偏析對S690高強度無縫鋼管性能的影響

鄒文奇

[豪氏威馬(中國)有限公司, 漳州 363105]

S690高強度無縫鋼管具有高強度、高承載能力和優良的抗沖擊性能,被廣泛用于海上起重設備(浮吊和起重機)、風電安裝船、多功能鋪管船等海洋工程結構和裝備上。海洋結構的應用環境復雜,對其焊接接頭的力學性能,特別是低溫沖擊韌性的要求很高,因此無縫鋼管焊接接頭的質量控制成為保證結構的服役壽命和使用安全性的關鍵技術和核心問題[1-3]。

S690高強度無縫鋼管經過高溫穿孔、三錕斜軋、脫管及定徑等工序,再將其冷卻至室溫,由于缺乏更有效的組織和性能調控手段,熱軋態鋼管的成品合格率低[4]。對于壁厚較大的無縫鋼管,很難保證其顯微組織的均勻性,且容易產生成分偏析[5]。筆者開展了偏析對S690高強度無縫鋼管原材料性能及焊接工藝評定影響的分析。

1 偏析對S690高強度無縫鋼管性能的影響

材料為國產S690海洋工程用調制態高強度無縫鋼管,規格為660 mm×30 mm(外徑×壁厚),性能測試時的取樣位置如圖1所示。

圖1 性能測試取樣位置示意

1.1 化學成分分析

根據GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》,采用直讀光譜儀對無縫鋼管進行化學成分分析,測試位置包括外表面、中心和內表面,結果如表1所示。由表1可知:無縫鋼管的碳元素質量分數由外表面向內表面呈明顯遞增趨勢,且中心和內表面的碳元素質量分數超過企業規范要求;碳當量由外表面向內表面出現明顯遞增趨勢,且內表面的測試結果超過企業規范要求,碳當量的變化將顯著影響無縫鋼管的焊接性能。

表1 無縫鋼管的化學成分分析結果 %

1.2 拉伸及沖擊性能測試

根據GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》,對無縫鋼管進行拉伸性能測試,試驗對象為全厚度的弧形試樣,測試結果如表2所示,結果符合企業規范要求。根據GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》,對無縫鋼管進行沖擊性能測試,測試結果如表3所示。無縫鋼管的內、外表面沖擊吸收能量相差較大,且內表面-60 ℃的沖擊性能測試結果不符合企業要求。

表2 無縫鋼管的拉伸性能測試結果

表3 無縫鋼管的夏比擺錘沖擊性能測試結果

1.3 金相檢驗

無縫鋼管內表面、中心和外表面的顯微組織形貌如圖2所示。 S690高強度無縫鋼管經過調制處理后,組織為回火索氏體,內表面有明顯的帶狀偏析。相對內、外表面,無縫鋼管中心部位的組織更加粗大,這是因為在無縫鋼管錕軋過程中,內、外表面受力擠壓后發生明顯變形,晶粒明顯細化;中心距受力位置較遠,擠壓對組織晶粒度的影響相對較小。

2 焊接工藝評定

2.1 側彎試驗

在焊接接頭上截取橫向試樣,進行側彎試驗,彎心位于焊縫中心處,通過彎曲產生塑性變形,使焊接接頭的橫截面發生拉伸變形。通過側彎試驗可以暴露焊接缺陷和考核熔合線的焊接質量。根據LR船級社規范,在焊接無縫鋼管上取4個側彎試樣進行彎曲試驗,試驗后試樣焊接區域無裂紋及其他缺陷,滿足規范要求。

2.2 夏比擺錘沖擊試驗

夏比擺錘沖擊試驗取樣位置如圖3所示,通過沖擊試驗檢測焊接接頭的沖擊韌性和焊縫的抗裂紋敏感性。根據LR船級社規范進行-40 ℃的夏比擺錘沖擊試驗,測試結果如表4所示。根部熔合線的沖擊吸收能量不符合LR船級社規范要求(≥69 J)。

表4 無縫鋼管焊接接頭夏比擺錘沖擊試驗結果

圖3 夏比擺錘沖擊試驗取樣位置示意

2.3 橫向拉伸試驗

在焊接接頭上截取橫向試樣,對試樣進行橫向拉伸試驗,橫向拉伸試驗是衡量焊接接頭強度的重要指標。根據LR船級社規范,制取2個試樣進行試驗,測試結果如表5所示,由于焊材和母材是等強匹配,即使在焊接過程中存在合金元素重熔,焊縫強度依然高于母材,測試結果滿足LR船級社規范的要求(≥770 MPa)。

表5 無縫鋼管焊接接頭橫向拉伸試驗結果

2.4 硬度測試

對焊接試樣進行宏觀觀察,發現焊縫完全焊透,焊縫表面沒有看到明顯的缺陷。焊縫硬度測試位置如圖4所示,硬度測試結果滿足LR船級社規范要求(≤420 HV)。

圖4 焊縫硬度測試位置示意

2.5 焊縫的金相檢驗

對S690高強度無縫鋼管的焊接熱影響區進行金相檢驗,結果如圖5所示。蓋面焊縫粗晶區組織為馬氏體+少量貝氏體,焊縫根部粗晶區的組織為馬氏體+晶界析出粒狀貝氏體+少量魏氏體。受焊接電弧熱的強烈作用,焊縫粗晶區奧氏體晶粒急劇長大,形成晶粒粗大的組織。當焊接熱輸入量過大時,很高的冷卻速率導致焊縫粗晶區出現粗大的M-A組元(富碳馬氏體+殘余奧氏體)及魏氏體組織。焊縫根部熔合線附近同時有顆粒狀貝氏體沿晶界析出,導致粗晶區的沖擊韌性顯著降低[6-7]。

圖5 母材與焊縫界面顯微組織形貌

3 綜合分析

在S690高強度無縫鋼管的穿孔過程中,材料處于高溫狀態且在高速旋轉,組織容易形成帶狀分布,進而影響無縫鋼管的性能。無縫鋼管內表面存在明顯的帶狀偏析,導致內表面碳元素含量和碳當量均超過企業規范要求。碳元素是強間隙固溶元素,在鋼中加入碳元素對鋼有顯著的間隙固溶強化作用[8],可提高低合金高強度鋼的強度。鋼中的碳元素含量增加時,其屈服強度和抗拉強度升高,但塑性和沖擊韌性降低,焊接性能也會降低[9-10]。碳元素對鋼的淬硬及冷裂影響顯著,通常使用碳當量來估計低合金鋼的焊接冷裂敏感性。當碳當量大于0.6%時,鋼的焊接性較差,容易產生焊接冷裂紋,需要采取較高的預熱溫度和嚴格的工藝方法控制碳當量。內表面的帶狀偏析使S690高強度無縫鋼管內表面的碳當量達到0.641%,焊接時,焊接熱輸入較大,很高的冷卻速率導致根部粗晶區形成粗大的M-A組元及少量魏氏體組織,同時顆粒狀貝氏體沿晶界析出,材料的沖擊韌性顯著降低。

4 結論

(1) S690高強度無縫鋼管內表面存在明顯的帶狀偏析。

(2) 偏析使內表面的碳元素含量和碳當量超過規范要求,導致無縫鋼管內表面的沖擊吸收能量偏低。

(3) 偏析使焊接工藝中根部熔合線處形成粗大的M-A組元和魏氏體組織,同時顆粒狀貝氏體沿晶界析出,導致沖擊韌性明顯降低。