孫 宏， 宗秋麗， 鄭青昊 編譯

（渤海石油裝備華油鋼管公司， 河北 青縣062658）

為了提高油氣輸送管道在更高壓力下的輸送能力和效率， 高強度管線鋼一直在持續(xù)不斷地開發(fā)。 高強度鋼除了要求更高的強度外， 還要求在0 ℃以下具備良好的韌性以及可焊性。 新開發(fā)的更高鋼級鋼種通過壁厚的減薄可顯著降低管道的鋪設成本和時間。 X70 鋼級高強度低合金鋼母材及其焊接接頭的性能已經(jīng)被廣泛研究。 但是， 針對X70 鋼級螺旋埋弧焊鋼管焊接工藝的實施是否充分鮮有研究。 實際上， 焊接結構的成功主要取決于焊接工藝設計和應用的充分性和有效性。焊接工藝、 焊接參數(shù)、 填充金屬和焊劑選擇是焊接零件性能能否滿足服役要求的關鍵影響因素。了解化學成分以及力學性能對于高強度低合金鋼焊接相關的問題非常重要。 因此， 這項工作可以用作特定場合、 特定鋼級選擇焊接工藝及其焊材的指南。

本研究介紹了用于X70 鋼級高強度低合金鋼的螺旋埋弧焊的詳細焊接工藝。 使用給定的填充金屬和焊劑進行焊接， 通過對母材和焊接接頭的力學性能試驗、 化學成分分析及宏觀和顯微組織檢驗等手段檢查焊接工藝的有效性。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料試驗用管線鋼管

的公稱厚度為12.95 mm，外徑為1 219 mm， HSLA 鋼為API X70M PSL2，板卷軋制方式為熱機械控制軋制（TMCR）， 制管焊接方式為螺旋埋弧焊。 焊接采用窄間隙雙面單道埋弧焊， V 形坡口。 表1 為焊接工藝參數(shù)， 填充金屬是S2Mo 型銅包線， 焊絲直徑4 mm， 燒結焊劑是Eliflux BFB， 焊劑的粒徑2～16 mm。 焊劑在保護熔池免受大氣氧化以及在熔池和熔渣之間化學元素的轉(zhuǎn)移方面起著重要作用。 而且， 焊劑由于其堿性還充當了熔融金屬的脫氧劑和清潔劑。 使用堿性焊劑時， S 和P 的含量明顯降低。

共試驗了323 根焊管。 對管體和焊接接頭進行了力學性能試驗。 對母材進行拉伸試驗以測量屈服強度、 抗拉強度、 伸長率和屈強比， 對焊接接頭測抗拉強度， 對母材、 熔合區(qū)和熱影響區(qū)進行維氏硬度測量， 在-10 ℃下進行夏比沖擊試驗測定母材、 熔合區(qū)和熱影響區(qū)的沖擊韌性。 將獲得的結果與API SPEC 5L 規(guī)范進行比較。 對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析， 進行了相關性和一元線性回歸分析， 以評價X70 螺旋縫埋弧焊管的力學性能之間的關系。

表1 埋弧焊工藝參數(shù)

1.2 宏觀形貌和顯微組織觀察

截取鋼管焊接接頭試樣用于宏觀觀察， 采用一系列粒度的砂紙對試樣進行機械拋光， 然后采用金剛石拋光劑拋光。 采用6%硝酸溶液（6 mL HNO3+94 mL CH3OH） 浸蝕試樣。

制備焊接接頭的金相試樣以觀察顯微組織變化。 將試樣表面用200#～2 400#砂紙拋光， 并使用1 μm 的金剛石拋光劑拋光。 清洗試樣， 并使用2%硝酸溶液（2 mL HNO3+98 mL CH3OH） 浸蝕。最后將試樣在Nikon Eclipse LV100ND 光學顯微鏡下觀察。

使用RUKER D8 ADVANCE AXS 的Cu K α譜線衍射儀對母材、 熱影響區(qū)和焊縫金屬進行X射線衍射。 對衍射圖進行擬合， 并使用X′Pert Highscore 軟件（2.2.2 版） 分析存在相。

1.3 力學性能試驗

焊接工藝的成功與否直接取決于焊接結構的力學性能。 試驗和驗收標準均為API SPEC 5L。 從管體和焊縫截取試樣進行力學性能試驗， 取樣位置如圖1 所示。 采用Innovatest Nexus 4500 維氏硬度計在焊接接頭的不同區(qū)域進行HV10測量， 載荷保持時間為12 s。 采用ROELL AMSLER RKP300 標準沖擊試驗機進行-10 ℃V 形缺口夏比沖擊試驗， 試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm， 在母材、 熱影響區(qū)和熔合區(qū)分別取樣， 缺口位置如圖1 （b） 所示。根據(jù)API SPEC 5L 規(guī)定僅對焊接接頭進行導向彎曲試驗， 將焊縫余高去除， 然后分別在室溫下進行試驗以評估其塑性。 使用標距50.8 mm的引伸計并由計算機軟件Test Expert （版本5.01） 進 行 控 制 的MOHR＆ FEDERHAFF AG UPD 60T 拉伸試驗機在室溫下進行拉伸試驗。從母材 （WP2） 和焊縫 （WP1） 上截取全截面板狀試樣。

圖1 取樣的方法和位置

2 結果與討論

2.1 化學分析

采用光學光譜儀 （Spectrolab LAVMC 11A）對母材進行化學分析。 X70 鋼管母材、 焊縫金屬和焊絲的化學成分見表2。 從表2 可以看出， 母材、焊縫金屬和焊絲的化學成分滿足API SPEC 5L 標準要求的要求， 特別是碳含量。 較低的碳含量對可焊性是有利的。 另外， 由于X70 鋼中的w（C）＜0.12%， 因此采用碳當量（CEpcm） 作為評價冷裂敏感性的關鍵參數(shù)。 此外， 碳當量經(jīng)驗公式可用于了解合金元素對高強度鋼淬透性的綜合影響。

表2 X70 鋼管的母材、 焊縫金屬和焊絲的化學成分

Nb、 Ti 和V 等元素有利于提高微合金鋼的淬透性。 從焊縫金屬分析可以看出， 焊絲為添加了Ni、 Cr、 Mo、 Nb、 V 等元素的C-Mn 合金體系， 此外添加了Si、 Mn、 Al 和Ti 用于脫氧。

影響高強度低合金鋼力學性能的另一個因素是焊劑成分。 與堿性氧化物和氟化鈣CaO+MgO+CaF2（43%） 相比， 焊劑含有較低的SiO2（20%）。此外， 焊劑的Al2O3+TiO2含量為22%， MnO+FeO含量為15%， 該焊劑在焊接過程中充當熔融金屬的潛在脫氧劑。 表2 中的S 和P 含量證明該鋼潔凈度很高。 另外， 焊縫金屬中氧含量越低韌性越高。

2.2 宏觀形貌和顯微組織觀察

宏觀金相檢查是確定大尺寸缺陷 （未焊透、氣孔和結晶裂紋） 的一種非常有效的技術。 焊偏也可以通過此技術檢查。 焊接接頭的宏觀金相照片如圖2 所示。

圖2 焊接接頭的宏觀金相照片

在宏觀試樣上測量焊接接頭的幾何特征， 結果見表3。 從表3 可以看出， 內(nèi)焊縫和外焊縫的尺寸均符合API SPEC 5L 規(guī)范。 焊接接頭的顯微組織如圖3 所示。 從圖3 （a） 可以看出， 母材具有X70 鋼典型的細晶粒多邊形鐵素體組織，鐵素體晶粒的細化既提高了X70 管線鋼的強度，同時也提高了韌性。

表3 焊接接頭宏觀金相試樣的幾何特征

圖3 焊接接頭的顯微組織形貌

在焊接過程中， 填充金屬熔化并重新凝固。圖3 （c） 表明焊縫金屬為固有的粗晶粒組織，主要由晶內(nèi)針狀鐵素體 （AF） 和晶界塊狀鐵素體 （GBF） 組成。 在奧氏體冷卻過程中， GBF是在柱狀奧氏體晶界上的先析出相。 但是， 非金屬夾雜物的存在有利于針狀鐵素體的形核。針狀鐵素體被廣泛認為是理想的顯微組織。 由于針狀鐵素體的晶粒取向隨機性能夠起到阻止裂紋擴展的作用。 這類組織具有高硬度和高強度的特征。 熱影響區(qū)位于熔合線與未受影響的母材之間， 包括粗晶粒熱影響區(qū) （CGHAZ） 和細晶粒熱影響區(qū) （FGHAZ） （見圖3 （b） 和（d））。 與熔合線緊密相鄰的HAZ 承受了更大的熱輸入， 因此該區(qū)域的晶粒相比母材接觸區(qū)域的晶粒更加粗大。 總體而言， 兩種熱影響區(qū)組織均主要是貝氏體 （B） 及很少量的準多邊形鐵素體 （QPF） 晶粒。

2.3 統(tǒng)計分析

收集數(shù)據(jù)后， 使用Minitab 統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析。 首先， 計算了323 個力學性能試驗的描述統(tǒng)計量。 接下來， 確定最高相關系數(shù)，并建立相應的線性回歸模型。

本工程實施完成后，在取水樞紐加設了防護圍欄等水源地保護措施，同時在蓄水池前加設了自來水凈化設施，完全滿足了五寨縣城居民高品質(zhì)生活用水的要求。目前已安全運行兩年多，累計為五寨縣城居民生產(chǎn)生活供水達到190萬m3左右。有效緩解了五寨縣城居民生產(chǎn)生活緊缺的狀況，使供水結構趨于合理，五寨縣城區(qū)地下水快速下降的局面得到改觀，產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟和生態(tài)效益。

2.3.1 試驗數(shù)據(jù)說明

在制管廠， 為驗證材料性能是否滿足嚴苛的服役條件， 要對鋼管進行破壞性試驗， 其中拉伸、 硬度和韌性是首要力學性能試驗。HSLA 鋼開發(fā)的目的是更高強度、 更高延展性及更優(yōu)的低溫韌性。 表4 匯總了本研究的X70 HSLA 鋼的力學性能描述性統(tǒng)計量。 描述性統(tǒng)計量是對數(shù)據(jù)集進行匯總的快速描述性參數(shù)。最公認的描述性統(tǒng)計數(shù)據(jù)是平均值 （集中趨勢的度量）、 標準差SD （變異性或離散性的度量） 及研究數(shù)據(jù)范圍的最小值和最大值。 所有這些參數(shù)都是根據(jù)代表數(shù)據(jù)集大小的樣本量或個體數(shù) （N） 計算的。

表4 所研究的X70 HSLA 鋼力學性能匯總 （樣本數(shù)： 323）

材料的屈服強度平均值 （518 MPa） 是材料承受彈性區(qū)間內(nèi)抵抗高應力能力的關鍵指標。 同樣， 屈強比（83%） 表示鋼管失效前應變強化能力的指標， 其利于防止鋼管產(chǎn)生脆性斷裂。

焊接接頭的抗拉強度 （681 MPa） 大于母材的抗拉強度 （626 MPa）， 這反映了焊接工藝的有效性 （填充金屬、 焊劑和焊接參數(shù)）。 應當指出， 在天然氣管道中焊縫金屬抗拉強度的過匹配是有利的。 此外， 沒有一個焊接接頭拉伸試樣在焊縫區(qū)斷裂， 全部在母材區(qū)斷裂。 所選的填充金屬和焊劑的共同作用實現(xiàn)了熔敷金屬具有更高的強度， 這也表明了焊接工藝的有效性。 X70 鋼及其焊接接頭具有很高的強度， 這歸因于其顯微組織主要由細晶粒的針狀鐵素體組成 （圖3 （b））。從表4 可以看出， 熔合區(qū)的硬度大于母材和熱影響區(qū)的硬度， 這主要是由于粗大的呈樹枝狀的顯微組織。 應該注意的是， 所有硬度測量值均未超過API SPEC 5L 規(guī)定的250HV 最大值。 實際上，測量硬度是為了預測金屬對冷裂紋的敏感性。

圖4 X70 管線鋼的力學性能變化

除了強度和硬度外， 為了確保材料符合服役條件還應檢查0 ℃以下的韌性， 進行了-10 ℃V 形缺口夏比沖擊試驗。 母材的沖擊韌性最高，而熔合區(qū)韌性最低 （見表4）。 但是， 所有結果均高于API SPEC 5L 規(guī)定的最小值。

圖4 表明了X70 管線鋼的力學性能波動情況。 對于拉伸特性， 屈服強度、 抗拉強度和焊縫抗拉強度的波動相似， 標準偏差均為13 ～15 MPa。

從表4 可知， 母材的延伸率 （37%） 遠遠超出了API SPEC 5L 規(guī)定的最小延伸率 （22%）。這表明材料具備較高的塑性， 這非常有利于焊接前鋼管的成型。 導向彎曲試驗結果表明材料具有高塑性， 試驗沒有發(fā)現(xiàn)體積缺陷或裂紋。

2.3.2 相關性分析

表5 給出了所研究的X70 鋼母材及焊縫力學性能之間的相關矩陣， 揭示了力學性能之間的3 個強相關性（相關系數(shù)R＞0.7）。 對于X70 鋼的母材，抗拉強度（UTS） 和屈強比（YTR） 均與屈服強度（YS） 正相關， 焊縫的抗拉強度 （UTSW） 與X70母材的抗拉強度（UTS） 正相關。 因此， 可以針對這些數(shù)據(jù)計算一元線性回歸模型， 如下所示：UTS=f（YS）， UTSW=f（UTS）和YTR=f（YS）。

表5 所研究的X70 鋼母材及焊縫力學性能之間的相關性矩陣

3.3.3 線性回歸分析

采用簡單線性回歸分析方法， 對響應（因變量） 與預測（自變量） 之間的關系進行了研究和建模。 圖5～圖7 給出了回歸分析的結果， 也給出了帶有線性擬合和模型統(tǒng)計參數(shù)的散點圖。 同樣， 標準化殘差圖和擬合圖的對比被用于檢查異?；蛴杏绊懙臄?shù)據(jù)點。 值得注意的是， 殘差是試驗值與預測值之間的差。 同時， 標準化殘差是殘差與殘差的標準偏差估計值之比（S）。

圖5 X70 鋼母材及焊縫母材抗拉強度的回歸結果

在本研究中， 標準化殘差的絕對值大于2 被認為是離群值。 在去除離群值之后運行一元線性回歸分析可以提高模型的預測能力。 為此， 對離群值進行了兩步清理。

圖6 X70 鋼焊縫抗拉強度的回歸結果

圖7 X70 鋼屈強比的回歸結果

圖8 說明了離群值清理前后UTS、 UTSw和YTR 的預測模型中的統(tǒng)計參數(shù)變化。 可以發(fā)現(xiàn)，離群值清理后決定系數(shù)R2和R2adj增大， 而S（模型中誤差的估計標準偏差） 減小。 這個事實表明離群值對于模型的正確預測是不利的。 離群值清理后， 重新繪制的最終模型如圖9 所示， 圖9 給出了預測的UTS、 UTSW和YTR 與試驗數(shù)據(jù)的相關關系。 基于決定系數(shù)R2=80%和R2=65%的X70 鋼母材的YS， 獲得了用于預測UTS 和YTR 的最佳模型。 管線鋼的屈強比是衡量因塑性斷裂而引起失效的安全裕度的量度， 并表示鋼管在失效之前抵抗塑性變形的能力。 此外， 一元線性回歸分析還表明了根據(jù)母材抗拉強度UTS 估算焊接接頭的力學性能 （如UTSW） 的可能性。 圖9 （c） 表明， 回歸模型解釋了60%的UTSW方差。 因為它可以跟蹤將來的焊接接頭的機械強度， 所以從實用的角度來看這非常有用。同樣， 由于HSLA 鋼是微合金鋼， 并且化學成分的變化范圍也相似， 因此可以用來估計其他HSLA 鋼（例如X60～X80） 的強度。 另外， 所有這些鋼的屈強比YTR 最大值為93%。 這個事實表明其具有相同的力學特征。 盡管通過決定系數(shù)R2核查了計算模型的效果， 還是采用預測分析的相對誤差來驗證已開發(fā)模型的效果。

圖10 描繪了基于高斯分布情況下預測值的相對誤差分布圖。 UTS 和YTR 的預測模型具有相似的效果， 其中95%的預測數(shù)據(jù)的相對誤差在±1.69%之間。 對于UTSW預測模型， 預測精度在±2.19%的范圍內(nèi)。 對于第一個驗收標準， 相對誤差分析結果表明預測模型對于這些力學性能是非常有效的。

圖9 預測數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的相關關系

圖10 預測值相對誤差分布圖

回歸模型可以用于快速簡便地確定試驗材料的強度。 Sashimi 等報道了相似的結果。 而且，屈強比是一個可以用來評估材料承受失效前應變強化能力的重要特征。

這項研究工作結果表明只有力學性能之間存在線性相關關系。 一方面， 對螺旋成型和焊后試驗材料的強度進行了評估； 另一方面， 認為通過母材的抗拉強度預測焊接接頭的抗拉強度具有實際意義， 并且可以幫助優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。 這樣做可以省去費時的焊縫拉伸試驗。在本研究中， 線性相關似乎在預測力學性能方面是有限的， 例如， 作為硬度的函數(shù)就超出了預測的范圍。 實際上， 一些研究指出， 屈服強度和抗拉強度與硬度測量值有很強的線性相關關系。 Zhang 等研究發(fā)現(xiàn)， 對于加工硬化的金屬和一些塊體非晶合金， 強度和硬度服從三倍的經(jīng)驗關系。 Tiryakioglu 等提出了鋁合金的強度和硬度之間的經(jīng)驗關系。 Pavlina 等的研究， 也證明了非奧氏體和亞共析鋼的屈服強度、 拉伸強度都與維氏硬度呈線性相關。 相比之下， 本研究的發(fā)現(xiàn)得到了Hashimi 等研究工作的支持。 在他的調(diào)查中， 他發(fā)現(xiàn)使用間接方法后， X65 鋼的屈服強度與維氏硬度之間存在低的相關關系 （R2=20%）， X65 鋼與本研究中使用的材料屬于同類材料。 從統(tǒng)計的角度來看， 此結果無法對X65 鋼的屈服強度進行良好而可靠的預測。 然而， 這兩項研究工作對于母材的屈服強度與抗拉強度之間的關系獲得了相似的結果。 此外， 目前正考慮采用基于硬度或化學成分的人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN） 建模的非線性方法來預測X70 焊接管線鋼的拉伸和沖擊韌性力學性能。

3 結 論

（1） 提出了Φ1 219 mm×12.95 mm X70 大直徑螺旋埋弧焊管線鋼管的焊接工藝參數(shù)。

（2） 在熔融區(qū)和熱影響區(qū)， 基體中細小的鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ы鐗K狀鐵素體和針狀鐵素體。

（3） 宏觀檢查表明焊偏符合規(guī)范要求， 焊縫沒有體積缺陷或不連續(xù)缺陷。 母材和焊接接頭的化學分析和破壞性試驗結果完全滿足API SPEC 5L的質(zhì)量控制要求， 這表明焊接工藝非常有效。

（4） 對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析， 可以根據(jù)YS、 UTS 和YS 分別以決定系數(shù)R2=80%、 R2=65%和R2=60%來預測UTS、 UTSW和YTR。

（5） 預測數(shù)據(jù)與試驗值吻合較好， 所建模型可用于實際工程。

譯自： SAOUDI A, FELLAH M, SEDIK A,et al. Assessment and statistical correlation of mechanical properties of double sided single pass submerged arc welded line pipe steel[J].Engineering Science and Technology, 2019. DOI:10.1016/j.jestch.2019.06.006.