趙紅波 ，畢宗岳 ， 李新寧 ，牛 輝 ，溫寶京 ， 徐紅莊

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008；3.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，710065）

X100超高強度管線鋼是國內(nèi)外管線鋼開發(fā)的熱點之一，超高鋼級鋼管的應用可顯著節(jié)省長距離油氣輸送管線的建設總成本。近年來，國內(nèi)在高強度管線鋼研制方面投入了大量的資金和人力，并計劃進行試驗段建設。但根據(jù)X100管線鋼標準要求，其焊縫抗拉性能至少要達到760 MPa以上，且在較高的焊接速度下，對焊縫和熱影響區(qū)的低溫韌性提出了較高要求，僅僅依靠普通合金焊絲焊接，已不能滿足預期的要求。因此，研究開發(fā)出與X100管線鋼相配套的焊絲，必將為我國X100管線鋼管批量生產(chǎn)和應用提供重要的技術支撐。

1 焊絲合金體系的確定

根據(jù) API SPEC 5L（44 版）和 GB/T 12470—2003標準要求，所開發(fā)的X100焊絲應具備以下要求：①焊絲加工性能良好；②在1.5 m/min以上焊速下進行平焊或螺旋焊接后，焊縫外觀形貌良好，焊道表面光亮平整；③匹配相應的焊劑焊接后，焊縫抗拉強度在760 MPa以上，焊縫沖擊韌性值在80 J以上，焊縫熔敷金屬抗拉強度在760 MPa以上，屈服強度在680 MPa以上，-40℃沖擊功應在27 J以上。

綜上要求，為了能夠適應較高的焊接速度和較大線能量的焊接，且保證焊縫具有較高的強韌性，應降低顯著影響X100管線鋼沖擊韌性的C，Si，P和S等有害元素含量，并嚴格控制能引起焊縫金屬碳當量Ceq、淬硬傾向及裂紋敏感系數(shù)Pcm增加的Ti，Cr和Cu等合金元素的含量；同時，提高Mn，Ni和Mo等脆化矢量較小的元素，以獲得強韌性較好的針狀鐵素體及粒狀貝氏體組織；適量添加Ti和B等微合金元素產(chǎn)生有效夾雜物形核質點，促進晶內(nèi)針狀鐵素體的形成，以控制針狀鐵素體和粒狀貝氏體的組成相比例。根據(jù)以上確定Mn-Ni-Mo-Ti-B作為X100焊絲合金系。

2 焊絲成分設計

2.1 C

C是焊縫金屬中最重要的合金元素，它作為一種間隙固溶強化元素，常通過基體點陣畸變使基體產(chǎn)生微裂紋和擴展，并致使焊縫金屬沖擊韌性大幅度下降。另外，C含量的增加還會引起針狀鐵素體（AF）的比例增加及先共析鐵素體的數(shù)量減少。因此，應當限制w（C）在0.05%～0.10%。

2.2 Mn

Mn在焊縫中的含量對焊縫金屬的力學性能有很大的影響，它通常作為固溶強化基體，可有效地提高焊縫強度。由于管線鋼中對C含量的嚴格控制使得焊縫強度稍顯不足，所以應相應地提高Mn含量來彌補強度。通常焊接過程中常采用低Mn焊劑，焊縫中的Mn元素會發(fā)生燒損。因此，焊絲中Mn含量應當比母材稍高一些，即w（Mn）應控制在 1.8%～2.0%。

2.3 Si

Si在焊縫金屬中主要起脫氧作用，尤其當Mn和Si同時存在時，對焊縫金屬組織和性能都有較大的影響。管線鋼焊接時，為了達到一定的工藝性能，所配套焊劑中常常采用高含量的SiO2，極易引起焊縫中Si含量增加，而影響焊縫性能。因此，焊縫中應控制Si的含量，一般w（Si）應控制在0.25%～0.40%。

2.4 Ni

Ni無限固溶于γ-Fe，其作用與Mn相似，只是較Mn的作用弱，是弱合金元素。在焊縫中能降低點陣中的位錯運動抗力和位錯與間隙元素交互作用能量，促進應力松弛，從而減少脆性斷裂傾向。

2.5 Ti

Ti為強脫氧劑及Ti(C，N)形成元素，它所形成的高熔點化合物質點可作為結晶核心，細化焊縫晶粒。另外，在焊縫金屬中加入Ti，由于其與N的親和力極高，可降低焊縫金屬中自由N的含量。

2.6 B

B可明顯抑制鐵素體在奧氏體晶界上的形核，使鐵素體轉變曲線明顯右移，同時使貝氏體轉變曲線變得扁平，可在較大的冷卻范圍內(nèi)得到貝氏體組織。Ti與B同時存在時，Ti可在焊接過程中保護B不被氧化，使得B抑制先共析鐵素體的效果更好。但因w（B）＞0.003%時形成的B相沿晶界析出，會產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象；另外，B與N和O有很強的親和力，過多的B含量易在焊縫中形成夾雜物。因此，w（B）=0.000 4%～0.001%時較為合宜。

2.7 Mo

Mo是縮小γ相區(qū)的元素，是中強碳化物形成元素，其主要作用是推遲先共析鐵素體轉變而有利于形成貝氏體結構。Mo在焊縫中固溶于奧氏體或以碳化物的形式存在，并強烈地抑制珠光體轉變，可以改善焊縫沖擊韌性。

2.8 S和P

S和P等有害元素會引起焊縫韌性的降低和韌性轉變溫度的提高，并增大焊縫熱脆和焊接結晶裂紋的傾向性，所以應嚴格限制。本次焊絲研制限制w（S）在0.006%以下，w（P）在 0.015%以下。

3 熔敷金屬試驗

3.1 熔敷金屬力學性能

采用研制的X100焊絲匹配BG-SJ101H2焊劑，依據(jù)GB/T 12470—2003《埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑》要求進行熔敷金屬焊接試驗，結果見表1。由表1可見，－30℃時熔敷金屬的沖擊韌性、抗拉強度實現(xiàn)了良好的強韌性匹配。

表1 X100焊材熔敷金屬力學性能檢測結果

3.2 熔敷金屬微觀組織

研制焊絲配合BG-SJ101H2焊劑所得到的焊接接頭熔敷金屬的金相組織如圖1所示。由圖1可見，熔敷金屬組織以鐵素體為主，呈籃筐編結形態(tài)分布，且大小、分布較為均勻。另外，在鐵素體之間分布有少量的珠光體。該組織形態(tài)充分保證焊縫在低溫下具有較高的沖擊韌性。

圖1 熔敷金屬金相組織

4 管材焊接試驗

焊接方法為雙絲交直流內(nèi)外雙面埋弧焊接，焊接設備為林肯DC-1500AC-1200焊機。焊接材料采用研制的X100焊絲及BG-SJ101H2焊劑，試驗用鋼板為本鋼集團有限公司生產(chǎn)的X100卷板，厚度為14.8 mm，化學成分見表2，焊接時的工藝參數(shù)設置見表3。焊接試板采用X形坡口，內(nèi)焊坡口角度為70°，外焊坡口角度為100°， 鈍邊 8～9 mm。

表2 X100卷板化學成分 %

表3 X100管線鋼的焊接參數(shù)

4.1 焊接接頭拉伸性能

采用研制的X100焊絲進行焊接，依據(jù)API SPEC 5L（44版）及X100管線鋼標準對焊縫金屬進行拉伸性能檢測，檢測結果如圖2所示。由圖2中可以看出，焊縫的抗拉強度分布在780～860 MPa，均滿足標準要求。

圖2 焊縫拉伸性能檢測結果

4.2 焊接接頭沖擊性能

采用研制的X100焊絲匹配本鋼X100卷板進行焊接，對焊縫金屬進行－10℃沖擊韌性試驗，結果如圖3所示。由圖3可看出，采用X100焊絲進行X100管線鋼焊接后，焊縫的沖擊性能優(yōu)良，完全滿足API SPEC 5L（44版）及X100管線鋼的標準要求。

圖3 焊縫沖擊韌性試驗結果

4.3 斷口及組織分析

采用研制的X100焊絲與BG-SJ101H2焊劑匹配，焊接X100管線鋼所得焊縫組織如圖4所示，其中焊縫組織為混雜分布狀態(tài)的針狀鐵素體（AF）和少量先共析鐵素體（PF）。組織中主要以針狀鐵素體為主，且組織大小、形態(tài)及分布都較為均勻。焊縫斷口形貌如圖5所示。由圖5可見，斷口形貌除有少量的二次淺裂紋外，其余為較淺且分布均勻的韌窩。由此說明，該焊縫韌性較好。通過對斷口進行掃描，未發(fā)現(xiàn)有明顯的MnO和Al2O3等夾雜物存在。

圖4 焊縫的顯微組織形貌

圖5 焊縫的斷口形貌

5 結 論

（1）研制的X100焊絲與BG-SJ101H2焊劑匹配，進行X100管線鋼焊接后，所得焊縫低溫沖擊韌性良好，且拉伸強度較高，完全達到API SPEC 5L（44版）管線標準中X100指標的要求。

（2）試驗表明，熔敷金屬不僅具有較高的強度，而且有較好的低溫沖擊韌性，力學性能指標達到了GB/T 12470—2003要求，可以滿足X100管線鋼母材與焊縫等強匹配的要求。

（3）通過采用Mo，Ni，Ti和B等多元微量合金元素設計焊絲，焊接后可使焊縫獲得較好的針狀鐵素體組織，并確保了焊縫有較高的強韌性。

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