X80級(jí)管線鋼埋弧焊焊縫韌性波動(dòng)研究

1、12 焊管 第32卷第6期 2009年7月試驗(yàn)與研究X80級(jí)管線鋼埋弧焊焊縫韌性波動(dòng)研究雷勝利,畢宗岳11,2(1.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司,陜西寶雞721008;2.西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安710048)摘 要:研究分析了西氣東輸二線用X80級(jí)鋼18.4mm厚熱軋卷板的成分和組織特點(diǎn)。TEM分析表明,18.4mm厚X80級(jí)熱軋卷板在板厚1/4和1/2處,晶界均比較純凈,組織以針狀鐵素體為主。針對(duì)這種高鋼級(jí)厚板管線鋼埋弧焊接條件下出現(xiàn)的焊縫韌性波動(dòng),采用SEM、能譜分析等對(duì)焊縫微觀組織、沖擊斷口形貌、成分偏析、焊縫夾雜物、焊絲純凈度等進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明,焊縫原始奧氏體晶粒大小

2、對(duì)韌性有顯著影響,晶界AlN、硫化物析出是形成焊縫光滑脆性斷口的主要原因,焊縫中高熔點(diǎn)氧化物夾雜也會(huì)引起沖擊值下降。關(guān)鍵詞:X80級(jí)管線鋼;埋弧焊接鋼管;焊縫韌性中圖分類號(hào):TG405 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-3938(2009)06-0012-06ResearchonSAWWeldToughnessFluctuationofX80GradePipelineSteelLEISheng li,BIZong yue11,2(1.BaojiPetroleumSteelPipeCo.,Ltd.,Baoji721008,Shaanxi,China;2.SchoolofMaterialScie

3、nce&EngineeringofXi anUniversityofTechnology,Xi an710048,China)Abstract:ThecompositionandstructurecharacteristicsofX80gradepipelinestee,lwhichwasusedinthe2ndWest eastGasPipelineProject,hadbeenresearchedandanalyzedinthisarticle.TEManalysisshowedthat,inthickness1/4and1/2ofX80gradehotrolledcoilwith

4、18.4mmthickness,thegrainboundarywaspurityandorganizationwasacicu larferrite.Aimingatthetoughnessfluctuationofthehighgradethickplatepipelinesteelsubmergedarcwelding.SEMandenergyspectrumanalysishadbeenusedtoanalyzeweldmicrostructure,appearanceofimpactfracture,compositionsegregation,weldinclusions,weld

5、ingwirepurity,etc.Approvedbytheresearchconsequence,originalaustenitegrainsizehassignificanteffectonweldtoughness.AndgrainboundaryAlN,sulfideseparationarethemainreasonsofformingsmoothbrittlefractureonthewelds.Highmeltingoxideinclusionsintheweldsalsocouldcausethedecreaseofimpactvalue.Keywords:X80grade

6、pipelinestee;lsubmergedarcweldedpipe;weldtoughness0 前 言管線鋼管的發(fā)展趨勢(shì)是不斷向高鋼級(jí)、大直徑、厚壁方向發(fā)展,以期最大限度減少用鋼量,降低管道建設(shè)成本。2005年建成的西氣東輸一線采用了X70級(jí) 1016mm 14.6mm焊接鋼管,輸氣壓力10MPa。目前正在建設(shè)的西氣東輸二線采用X80級(jí),輸氣壓力12MPa管線鋼管。有資料表明,全球目前已建成X80鋼級(jí)輸氣管線總長(zhǎng)約2200km,其中最長(zhǎng)的620km,由美國(guó)Elpaso公司建設(shè)1我國(guó)西氣東輸二線全長(zhǎng)7000多km,采用X80級(jí)管線鋼焊管,是目前中國(guó)乃至全球X80級(jí)管線距離最長(zhǎng)、管徑最大的

7、天然氣輸送管道。該管線所用鋼管以X80級(jí) 1219mm 18.4mm螺旋埋弧焊管為主。X80級(jí)管線鋼采用超低碳、微合金化設(shè)計(jì),適量添加Mn、Mo、Cr、Ni、Cu、T、iNb、V等合金元素,通過控軋控冷技術(shù),實(shí)現(xiàn)以針狀鐵素體為主的組織控制。由于母材組織的細(xì)晶化,使得在強(qiáng)度提高的同時(shí)仍具有較高的韌性,以保證所要求的止。第32卷第6期 雷勝利等:X80級(jí)管線鋼埋弧焊焊縫韌性波動(dòng)研究 13裂韌性。但是對(duì)于這種高強(qiáng)度管線鋼板的埋弧焊縫,在焊接過程中一個(gè)突出問題就是焊縫韌性的下降,針對(duì)X80級(jí)高鋼級(jí)厚壁管線鋼管埋弧焊接條件下出現(xiàn)的焊縫韌性波動(dòng),筆者采用SEM(掃描電子顯微鏡)、能譜分析對(duì)焊縫的微觀組織、

8、沖擊斷口形貌、成分偏析、焊縫夾雜物以及焊接材料的影響等進(jìn)行了研究分析?？椚鐖D1所示。由圖可見,該組織以鐵素體為主,其余為珠光體、粒狀貝氏體、少量M-A組元以及碳化物。采用計(jì)點(diǎn)法進(jìn)行定量金相估算,得出板厚1/4處鐵素體的體積分?jǐn)?shù)約為78%,其中先共析鐵素體的體積分?jǐn)?shù)約占8%,針狀鐵素體的體積分?jǐn)?shù)約占70%;板厚1/2處鐵素體的體積分?jǐn)?shù)約為82%,其中先共析鐵素體的體積分?jǐn)?shù)約占4%,針狀鐵素體的體積分?jǐn)?shù)約占78%,不規(guī)則分布的針狀鐵素體有所增加,珠光體的含量減少,局部區(qū)域有少量塊狀的先共析鐵素體、黑白相間的珠光體以及帶棱角的大塊黑色M-A組元。采用TEM對(duì)母材進(jìn)行微觀分析,板厚1/4處和1/2處的

9、TEM照片如圖2所示。由圖可見,其組織由鐵素體+珠光體+碳化物以及M-A組成,不同板厚方向晶界比較純凈,無明顯雜質(zhì)存在。在卷板頭、中、尾不同部位取樣,力學(xué)性能完全符合APISPEC5L標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,系列溫度夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果和DWTT試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3可見,-20 夏比沖擊功大于275J。1 X80級(jí)管線鋼卷板的組織和性能國(guó)內(nèi)X80級(jí)管線鋼典型的化學(xué)成分見表1。為確保管線鋼的焊接性,Ceq控制在0.43%以內(nèi)。 表1 國(guó)內(nèi)X80級(jí)管線鋼典型的化學(xué)成分%w(C)w(Mo)w(V)w(Si)w(Ni)w(Ti)w(Mn)w(Cu)w(Al)w(P)w(Cr)Ceqw(S)w(Nb)X80級(jí)

10、管線鋼板厚1/4處和1/2處的金相組14 焊 管 2009年7月# 焊接參數(shù):內(nèi)焊1絲,電流1470A、電壓33V;內(nèi)焊2絲,電流400A、電壓33V;外焊1絲,電流1500A、電壓34V;外焊2絲,電流480A、電壓36V。焊接材料:X80級(jí)鋼專用焊絲和焊劑。焊接速度:1.501.70m/min。按照上述工藝參數(shù),在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行平板對(duì)接焊接試驗(yàn),焊縫幾何形狀較理想,焊縫寬度約20mm,熔深10mm左右。焊縫表面光滑,無咬邊等缺陷。#3 焊縫沖擊韌性對(duì)焊縫進(jìn)行拉伸、彎曲、金相等檢測(cè),各項(xiàng)指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。焊縫的沖擊試樣取自焊縫厚度的上、中、下3個(gè)部位。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)焊接速度較低時(shí),沖擊值出現(xiàn)較

11、大波動(dòng),最高值188J、最低值48J,數(shù)據(jù)分散性較大。焊縫沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表2。表2試樣編號(hào)(部位)01(上)02(中)03(下)-20 焊縫沖擊試驗(yàn)結(jié)果焊縫沖擊功/J單 值122,64,154,48,188176,130,66,142,13248,96,74,128,136平均值115129962 焊接工藝研究結(jié)果表明,焊接線能量對(duì)焊縫的力學(xué)性能有較大的影響。隨著線能量的增加,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì),而線能量太大或太小均使焊縫韌性降低2 注:試樣尺寸55mm 10mm 10mm。4 分析討論4.1 斷口分析對(duì)沖擊值較低的試樣進(jìn)行斷口分析,在缺口的底部觀察到平行于缺口有一條平坦的光滑面,

12、見圖5(a);在斷口的中部,觀察到有片石狀的脆性解理區(qū)及二次裂紋,見圖5(b)。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)研究,對(duì)于X80級(jí)鋼18.4mm厚的熱軋卷板,其埋弧焊接線能量應(yīng)分別控制在內(nèi)焊22kJ/cm、外焊25kJ/cm左右。坡口形式:X形,鈍邊為710mm,坡口角為70 /100 。圖5 沖擊試樣的斷口SEM 500第32卷第6期 雷勝利等:X80級(jí)管線鋼埋弧焊焊縫韌性波動(dòng)研究 15對(duì)試樣的沿晶縮松即光滑面進(jìn)行了能譜分析,結(jié)果見圖6和表3,發(fā)現(xiàn)Al、Si、S、P等元素偏高。根據(jù)以上檢測(cè)結(jié)果分析認(rèn)為,沖擊值低的原因之一是斷口上沿柱狀晶方向存在著脆性光滑面,這些光滑面是焊縫金屬在結(jié)晶過程中A、lSi、S等元素或

13、化合物產(chǎn)生晶間析出,導(dǎo)致柱狀晶晶界局部脆化而造成的。表3 斷口上光滑面的能譜分析結(jié)果元素AlSiPSCaMnFe總量質(zhì)量百分比/%原子百分比/%4.2 金相分析將沖擊值高低不同的試樣制作金相試樣進(jìn)行分析,結(jié)果見圖7。由圖可見,沖擊值高的試樣組織相對(duì)細(xì)小、均勻,沖擊值低的試樣組織相對(duì)粗大、不均勻。從光學(xué)顯微鏡下看到組織以針狀體圖6 沖擊試驗(yàn)低值斷口光滑面的能譜掃描曲線為主,并有少量的塊狀鐵素體。圖7 不同沖擊值試樣焊縫原始奧氏體組織對(duì)試樣的原始奧氏體晶粒尺寸進(jìn)行了定量金相分析,總結(jié)了焊縫原始奧氏體晶粒尺寸與焊縫沖擊韌性的關(guān)系,見圖8?？梢?原始奧氏體晶粒尺寸對(duì)焊縫韌性有顯著影響,原始奧氏體晶粒越

14、粗,焊縫韌性越低2,因此,細(xì)化焊縫原始奧氏體晶粒是改善焊縫韌性的有效手段之一。研究表明,焊縫原始奧氏體晶粒大小受以下因素影響: 焊接線能量,隨著焊接線能量增大外焊縫柱狀晶平均寬度增加,先共析鐵素體數(shù)量增加,針狀鐵素體數(shù)量減少而尺寸增大;對(duì)重結(jié)晶的內(nèi)焊縫組織,隨著線能量增加粗晶區(qū)的原奧氏體晶粒更粗大,先共析鐵素體尺寸長(zhǎng)大數(shù)量增多,細(xì)晶區(qū)的鐵素體晶粒尺寸也有所長(zhǎng)大,珠光體數(shù)量明顯增多3。 焊縫中適量加入T、iN、B,所生成的TiN在高溫下部分未熔解在奧氏體晶粒內(nèi),而滯留在奧氏體晶界以阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大,有利于晶內(nèi)鐵素體核心的增加,但Ti、N含量應(yīng)有合適圖8 焊縫晶粒尺寸與韌性關(guān)系的比例,一般不應(yīng)超

15、過6 1;另外,在凝固過程416焊 管2009年7月中Ti保護(hù)B不被氧化,可形成BN,同時(shí)有一定量的B向奧氏體晶界偏析,降低了奧氏體晶界能量,不利于先共析鐵素體的形核。4.3 焊縫金屬再次受熱對(duì)組織的影響X80級(jí)焊接鋼管的焊接方法是雙面雙絲埋弧焊,先內(nèi)焊后外焊,因此內(nèi)焊縫受到外焊縫焊接時(shí)的再次加熱,內(nèi)焊縫的一部分是外焊熱影響區(qū)(HAZ),受到再次熱循環(huán)的作用,部分或全部對(duì)內(nèi)焊縫產(chǎn)生影響,其中最主要的是外焊HAZ的中間臨界區(qū)(ICHAZ)和亞臨界區(qū)(SCHAZ)。內(nèi)焊縫和內(nèi)焊HAZ被再次加熱后,內(nèi)焊縫組織經(jīng)歷二次相變,粗晶區(qū)(GCHAZ)和中間臨界區(qū)(ICHAZ)出現(xiàn)晶粒粗化。在此區(qū)域內(nèi),部分組

16、織被重新相變成奧氏體,導(dǎo)致局部富碳奧氏體的形成,而且通過熔解周圍的碳使其進(jìn)一步富集,最后在冷卻時(shí)形成高碳的孿晶馬氏體,其尺寸約為5 m,體積分?jǐn)?shù)達(dá)5%5二相區(qū),形成臨界熱影響區(qū)(ICHAZ),冷卻后M-A組元增加,并且晶粒粗化;同時(shí),峰值溫度在1300 左右,形成晶粒粗化熱影響區(qū)(GCHAZ),由此在焊縫中形成粗大晶粒,造成韌性下降。文獻(xiàn)6研究表明,對(duì)于X80級(jí)管線鋼的雙面焊和多道焊接中,熱影響區(qū)也存在局部脆化問題。焊縫金屬再次受熱后焊縫中原有的第二相可大部分熔解,在冷卻過程中,經(jīng) - 轉(zhuǎn)變后,若再次發(fā)生沉淀,可能以大塊的形式析出,例如AlN在晶界析出,Ti(C、N)在晶內(nèi)析出,都有呈塊狀形式

17、或其他粗大的碳化物析出,從而促使脆化,降低韌性。如在上述沖擊值低的試樣斷口SEM觀察和能譜分析中,光滑面存在Al含量偏析,質(zhì)量百分比為0.18%。4.4 焊接參數(shù)及焊接材料對(duì)焊縫韌性的影響由于X80級(jí) 1219mm 18.4mm螺旋埋弧焊鋼管的壁厚較厚,在雙面埋弧焊接過程中,受板邊形狀及成型焊接參數(shù)變化的影響,焊縫中很容易產(chǎn)生氣孔夾雜等,微小的夾雜物就會(huì)引起沖擊韌性的大幅下降。焊縫沖擊功為80J的試樣斷口SEM照片見圖11,其中含有約60 m大小的夾雜物,而另一塊不含夾雜物的焊縫試樣的沖擊功為200J。這種脆性馬氏體是韌性降低的主要原因之一。首次焊(內(nèi)焊縫)和第二次焊(外焊縫)的熱影響區(qū)組織分

18、布示意見圖9。焊縫再次加熱的熱循環(huán)曲線及組織分布范圍見圖10,可以看出,對(duì)于X80級(jí)鋼,AC1 750 ,AC3 900 ,再加熱溫度TP=800 時(shí)處于 +圖11 焊縫沖擊功為80J的試樣斷口SEM照片焊劑成分中堿性氧化物含量較小,焊劑堿度較低,使焊接熔池脫氧不充分,這是造成焊縫韌性低的另一個(gè)主要原因。如果焊材的純凈度不高,存在氧化物夾渣,焊縫中也會(huì)出現(xiàn)夾渣或組織偏析。某X80鋼用焊絲拉斷后的斷口SEM照片見圖12,分析表明,焊絲中殘留Al是正常X80級(jí)鋼用焊絲的3倍。焊絲中不均勻分布的殘留Al,會(huì)在焊縫中造成Al第32卷第6期 于國(guó)鵬等:Paris公式疲勞常數(shù)測(cè)定的有限元法 17強(qiáng)度、高韌

19、性管線鋼。(2)焊縫組織中晶界外若存在Al、S、iCa、S、P等化合物及成分偏析,會(huì)造成沖擊過程中沿晶斷裂,降低了焊縫韌性。(3)焊縫金屬在結(jié)晶過程中形成的柱狀晶如果過于粗大,會(huì)引起焊縫韌性降低;同時(shí),首次焊縫在受到再次焊接加熱影響后,焊縫的部分區(qū)域會(huì)產(chǎn)生晶粒粗化以及組織脆化,導(dǎo)致焊縫韌性降低。(4)采用T、iMo、N等能細(xì)化晶粒的微量元素的焊絲和較高堿度的焊劑可提高焊縫韌性。圖12 焊絲斷口上的塊狀?yuàn)A雜物 500的不均勻分布,在再次受熱后以AlN形式在晶界塊狀析出,造成脆性相。用X射線能譜儀對(duì)圖12中的非金屬類夾渣進(jìn)行定性、定量分析,Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為64%。分析結(jié)果見圖13和表3。(5)焊絲、焊劑中的大塊氧化物夾渣會(huì)造成焊縫夾雜和成分偏析,降低焊縫韌性。參考文獻(xiàn):1潘家華.全球能源變換及管線鋼的發(fā)展趨勢(shì)J.焊管,2008,31(1):9-11.2畢宗岳.X80厚壁管線鋼不同焊接速度下焊縫韌性研究J.熱加工工藝,2009,(3):1-4.3尹士科.焊接材料實(shí)用基礎(chǔ)知識(shí)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:65-69.4許祖澤.新型微合金鋼的焊接M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004:181-184.5BATTEAD,BOOTHBYPJ,ROTHW