組織結構的方式提高焊接接頭的疲勞性能，但由于CMT熱輸入較低，所以夾雜物在焊接過程中不能及時析出，這導致了焊接接頭打底層有著更高的硬度，也意味著CMT打底焊接頭更容易發生硫化氫應力腐蝕開裂行為。

圖1 CMT工藝熔滴過渡形式[5]

本文通過提高CMT打底焊的熱輸入，對不同熱輸入的焊接試樣進行組織觀察、硬度檢測、硫化氫應力腐蝕開裂試驗，探究CMT打底焊接頭的失效機理，為制定合格的焊接工藝提供可靠依據。

2 試驗方案

2.1 焊接工藝

本試驗選用API X65管線鋼，主要成分見表1，其屈服強度為501MPa，抗拉強度為588MPa，伸長率為30%。CMT打底焊焊接參數見表2。

表1 X65母材的主要化學成分（質量分數） （%）

表2 CMT打底焊焊接參數

2.2 微觀組織觀察

對不同焊接熱輸入打底焊試樣的焊縫和CGHAZ進行微觀組織觀察。首先依次用粒度為240～2000目的砂紙將試樣打磨平整，之后將試樣在與劃痕垂直的方向上拋光至鏡面。拋光結束后用4%硝酸酒精溶液進行腐蝕，將試樣組織顯現出來，最后用ZEISS光學金相顯微鏡對5種熱輸入試樣的焊縫、熱影響區等部位進行金相觀察。

2.3 硬度檢測

通過HV-10CCD顯微硬度計對試樣的熱影響區、焊縫等區域進行硬度檢測，試驗力定為98kgf（1kgf＝9.8N），試驗力保持時間為15s。硬度檢測位置如圖2所示。

圖2 硬度檢測位置

2.4 硫化氫應力腐蝕開裂測試

按NACE TM 0177—2016《金屬在H2S 環境中耐硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂的實驗室測試標準試驗方法》進行硫化物應力開裂試驗，試驗溶液選用NACE TM0177—2016中Solution A規定的5%氯化鈉＋0.5%冰乙酸水溶液；設置試驗溫度為24℃；試驗周期為720h；試樣種類選用GB/T 4157—2017《金屬在硫化氫環境中抗硫化物應力開裂和應力腐蝕開裂的實驗室試驗方法》推薦的4點彎曲（FPB）試件，其形狀及尺寸如圖3所示。

圖3 4點彎曲（FPB）試件形狀及尺寸

3 結果與分析

3.1 微觀組織分析

常規熱輸入打底焊試樣的焊縫與CGHAZ顯微組織如圖4所示。由4圖可知，CMT打底焊縫的主要組織為粗大的先共析鐵素體包裹著細小的準多邊形鐵素體（QF）和針狀鐵素體（AF）。準多邊形鐵素體具有較高的位錯密度和亞結構，因此有較好的強度，同時具有優異的塑性變形能力；針狀鐵素體有大量高密度位錯，對氫脆有抑制作用，即可以降低材料的應力腐蝕敏感性。而CGHAZ的主要組織為粒狀貝氏體、板條貝氏體、M-A組元，粗大的粒狀貝氏體和板條貝氏體會增加材料的硬度和氫脆傾向，而M-A組元的存在會使材料的強度增加、韌性下降，且會提高材料的脆性和應力腐蝕敏感性。此外，M-A組元的存在容易產生應力集中的情況，從而成為潛在的裂紋源，對裂紋的萌生和發展有著促進作用，因此常規熱輸入下的CGHAZ具有較高的硫化氫應力腐蝕敏感性。

圖4 常規熱輸入打底焊試樣的焊縫與CGHAZ顯微組織

大熱輸入打底焊試樣焊縫與CGHAZ顯微組織如圖5所示。由圖5可知，大熱輸入下的焊縫組織與常規熱輸入下的焊縫組織相似，同樣由粗大的先共析鐵素體包裹著細小的準多邊形鐵素體和針狀鐵素體組成，因此有著良好的抗硫化氫應力腐蝕開裂能力。而CGHAZ組織示意圖中的貝氏體含量明顯減少、鐵素體含量明顯增多，這意味著相較于常規熱輸入下的CGHAZ組織，大熱輸入下的CGHAZ組織有著更好的抗硫化氫應力腐蝕開裂能力。

圖5 大熱輸入打底焊試樣焊縫與CGHAZ顯微組織

3.2 硬度檢測結果分析

對5種工藝按照圖2進行硬度檢測，結果見表3。硬度分布如圖6所示。NACE MR0175/ISO15156：2009《石油和天然氣工業——用于石油和天然氣生產中含硫化氫環境的材料》規定，在酸性硫化氫環境中的金屬硬度應＜248HV10，由此可判斷熱影響區的硬度是否符合要求。由表3可知，大熱輸入下兩種打底試樣硬度均滿足標準規定，但3種常規熱輸入下的打底試樣硬度均不滿足要求。這是因為常規熱輸入焊接接頭的CGHAZ區域主要組織為貝氏體，而貝氏體的硬度高于鐵素體，這也導致了常規熱輸入打底試樣的高SSC敏感性。

表3 硬度檢測結果 （HV10）

圖6 各工藝下的顯微硬度分布

3.3 抗硫化氫應力腐蝕測試結果

分別對3組常規熱輸入試樣和2組大熱輸入試樣進行抗硫化氫應力腐蝕測試，結果如圖7所示。由圖7可知， 3組常規熱輸入試樣幾乎全部斷裂，斷裂位置大部分位于CGHAZ，這是因為該部位微觀組織主要為貝氏體和M-A組元，貝氏體容易捕獲氫并在外加應力的情況下導致氫脆失效，而M-A組元的存在容易產生應力集中的情況，從而成為潛在的裂紋源，對裂紋的萌生和擴展有一定的促進作用。此外，在圖7a中可觀察到不同程度的腐蝕坑，證明X65的H2S應力腐蝕失效是陽極溶解和氫脆共同作用的結果。而兩組大熱輸入試樣基本未斷裂，證明大輸入焊接接頭有更強的抗硫化氫應力腐蝕開裂能力。

4 結束語

通過對常規熱輸入的3組打底焊試樣和大熱輸入的2組打底焊試樣進行微觀組織分析、硬度檢測、硫化氫應力腐蝕試驗，得到如下結論。

1）常規熱輸入下的CMT打底焊CGHAZ組織主要為粒狀貝氏體、板條貝氏體和M-A組元，有較高硬度和應力腐蝕敏感性。

2）大熱輸入模式下的CMT打底焊CGHAZ組織主要為鐵素體和貝氏體，且相較于常規模式，大熱輸入模式下CGHAZ鐵素體含量明顯升高、貝氏體含量明顯降低。

3）貝氏體的存在會使組織硬度升高，抗硫化氫應力腐蝕開裂能力變差。

4）相較于CGHAZ，焊縫的微觀組織（AF、QF）有很強的抗硫化氫開裂能力，因此硫化氫應力腐蝕測試通常斷裂于CGHAZ處。

5）增大CMT打底焊熱輸入有助于協調組織，降低焊接接頭的應力腐蝕敏感性。

6）X65焊接接頭的硫化氫應力腐蝕失效是陽極溶解和氫脆共同作用的結果。