X120管線鋼環(huán)縫焊接技術發(fā)展

1、X120管線鋼環(huán)縫焊接技術發(fā)展摘要本文主要講述X120管線鋼環(huán)縫焊接技術發(fā)展。這種實芯脈沖熔化極氣體保護焊選用氬氣作為保護氣體保護以便于對焊接過程進行控制同時保證低氧和低氫含量。焊縫金屬組織根據(jù)冶金基本原理，通過對約二十根實驗焊絲和幾個具有工業(yè)規(guī)模的加熱絲的評估來驗證。實驗對焊縫金屬化學成分和保護氣體進行了優(yōu)化。改進后的組織為針狀鐵素體穿插在馬氏體內(AFIM)。透射電鏡是微觀組織結構和焊縫金屬的分析及設計的首選工具。關鍵詞焊接；管線鋼；高強度；韌性；微觀結構；馬氏體；針狀鐵素體引言在開發(fā)像X120鋼等更高強度管線鋼的過程中，一個重大的難題是能否研發(fā)出與現(xiàn)有管道施工方法相匹配的環(huán)縫焊接技術。成

2、功的高強度管線鋼環(huán)縫焊接的要求有有效的抗氫致開裂能力，良好的焊接生產率，在保證強度與韌性平衡的同時減少焊工的工作量。本文主要涉及到用于高強度、大直徑氣體管線鋼現(xiàn)場施工的環(huán)縫焊接技術的發(fā)展。各類管線鋼共同發(fā)展取得了不菲俄 成果，盡管關注重點是X120，但研究結果對X80和X100也同樣適用。本次焊接研究項目包含許多問題，但由于論文篇幅限制，本文只涵蓋主線主題環(huán)縫焊接。具體來講，本文主要包括焊縫金屬的冶金設計，焊接過程和參數(shù)的優(yōu)選以及候選焊絲的評估。焊絲的搭配、補焊、氫致裂紋和斷裂控制將是以后論文的主題。可以這樣說，焊絲的搭配和補焊程序已經(jīng)成熟，主線焊接技術需要預熱100，斷裂控制方法已由寬板彎曲

3、實驗驗證。實驗開始之前給出實驗所需幾條指導原則和目標特性：采用工業(yè)生產中能是焊縫性能一致、低擴散氫含量的焊接方法。合理設計焊接工藝，易于使用以免焊接熔池產生缺陷最低設計溫度:-20全焊縫金屬性能：屈服強度>828MPa，抗拉強度> 931 MPa, 最小伸長率 > 18%夏氏沖擊試驗：84J -30 °C, 韌性-脆性轉變溫度-50 °C裂紋尖端張開位移：0.13mm -20°C.管道流體：干燥氣體，無H2S-20° C 設計溫度表示在更低的溫度環(huán)境中應用的可能。夏氏沖擊試驗：84J -30°C的目標是海底管道系統(tǒng)

4、DnV Offshore 標準基于強度理論的延伸（見節(jié)C301和表6-3）。韌性-脆性轉變溫度是為了確保在設計溫度下的高溫域的斷裂行為。斷裂力學逐漸演變?yōu)樵谠O計條件下的運算，平面型斷裂評定的BS 7910標準和有限元分析，考慮了安裝載荷和服役載荷（最小屈服強度的72%）。假定包括100%殘余應力和一個2 mm深，100 mm長的表面開口缺陷。冶金設計和焊接工藝選擇傳統(tǒng)意義上，管線鋼環(huán)縫焊接和同等強度的結構焊縫取決于作為基底微觀結構的針狀鐵素體（AF）。對于X120鋼的應用，針狀鐵素體作用不大，反而馬氏體、貝氏體，和/或其衍生物決定焊縫金屬主要成分。盡管針狀鐵素體自身作用不明顯，但我們仍希望得到

5、少量針狀鐵素體。具體來說，針狀鐵素體可以將原奧氏體晶粒打碎成更小的單元，從而有效減小晶粒尺寸。本文將研究不同針狀鐵素體體積分數(shù)和形態(tài)的影響。實驗采用貝氏體或馬氏體以及少量針狀鐵素體將會導致韌性不足，焊縫金屬性能不一致和氫致開裂等問題。實際上，焊縫金屬韌性不足和氫致開裂是存在的主要問題。韌性不足主要是由于環(huán)焊縫熔池中不可避免的會存在非金屬夾雜，高強鋼對斷裂敏感性高和以板條狀組織為中的夾雜容易形成開裂源，同時馬氏體又十分敏感。此外，夾雜對材料的韌性斷裂產生不利影響;因此，對于板條狀結構組織由于其塑性變形能力有限，它們的抗斷強度應引起注意。夾雜對焊縫金屬組織形成過程的影響是眾所周知的，有有利的一面，

6、包括焊縫金屬脫氧，通過釘扎作用控制奧氏體晶粒大小和促進針狀鐵素體形核。X120鋼焊縫金屬主要通過控制夾雜的體積分數(shù)和尺寸來平衡其利弊。其首要目的是限制焊縫金屬氧含量在200-300 ppm。焊縫金屬性能一致性需要注意，因為對于一個給定的成分，不同的冷卻速度會使馬氏體或貝氏體顯微組織具有不同的強度和韌性。這顯然影響到伊薩專利和美國海軍船體結構高強鋼焊接項目。造船涉及不同厚度的鋼，熱輸入范圍相對較大。這對就要求材料微觀組織對冷卻速度不敏感。與造船業(yè)相反，管線鋼環(huán)縫焊接影響因素較少，傳統(tǒng)制造業(yè)中，所有環(huán)縫焊接都涉及全位置焊接，鋼材厚度較薄，這將熱輸入限制在較低水平，同時限制了冷卻速度變化。這種變化在

7、熔化極氣體保護焊最明顯，變化最小。盡管管線鋼對造船具有明顯的優(yōu)勢，馬氏體或貝氏體設計和焊縫金屬性能一致性仍是關鍵問題。出于其韌性和氫致開裂的考慮，X120鋼不可使用焊條電弧焊（包括低氫型垂直向下電極）。出于其焊縫金屬氧（夾雜）含量的考慮，藥芯和金屬芯融化極氣體保護焊排除在外，實芯融化極氣體保護焊是一種可行的選擇，也可選擇脈沖熔化極氣體保護焊(PGMAW)。脈沖熔化極氣體保護焊在當前實際工業(yè)生產被廣泛應用，預計，它使實現(xiàn)焊縫金屬成分均勻，缺陷率和焊縫金屬含氧量的可控制性，焊縫金屬的低氫性成為了可能。此外，脈沖融化極氣體保護焊熱輸入較低，冷卻速度較快，可以使用低合金來獲得目標組織，這也是馬氏體或貝

8、氏體設計的一個優(yōu)勢。實驗過程實驗焊絲和合金元素的選擇實驗約制作了二十根焊絲，實驗共用了50公斤鋼錠，采用真空感應熔煉方式融化，制成0.9mm直徑的焊絲并表面鍍銅。焊絲化學成分見表1，為了突出強調焊絲的成分，每一根焊絲的合金元素都是特定的。焊絲2-10是在焊絲1的基礎上制成的（盡管焊絲1的含碳量為0.008 wt.%，低于預期）。焊絲12-20是在焊絲11的基礎上制成的.這兩組焊絲的主要區(qū)別是焊絲11-20具有更高的相變材料所以強度也更高。本次實驗不包括三條焊絲7，8，18.焊絲8和焊絲18的化學成分偏離預期目標，焊絲7用于另一個不同的項目。表1.焊絲化學成分(wt%)WireCSiMnNiCr

9、CuTiZrPcm10.0470.381.692.790.250.140.0200.0000.25320.0550.381.712.850.210.130.0220.0180.26030.0530.381.683.680.000.130.0180.0000.26040.0560.381.802.880.200.260.0190.0000.27150.0550.381.703.600.210.270.0180.0000.27960.0530.371.713.180.200.300.0200.0190.27090.0380.371.713.120.590.140.0200.0000.266100.

10、0720.381.722.820.200.140.0200.0000.276110.0590.391.893.080.210.170.0150.0190.279120.0600.651.893.060.200.180.0140.0190.288130.0630.401.893.070.200.180.0140.0190.287140.0620.391.903.080.200.160.0150.0180.285150.0650.391.903.070.200.160.0140.0400.284160.0580.391.903.040.200.180.0020.0170.277170.0670.3

11、91.903.080.490.210.0150.0190.303190.0790.401.903.050.50.0180.0080.0190.314200.0640.682.013.080.620.270.0080.0190.332210.0670.611.862.950.170.520.0140.0290.303220.0600.601.792.910.090.270.0140.0250.275230.0450.601.862.980.160.300.0140.0240.270240.0760.601.863.020.210.200.0160.0360.303硫：焊絲1-200.002，焊絲

12、21-240.004磷：焊絲1-200.001，焊絲21-240.008鋁：焊絲1-200.003，焊絲21-240.008鉬：所有焊絲0.570.61鎳：所有焊絲<0.001釩：焊絲14和焊絲20=0.031，其余焊絲<0.001硼：焊絲13和焊絲20=12ppm，焊絲21-2431ppm氮：焊絲1-2013ppm，焊絲21-2431ppm氧：焊絲1-2018ppm，焊絲21-2430ppm碳含量提高會對材料的韌性和抗裂性能產生不利影響，人們在其通過他方式提高強度方面做了很多努力。提高固溶強化效果和增強淬透性的主要合金元素有錳、碳、鎳、鉬、硅、鉻和銅。鎳元素可以提高材料韌性，為保

13、證其抗解離和氫致開裂能力，焊絲9，17，19鉻元素含量較高以檢測其強化效果，但大多數(shù)焊絲的鉻元素含量被限定在一定范圍內。焊絲13和20中添加硼元素作為間隙強化劑來促進形成下貝氏體，焊絲12和20中硅元素含量較高以提高回火穩(wěn)定性，鈦、 鋯可以減少焊縫金屬中的夾雜物含量。鋯對氧有較強的親和力，在快速冷卻脈沖融化極氣體保護焊中，是作為控制焊縫夾雜物尺寸最好的方式。這個假設由焊絲2和焊絲6證實，因此焊絲11-20都加入了鋯元素。實驗焊絲的評估實驗數(shù)據(jù)主要包括32條板焊縫和24條管焊縫，實驗詳細數(shù)據(jù)見表2。焊絲1-10是在兩個300x600 x 20mm上布置了四條完全相同的對接焊縫。焊縫按照

14、CRC 埃文斯標準，使用單焊道P200機脈沖融化極氣體保護焊制造。焊道及焊道根部的熱輸入大約為0.35 kJ/mm，填充焊道的熱輸入約為0.88 kJ/mm。保護氣體成分85% Ar，15% CO2。最低預熱層間溫度為100，最高層間溫度為200。板材固定到桌面以模擬環(huán)焊過程中的約束力。焊縫A-H將作為分析焊絲1-10的基本依據(jù)。表2 焊縫識別與焊接工藝信息焊縫焊絲板焊接或管焊接（s）最低預熱溫度/最高層間溫度填充焊道平均熱輸入（kJ/mm)保護氣體*A1板100/2000.8785/0/15B2板100/2000.8785/0/15C3板100/2000.8985/0/15D4板100/20

15、00.8885/0/15E5板100/2000.8885/0/15F6板100/2000.8885/0/15G9板100/2000.8785/0/15H10板100/2000.8785/0/15I11管100/1250.6385/0/15J12管100/1250.6885/0/15K13管100/1250.7185/0/15L14管100/1250.7285/0/15M15管100/1250.7085/0/15N16管100/1250.7585/0/15O17管100/1250.7385/0/15P19管100/1250.7485/0/15Q20管100/1250.7385/0/15R12管1

16、00/1250.6985/0/15S12管100/1250.8785/0/15T12管100/1251.0185/0/15U12管100/1250.8590/0/10V12管100/1250.6780/10/10W12管100/1250.6885/10/5X12管100/1250.6865/25/10Y12管100/1250.7370/25/5Z11管100/1250.7585/0/15AA12管100/1250.7585/0/15BB12管100/1500.7285/0/15CC19管100/1500.7385/0/15DD6管50/7585/0/15EE6管100/1250.7385/0/

17、15FF6管150/1750.7285/0/15GG21管100/1250.69-0.7380/10/10HH22管100/1250.70-0.7580/10/10II23管100/1250.69-0.7280/10/10JJ24管100/1250.69-0.7280/10/10*依次為Ar/He/CO2百分比熱輸入假定為0.72 kJ/mm其余焊縫的設計都是16mm厚壁上用直徑36英寸X120管線鋼的管焊縫。每一個環(huán)焊縫兩側都有至少一米的管材，除非有特殊說明，否則焊道A-H環(huán)焊縫采用相同設備和工藝（除填充焊道熱輸入和預熱/層間溫度區(qū)間）。由于由板對接焊縫（1G）變?yōu)楣軐雍缚p（5G），填充焊

18、道熱輸入稍有降低(0.75 kJ/mm)。預熱/層間溫度區(qū)間控制在100-125°C之間以排除冷卻速度的影響，確保焊縫金屬性能變化是由焊縫化學成分差異引起的。為單獨驗證焊絲11-20的基本性能，每一個環(huán)焊縫只用一根焊絲，記為焊道I-Q(見表2)。為研究熱輸入對焊縫的影響，焊縫R-T采用焊絲12.由于R、S、T熱輸入低、中、高的變化，其所需填充焊道數(shù)為4，3，2。焊縫J也可與R、S、T形成比較。為研究保護氣體的保護效果，焊縫U-Y采用焊絲12。一般來說，保護氣體中CO2含量越低，焊縫金屬中氧和夾雜物的含量也會降低，韌性提高。實驗采用含5%和10% CO2保護氣體進行了驗證，此外，實驗添

19、加10%和20%的氦氣提高實驗可操作性（易用性）。本文實驗中數(shù)據(jù)代表Ar/He/CO2百分比。實驗加入一些附加焊縫（Z-FF），本文將會給出其詳細的機械性能，在以后論文中會對其進行詳細分析。焊縫Z和AA沒有進行層間焊道清理，其余焊縫用不銹鋼刷進行清潔。焊縫BB-FF用來研究預熱和層間溫度。對大規(guī)模焊絲生產的評估能進行大規(guī)模X120鋼焊絲的生產商主要有三家，共擁有兩個2噸級真空感應熔煉爐和一個20噸級電爐。電爐冶煉是在真空條件下進行的，通過控制真空感應熔煉法雜質含量來模擬電爐中雜質含量。焊絲化學成分見表1。有兩家生產商通過真空感應熔煉爐生產部分焊絲（焊絲21-23），另一家則通過電爐冶煉生產焊絲

20、（焊絲24）。許多管對接焊縫采用焊絲21-24，采用80/10/10保護氣體（首選），并采用與實驗焊絲相同的檢驗方法檢驗。為簡單起見，焊絲21-24的管對接焊縫所有數(shù)據(jù)都可以共享。盡管表2中表述的是焊縫GG采用的是焊絲21，事實上其他管對接焊縫的數(shù)據(jù)也應用到焊縫GG中，同樣的，焊縫HH,II,JJ都可以共享其他管焊縫的數(shù)據(jù)。分析檢驗步驟實驗采用直流等離子光譜（DCP）分析焊絲化學成分，放射光譜（OES）分析全焊縫金屬化學成分，在填充焊道板厚中部取樣，通過Leco氣體燃燒法來測定C，O，N含量。全焊縫金屬拉伸性能的實驗采用兩端帶螺紋的圓棒（ASTM E8），圓棒直徑為6.4 mm，剖面選在填充焊

21、道板厚中部。焊縫A-FF做兩組拉伸性能實驗，而大規(guī)模生產的焊絲GG, HH, II,和JJ,實驗組數(shù)依次為28, 26, 5 和4。實驗采用帶儀表落錘的Dynatup 垂直落塔測定焊縫能量-溫度轉換曲線，在焊縫中心線處開一圓形通透孔以確保取樣準確。每一組數(shù)據(jù)包括大約16項測驗，用雙曲正切模型進行統(tǒng)計學曲線擬合，曲線介于最高與最低值之間的點表示韌脆轉變溫度。裂紋尖端張開位移 (CTOD) 過渡曲線采用Bx2B試樣，在焊縫中心線開一圓形通透孔(a/W=0.5)，預壓縮量0.5%（兩側各0.25%）。每一條曲線包括大約14項測試。韌脆轉變溫度的測定方法與夏比沖擊試驗相同

22、。試樣制備按金相技術標準并用2%硝酸酒精溶液腐蝕，采用光學、掃描電鏡方法分析，檢測部位位于填充焊縫中的柱狀晶區(qū)域（在熱溫度不超過A1），距焊縫外表面最近約四分之一厚度的地方。透射電鏡和掃描電鏡檢測的位置相同。透射電鏡試樣被機加工至50m大小，最終用300 ml甲醇，175ml正丁醇和30ml高氯酸的電解液進行拋光，采用掃描電鏡與透射電鏡組合方式對試樣進行定量檢測（物相鑒定），透射電鏡以12幀放大6300倍參數(shù)對夾雜物的數(shù)量密度和尺寸大小進行了測定，采用X射線對測定夾雜物中關鍵化學元素。表3.焊縫化學成分(wt.%)和強度特征焊縫焊絲CSiMnNiCrMoCuTiZrVBONPcmYS(MPa)

23、UTS(MPa)%elong.A10.0590.261.482.410.230.560.160.00700.0074247760.24172478626B20.0620.251.522.360.210.550.170.0070.0080.0075253590.245*81424C30.0630.251.513.030.030.550.170.00600.0075252620.24776682124D40.0660.251.602.380.200.550.270.00600.00652511410.25774582125E50.0630.251.513.110.210.550.260.00600

24、.00652551010.26280086924F60.0660.251.522.580.200.550.300.0060.0090.0076268710.25978685524G90.0510.251.492.640.520.550.180.00600.00752711540.25371080024H100.0740.241.492.400.200.560.180.00600.0075241530.25669780727I110.0660.311.782.720.220.570.140.0080.010.0084309200.26989097922J120.0670.521.792.730.

25、230.580.150.0080.010.0084298170.280869100021K130.0680.341.792.780.220.570.170.0080.0110.00612349220.27987698621L140.0660.321.82.730.220.570.140.0080.010.0364318170.27487697218M150.0670.321.792.740.220.560.150.0080.0250.0074362220.27185595922N160.0640.311.772.740.220.560.180.0010.010.0065367460.26983

26、495921O170.0740.331.812.780.480.570.190.0080.0110.0075348210.297862100721P190.0810.341.812.780.50.570.170.0050.0110.0065338200.304876101421Q200.0730.611.922.810.610.570.250.0050.0120.03513327200.327890105522R120.0650.521.762.690.220.570.170.0080.0110.0085288380.27694597922S120.0650.51.752.630.220.55

27、0.140.0070.0090.0105286360.27288393121T120.0650.51.752.580.220.560.160.0070.0080.0115316420.27181491022U120.0630.521.772.610.220.560.150.0080.0110.0105239220.27286295919V120.0610.541.762.650.220.570.160.0080.0110.0085283600.27193897922W120.0610.571.82.720.220.570.180.0090.0140.0075220430.27793810071

28、8X120.060.531.782.660.220.570.160.0080.0100.00953011190.27189096617Y120.060.571.82.70.220.570.160.0090.0140.0085216250.27490397916Z110.070.291.782.640.220.540.140.0070.0060.0125658190.27084193119AA120.070.291.782.640.220.580.140.0070.0060.0094358190.27084897922BB120.0660.521.772.710.220.570.140.0080

29、.0100.0085307180.27782895923CC190.0650.561.82.680.220.580.160.0090.0100.0075310180.279855100723DD*6-89093121EE60.0670.341.572.830.280.580.290.0140.0080.004-339200.27486993819FF*6-81486222GG210.0610.491.752.640.190.530.530.0090.020.0094336470.28493196618KK220.0530.481.662.50.130.540.340.0080.010.0095

30、308340.25686290320II230.0500.501.782.680.180.300.300.0090.0190.0095312390.26389793823JJ240.0760.531.782.840.200.220.220.0110.0280.0064301290.291966102120焊絲A-FF：硫，磷含量= 0.001 - 0.002焊絲GG-JJ：硫=0.001-0.004磷=0.007-0.009所有焊縫： 鋁= 0.002 - 0.005 鉬= 0.52 - 0.58 鈮= 0.003 - 0.005 硼，氧，氮含量為百萬分之一屈服強度測量誤差為0.2%*化學成分與EE相同*沒有測量一般情況下強度與韌性變化趨勢焊縫強度與化學成分數(shù)據(jù)見表3.數(shù)據(jù)可分為兩類：強度較低的低Pcm值焊絲（1-10），強度較高的高Pcm值的焊絲（11-24）。強度通常認為是Pcm的函數(shù)，在此實驗中，對數(shù)據(jù)的校正是分析合金元素含量對強度影響的首要任務。焊絲1-10是板的焊接，其余是管的焊接。冷卻速度不同，得到的焊縫強度也不同，這可通過對比板對接焊縫F（焊絲6）和若干同焊絲管對接焊縫（DD-FF），可以確定引起屈服強度和抗拉強度的上升的因素分別為1.11和1.10，即由板對接轉變?yōu)楣軐?。圖1表示強度是Pcm的函數(shù)，在此圖中，焊縫A-H（焊絲1