David Han, 齊麗華, 霍春勇, José B. Bacalhau,Marcos A. Stuart Nogueira, Frank J. Barbaro, 張永青

(1.國際焊接研究中心 陜西 西安 710077；2.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；3.巴西冶礦公司 圣保羅 04538-133；4. 澳大利亞伍倫貢大學(xué) 新南威爾士 伍倫貢 2522；5. 中信金屬公司 北京 100004)

0 引 言

進(jìn)入二十一世紀(jì)，經(jīng)濟發(fā)展對清潔、高效的能源產(chǎn)生了巨大需求，中國長距離輸氣管道進(jìn)入高速發(fā)展時期，并且已經(jīng)建成了西氣東輸一線、二線、三線等標(biāo)志性管道工程[1]。

在管道建設(shè)施工中，環(huán)焊縫焊接是關(guān)乎管道安全的重要因素之一。由于不同企業(yè)生產(chǎn)的管線鋼化學(xué)成分的多樣性，如何保證這些不同化學(xué)成分配比的鋼管在現(xiàn)場環(huán)焊過程中形成性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠的焊接接頭，成為鋼管焊接性研究的關(guān)注重點。近幾年來，高強度鋼管管線發(fā)生了多次環(huán)焊縫斷裂事故，X80高強度管線鋼管的成分、組織、性能和其焊接性的關(guān)系引起相關(guān)方的高度關(guān)注。為此，由中國石油天然氣集團公司(CNPC)、中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院(TGRI)、中信金屬(CITIC Metals)和巴西礦冶公司(CBMM)聯(lián)合創(chuàng)建了國際焊接研究中心(International Welding Technology Center, IWTC)，針對高鋼級管線鋼管，采用先進(jìn)的技術(shù)裝備，開展高強度管線鋼的組織、性能及焊接性等關(guān)鍵技術(shù)研究，為中國乃至世界范圍內(nèi)管線建設(shè)提供技術(shù)支撐。

本文介紹了幾種典型X80管線鋼管的組織和性能，分析了環(huán)焊工藝對環(huán)焊縫質(zhì)量的影響，并采用焊接熱模擬試驗比較了不同鈮含量的X80管線鋼管的焊接性，其目的在于促進(jìn)和推動高強度管線鋼的發(fā)展和應(yīng)用。

1 幾種典型的X80鋼管的組織與性能

國內(nèi)外幾種典型的X80鋼試樣的化學(xué)成分，見表1，除XY099試樣為國外某管道用X80鋼管外，其余均為國產(chǎn)X80鋼管。

表1 典型X80管線鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

對國內(nèi)生產(chǎn)的5種鋼管試樣進(jìn)行拉伸性能、夏比沖擊、落錘撕裂試驗和維氏硬度測試等。管體橫向拉伸性能、夏比沖擊和落錘撕裂試驗結(jié)果，如圖1所示。埋弧焊縫內(nèi)外表面的硬度分布，如圖2所示。

圖1 5種X80鋼管管體關(guān)鍵力學(xué)性能試驗結(jié)果

圖2 5種X80鋼管的焊接接頭硬度分布

從圖1和圖2可以看出，國內(nèi)5種典型的X80管線鋼管的性能均具有良好的質(zhì)量，符合所有相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3為G055和F071直縫埋弧鋼管的焊縫宏觀形貌和粗晶區(qū)的組織。從圖3可以看出，內(nèi)外焊道與母材熔合良好，粗晶區(qū)的組織主要以粒狀貝氏體為主。

圖3 直縫埋弧焊管焊縫宏觀形貌及粗晶區(qū)組織

2 X80管線鋼管環(huán)焊工藝及性能保證措施

2.1 工藝參數(shù)

合適的焊接工藝是保證環(huán)焊縫性能的重要措施。對于具有特定坡口尺寸的對接鋼管，需要確定最佳的焊道順序、焊材規(guī)范以及各種工藝參數(shù)。以Φ1 422 mm×21.4 mm/25.7 mm的X80鋼管熔化極氣體保護(Gas Metal Arc Welding，GMAW)自動環(huán)焊為例，工藝參數(shù)包括：

- 電流；

- 電壓；

- 送絲速度；

- 焊接速度；

- 保護氣體類型和氣體流量；

- 焊接工藝評定所需要的其他參數(shù)。

嚴(yán)格控制上述參數(shù)才能保證焊接接頭性能。

2.2 坡口形式和焊接順序

為了保證焊接質(zhì)量，需要合理設(shè)計坡口形式和焊接順序。在環(huán)焊過程中，通過大量試驗及經(jīng)驗積累，不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，從而獲得高質(zhì)量的焊接接頭。推薦采用的GMAW自動環(huán)焊坡口設(shè)計及焊接順序，如圖4所示，并且組對錯邊要求不大于2.5 mm，局部50 mm內(nèi)不大于3.0 mm。

圖4 GMAW自動焊坡口設(shè)計及焊接順序

表2為21.4 mm和25.7 mm 壁厚鋼管的GMAW自動環(huán)焊推薦焊接層(道)數(shù)。表3和表4分別詳細(xì)列出了推薦的焊接填充材料、保護氣體和焊接工藝參數(shù)，包括電流、電壓、送絲速度、焊接速度和保護氣體流量等。

表2 GMAW環(huán)焊最少焊接層(道)數(shù)要求

表3 GMAW環(huán)焊的填充材料和保護氣體

表4 焊接工藝參數(shù)

2.3 焊接工藝評定

焊接工藝評定能夠確保焊接接頭及其熱影響區(qū)具有預(yù)期的質(zhì)量和性能，對于整個環(huán)焊過程而言，十分關(guān)鍵?；诖?，API Std. 1104《管道及相關(guān)設(shè)備焊接》標(biāo)準(zhǔn)要求對環(huán)焊接頭進(jìn)行探傷和性能測試，一般測試內(nèi)容包括：金相觀察、拉伸試驗、側(cè)彎試驗、刻槽錘斷試驗、沖擊韌性試驗和硬度試驗等。

硬度分布對于了解焊接工藝如何影響焊接接頭各區(qū)域的性能十分重要，因為，管線鋼的化學(xué)成分和焊接工藝的相互作用對于焊接接頭微觀組織和局部力學(xué)性能有顯著的影響。表5為G055和F071管線鋼管環(huán)焊接頭各區(qū)域的硬度分布結(jié)果，從表5可以看出，管體、熱影響區(qū)和焊縫的硬度值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，說明焊接接頭沒有產(chǎn)生冷裂紋的傾向。

表5 焊接接頭維氏硬度分布(HV10)

在各項力學(xué)性能中高強度管線鋼管環(huán)焊縫沖擊韌性尤其重要，因為其代表了該管線鋼管在焊接后能否正常服役。將A067焊縫和熱影響區(qū)不同位置的沖擊韌性，與管體沖擊韌性進(jìn)行了對比，如圖5所示。

圖5 A067的GMAW環(huán)焊縫接頭與管體母材沖擊韌性對比

從圖5可以看出，韌性變化的臨界區(qū)在熔合線附近。在這一區(qū)域，母材在焊接過程中達(dá)到最高溫度(接近母材的熔化溫度)如此高的溫度，促進(jìn)了原始奧氏體晶粒增長。從母材到焊接接頭熱影響區(qū)中的奧氏體晶粒粗化最為嚴(yán)重的熔合線區(qū)域，韌性持續(xù)惡化。因此，在實際工程中，需要通過優(yōu)化鋼材化學(xué)成分、編制合理的焊接工藝規(guī)程(Welding Procedure Specification，WPS)等，盡量降低焊接后接頭韌性減小幅度。

2.4 環(huán)焊縫無損檢測

焊接接頭的驗收標(biāo)準(zhǔn)對缺陷情況有相關(guān)規(guī)定[1-3]，一般要求在焊接接頭中沒有超標(biāo)的氣孔、未熔合、未焊透、夾渣等缺陷。因此，環(huán)焊完成后應(yīng)采用X射線檢測等無損檢測的方法來檢驗上述缺陷。另一方面，還需要對環(huán)焊縫接頭進(jìn)行宏觀形貌和微觀組織分析，以便更深入地觀察焊縫形貌和了解焊接缺陷的分布，并從顯微組織分析導(dǎo)致焊接接頭的性能產(chǎn)生差異的原因。圖6為典型環(huán)焊接頭不同區(qū)域的宏觀形貌以及粗晶區(qū)組織。

圖6 典型X80環(huán)焊接頭不同區(qū)域的宏觀形貌及粗晶區(qū)組織

3 不同鈮含量對X80管線鋼組織和焊接性的影響

在鋼的各種微合金化元素中，鈮(Nb)是最有效的微合金化元素，以至于鐵原子中含有豐富的Nb原子，就能達(dá)到改善鋼性能的目的。一般認(rèn)為，Nb元素能夠使得鋼在焊接過程加熱到峰值溫度的情況下具有較細(xì)的奧氏體晶粒尺寸，并有助于在較大的焊接熱輸入量和冷卻速率范圍內(nèi)獲得更高且更加穩(wěn)定的沖擊韌性值。對于Nb元素阻礙焊接粗晶區(qū)晶粒長大的原因，除了傳統(tǒng)的Nb的固溶和析出理論之外，最近還有晶界元素偏析理論[4]。以本文研究的幾種典型X80鋼管中Nb含量最高的XY099和Nb含量最低的G055為例，研究Nb含量不同對管線鋼組織性能和焊接性的影響。

3.1 不同鈮含量X80管線鋼的微觀組織

采用背散射衍射(Electron Back-Scattered Diffraction，EBSD)方法進(jìn)一步分析了G055和XY099管線鋼管體的晶粒度。圖7為2根試驗用鋼管管體材料EBSD的結(jié)果以及晶粒度的統(tǒng)計分布情況。由圖7可見，XY099出現(xiàn)細(xì)晶粒的頻率更高。定量分析表明，XY099的平均晶粒度為1.55 μm，而G055的平均晶粒度為2.27 μm。

圖7 G055與XY099管體材料微觀組織及奧氏體晶粒度尺寸統(tǒng)計

3.2 鈮含量對X80管線鋼管焊接性的影響

借助Gleeble熱模擬試驗機，利用熱膨脹法研究了G055和XY099在不同冷卻速率下的組織轉(zhuǎn)變情況，并測試了不同冷卻速率下的沖擊韌性。在試驗過程中，用200 ℃/s的速率將試樣加熱到1 300 ℃，保溫0.5 s。然后，在9 s內(nèi)將其冷卻至900 ℃。再從900 ℃開始，使用0.2～50 ℃/s的不同冷卻速率將試樣冷卻到室溫。

圖8為G055和XY099管線鋼的連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變(SHCCT)曲線。從圖8可以看出，與G055相比，含Nb量較高的XY099在更高的溫度下發(fā)生奧氏體組織轉(zhuǎn)變。而且，XY099鋼中的貝氏體轉(zhuǎn)變在600 ℃以上開始，鐵素體相的轉(zhuǎn)變溫度開始點比G055高了50 ℃以上。

圖8 不同合金成分管線鋼管的SHCCT曲線及不同冷卻下的沖擊韌性

圖9為2種X80管線鋼在2 ℃/s冷卻速率下得到的微觀組織。雖然相轉(zhuǎn)變后的微觀組織看起來非常相似，均為針狀鐵素體、貝氏體和少量的碳化物析出相，但是，通過晶粒度對比發(fā)現(xiàn)，XY099的平均晶粒尺寸為63 μm，而G055的平均晶粒尺寸為81 μm。在高溫下所產(chǎn)生的奧氏體晶粒度大小，以及微觀組織上的差異性對于控制焊接熱影響區(qū)的性能，特別是韌性，具有非常重要的影響。與其他低Nb管線鋼相比，Nb含量較高的X80鋼相轉(zhuǎn)變的差異性與其加熱到1 300 ℃后擁有更細(xì)的奧氏體晶粒有關(guān)。

圖9 2種管體母材在2 ℃/s速度下冷卻后的微觀組織對比

圖10顯示了不同冷卻速率對G055和XY099 管體材料沖擊韌性的影響。從圖10中可以清楚地看到，冷卻速率很大程度上影響了2種材料的韌性。其中，Nb含量較低的G055受到的影響更大，尤其是在低于12 ℃/s的冷卻速率下。而XY099在3～50 ℃/s較大范圍的冷卻速率范圍內(nèi)都具有較高韌性。在焊接過程中，冷卻速率大小一定程度上也對應(yīng)焊接過程中的熱輸入量的大小。因此，冷卻速率范圍越大，說明在實際焊接過程中采用的熱輸入量范圍也就越大，即Nb含量較高的XY099更適應(yīng)不同的焊接方法和焊接工藝。

圖10 兩種管體母材冷卻速率對其沖擊韌性的影響

如上文所述，在焊接熱模擬的過程中，從900 ℃開始，采用0.2～50 ℃/s范圍的冷卻速率將試樣冷卻至室溫。這個模擬過程并不能完全代表環(huán)焊縫或埋弧焊縫在實際焊接過程中粗晶區(qū)的實際工況，因為非典型的模擬條件獲得了非常高的韌性，在-20 ℃時甚至有韌性值幾乎達(dá)到480 J，而實際的焊接接頭粗晶區(qū)難以獲得如此高于母材的沖擊韌性。此外，對于焊接之后管線鋼材料中固溶的鈮含量的變化或析出還需要進(jìn)一步研究。

通過SHCCT曲線還可以研究焊接粗晶區(qū)，即采用不同的熱輸入量來模擬不同的熱循環(huán)過程。從SHCCT曲線中可以看出，更細(xì)的奧氏體晶粒尺寸促進(jìn)鐵素體以及針狀鐵素體組織的最終轉(zhuǎn)變在比較高的溫度下發(fā)生。雖然1 300 ℃的峰值溫度已經(jīng)足以在平衡態(tài)能夠溶解所有鈮的碳化物，但是較短的峰值溫度停留時間不足以完成所有碳化鈮的溶解，而剩余的析出相能夠很好地控制奧氏體晶粒的長大。因此，高鈮含量在高溫下能夠使碳化物更加穩(wěn)定。奧氏體轉(zhuǎn)變溫度較高可能是由于奧氏體晶粒細(xì)化以及固溶的碳含量較低。

鈮元素對防止焊接熱影響區(qū)晶粒粗化的作用主要歸因于細(xì)小的鈮析出相，如圖11所示[5-6]。在本研究中，鈮含量較高的鋼在峰值溫度(1 300 ℃)下具有較細(xì)的奧氏體晶粒尺寸，這有助于在一定的冷卻速率范圍內(nèi)獲得更高且更加穩(wěn)定的沖擊韌性值，這一結(jié)果與CISRI、SZMF和UOW發(fā)表的研究結(jié)果一致[7-9]。這些研究比較了不同鈮含量X80鋼的性能，特別是對奧氏體晶粒尺寸的改善作用，能夠在較大的焊接熱輸入和冷卻速率范圍內(nèi)獲得高韌性的焊接接頭。

圖11 鈮含量和冷卻速率對熱影響區(qū)奧氏體晶粒細(xì)化的影響

圖12為不同鈮含量管線鋼的冷卻速率和沖擊韌性的關(guān)系[9]。隨著焊接熱輸入的增加，晶粒粗化的阻礙能力有增強趨勢，從而在不同Δt8/5時間內(nèi)保證了焊接熱影響區(qū)的韌性基本一致。

圖12 不同鈮含量管線鋼的冷卻速率與沖擊韌性的關(guān)系

4 結(jié) 論

1)國內(nèi)典型化學(xué)成分的X80管線鋼管均具有良好的性能，其管體性能及焊接性滿足工程需要。同時，隨著碳當(dāng)量和碳含量的增加，制管焊縫的硬度有增加的趨勢。

2)X80管線鋼管環(huán)焊縫接頭性能與坡口尺寸、焊接工藝參數(shù)等密切相關(guān)，采用合理的焊接工藝并控制焊接缺陷，能夠獲得較好的環(huán)焊縫接頭性能。

3)鈮含量較高的X80管線鋼焊接熱影響區(qū)在較大的冷卻速率范圍均具有較高的韌性，對不同的焊接方法和焊接工藝具有較好的適應(yīng)性。

4)與鈮含量低的管線鋼相比，高鈮X80管線鋼的奧氏體轉(zhuǎn)變溫度較高，奧氏體晶粒更細(xì)小，有利于管線鋼的性能和焊接粗晶區(qū)的韌性改善。