楊 軍 ， 劉海璋 ， 符利兵 ， 宋紅兵 ， 茍世峰

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司 輸送管分公司，陜西 寶雞721008）

0 前 言

隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)，遠(yuǎn)距離、高壓油氣輸送已成必然，油氣輸送管道必然向著高強(qiáng)度、高韌性、大壁厚、大直徑以及大輸量方向發(fā)展[1-4]。高壓力、大流量管線的建設(shè)無疑對(duì)管道用鋼管的可靠性提出了更高要求，要求其不但具有高強(qiáng)度、低溫止裂韌性以及良好的焊接性，而且對(duì)特殊地區(qū)服役的管線鋼，還要求其具有良好的抗大變形和抗H2S腐蝕能力[5-8]。

螺旋埋弧焊管一步法生產(chǎn)是指成型和焊接同步進(jìn)行，即鋼卷經(jīng)過排棍成型并同時(shí)進(jìn)行鋼管內(nèi)焊縫埋弧焊接，在鋼管前進(jìn)適當(dāng)螺距后再進(jìn)行外焊縫埋弧焊接。與之相對(duì)應(yīng)的是螺旋預(yù)精焊技術(shù)，又稱兩步法螺旋埋弧焊管生產(chǎn)技術(shù)，是將鋼管的成型和埋弧焊接分開進(jìn)行。第一步，在螺旋成型過程中采用熔化極氣體保護(hù)焊在內(nèi)焊坡口完成預(yù)焊，這種預(yù)焊具有熔深小（一般2~3 mm），焊速高（可達(dá)3~6 m/min），操作簡(jiǎn)單，焊點(diǎn)位置可調(diào)范圍大，對(duì)成型控制無影響等優(yōu)點(diǎn)。第二步，對(duì)預(yù)焊成型的鋼管采用雙面埋弧自動(dòng)焊，內(nèi)、外焊相差適當(dāng)螺距同步進(jìn)行 （先進(jìn)行內(nèi)焊縫焊接，鋼管前進(jìn)適當(dāng)螺距后再進(jìn)行外焊縫焊接）。焊接中，焊縫附近母材會(huì)受到內(nèi)、外焊接熱循環(huán)的影響產(chǎn)生熱影響區(qū) （HAZ），同時(shí)外焊焊接時(shí)的熱循環(huán)會(huì)對(duì)已經(jīng)凝固的內(nèi)焊縫造成二次加熱，使內(nèi)焊縫部分區(qū)域發(fā)生二次相變，甚至?xí)鹫麄€(gè)焊縫力學(xué)性能的變化[9]。另外，內(nèi)焊余熱也會(huì)對(duì)外焊起到預(yù)熱作用。對(duì)于有一定冷裂傾向的高鋼級(jí)小壁厚管線鋼，當(dāng)采用小線能量（10 kJ/cm）在線焊接時(shí)，焊前預(yù)熱對(duì)于其產(chǎn)生的HAZ淬硬組織及冷裂紋有緩解作用[10]。有學(xué)者[11]指出，焊接HAZ會(huì)出現(xiàn)以氧化物夾雜誘導(dǎo)形成的散射狀晶內(nèi)針狀鐵素體，可分割細(xì)化HAZ中粗大的奧氏體晶粒，從而改善焊接HAZ的韌性。另外，M－A島形態(tài)、尺寸、分布及含量等對(duì)管線鋼的力學(xué)性能及韌性均有較大影響。細(xì)小彌散分布的M－A島組元可有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和疲勞裂紋擴(kuò)展，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中誘發(fā)裂紋，對(duì)管線鋼強(qiáng)度和韌性的提高有一定貢獻(xiàn)[12-13]。

有研究[14]報(bào)道焊縫力學(xué)性能的最薄弱區(qū)域處在焊縫粗晶區(qū)和臨界區(qū)。這兩區(qū)域組織出現(xiàn)粗大的多邊形鐵素體和板條狀鐵素體，M－A島由點(diǎn)狀生長(zhǎng)成片狀和塊狀，分布均勻性變差[15]。這種組織形態(tài)結(jié)構(gòu)縮短了裂紋擴(kuò)展路徑，降低了裂紋擴(kuò)展阻力，形成了焊縫韌性的最薄弱區(qū)域。不同預(yù)熱溫度和線能量的輸入對(duì)管線鋼焊縫組織和力學(xué)性能影響的研究已有大量報(bào)道，但對(duì)于在實(shí)際焊接中，不同焊接熱輸入對(duì)焊縫組織和力學(xué)性能及螺旋埋弧精悍工藝的影響報(bào)道甚少。為了追求高效焊接工藝和高質(zhì)量螺旋焊管，本研究將對(duì)三種規(guī)格鋼管分別采用不同精焊工藝得到的焊縫試樣進(jìn)行對(duì)比研究，旨在探討焊接熱輸入對(duì)螺旋預(yù)精焊管焊縫質(zhì)量的影響，對(duì)預(yù)精悍工藝提升提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所用鋼帶邊緣加工成X形焊接坡口，形狀設(shè)計(jì)及參數(shù)見圖1和表1。試驗(yàn)所用材料的鋼級(jí)、規(guī)格和化學(xué)成分見表2。

預(yù)焊采用單絲熔化極CO2氣體保護(hù)焊，焊接參數(shù)見表3。三種規(guī)格鋼管內(nèi)、外焊間隔相同，均為1/2螺距，且在外焊縫坡口處檢測(cè)到內(nèi)焊余熱溫度高達(dá)470℃。三種規(guī)格鋼管精焊焊接參數(shù)見表4。

圖1 焊接坡口設(shè)計(jì)

表1 焊接坡口形狀參數(shù)

表2 試驗(yàn)用材料的鋼級(jí)、規(guī)格及化學(xué)成分

表3 預(yù)焊工藝參數(shù)

表4 精悍工藝參數(shù)

試驗(yàn)時(shí)，對(duì)X70級(jí)φ813 mm×11.7 mm焊管，內(nèi)外焊采用兩種方式，一種是內(nèi)、外焊間隔相差1/2螺距；另一種是完成整根鋼管的內(nèi)焊后再進(jìn)行外焊，外焊時(shí)內(nèi)焊余熱完全釋放，溫度已降至室溫，即外焊不受內(nèi)焊余熱的影響。對(duì)于X80鋼兩種規(guī)格焊管，焊接時(shí)除焊接速度和熱輸入有差異外，其他焊接參數(shù)完全相同。

試驗(yàn)管焊接完成后，分別在各鋼管焊縫處取樣。沖擊試驗(yàn)采用V形缺口夏比沖擊試樣，V形夾角45°，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，按GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》在NAI500F擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)溫度為－10℃，低溫控溫介質(zhì)采用無水乙醇和液氮混合物，試樣在規(guī)定溫度溶液中保溫時(shí)間≥5 min，以保證試樣表面與內(nèi)部溫度一致，用低溫?zé)犭娕紲y(cè)量溫度。用司特爾Durascan－70型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)試焊縫處顯微硬度，加載載荷量10 kg。用4%硝酸酒精溶液腐蝕試樣，采用Olympus GX71型金相顯微鏡觀察焊縫和HAZ組織形貌。

2 內(nèi)焊和焊接熱循環(huán)對(duì)焊縫性能的影響

2.1 對(duì)焊縫及HAZ韌性的影響

2.1.1 對(duì)焊縫及HAZ夏比沖擊功的影響

焊接時(shí)，如果內(nèi)、外焊之間相差螺距較小，內(nèi)焊余熱損失小，余熱溫度高，對(duì)外焊的影響較大；如果相差螺距較大，內(nèi)焊余熱損失較大，余熱溫度低，對(duì)外焊的影響就不大。

－10℃環(huán)境下焊縫及HAZ夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表可見，編號(hào)為X70 11.7mm－W的試樣，內(nèi)、外焊之間相差螺距為整根鋼管，內(nèi)焊余熱完全釋放，對(duì)外焊幾乎沒有影響；而其他試樣由于內(nèi)、外焊相差1/2螺距，經(jīng)測(cè)試內(nèi)焊余熱溫度高達(dá)470℃，內(nèi)焊余熱對(duì)焊縫中心及HAZ的韌性影響較大。

表5 －10℃焊縫及HAZ夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

－10℃焊縫及HAZ夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示?？梢?，有內(nèi)焊余熱影響的 X70 11.7 mm試樣，焊縫及HAZ夏比沖擊功單值和均值均小于不受余熱影響的X70 11.7 mm－W試樣。

由圖2（a）可以看出，內(nèi)焊余熱使焊縫中心和HAZ的韌性有明顯降低，平均降幅分別達(dá)到了59.5%和39.9%，給鋼管使用帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)。

由圖2（b）可以看出，二者焊接速度相差0.1 m/min，而后者總的熱輸入較前者高出了0.44 kJ/mm，其沖擊功值卻有不同程度的降低，韌性受到消弱。因此，可通過適當(dāng)增大內(nèi)、外焊間隔距離，提高精焊焊接速度，或兩者結(jié)合均可以提高焊縫韌性，以此達(dá)到對(duì)焊接過程熱輸入量的精確控制來確保焊管各項(xiàng)性能指標(biāo)和質(zhì)量要求。

圖2 －10℃焊縫和HAZ的夏比沖擊功

2.1.2 對(duì)焊縫及HAZ顯微硬度的影響

焊縫處硬度測(cè)試位置如圖3所示，圖中至上而下依次有3條測(cè)試弧線，分別對(duì)應(yīng)的是外焊縫表層處（距外焊縫表面1.5 mm）、焊縫中間（1/2壁厚）和內(nèi)焊縫表層處 （距內(nèi)焊縫表面1.5 mm），且弧線上明確標(biāo)出了打點(diǎn)位置。焊縫硬度測(cè)試結(jié)果見表6。

圖3 硬度測(cè)試位置示意圖

各試樣3條測(cè)試線上硬度的變化如圖4所示。由圖4可以看出，內(nèi)焊余熱對(duì)焊縫以及HAZ顯微硬度無明顯影響。同一測(cè)試線上X70 11.7 mm和 X70 11.7 mm－W兩組試樣的硬度變化均呈現(xiàn)先增大后減小，交替發(fā)展趨勢(shì)，且焊縫中心處硬度大于HAZ和母材。

4組試樣焊縫中心處硬度較高的原因主要是由于焊絲和焊劑中微合金元素在焊接中擴(kuò)散不充分，分布不均勻，產(chǎn)生了微合金元素的富集區(qū)，并在此區(qū)域生成多種硬質(zhì)相的化合物或氧化物（包括Al2O3， MgO， Ti2O3， MnO 及 SiO2等）[15-16]， 造成其顯微硬度的突高。

因此，為獲得低硬度，高韌性的焊縫性能，在工藝制定中需根據(jù)母材特性恰當(dāng)選擇焊絲和焊劑匹配，并合理設(shè)計(jì)焊接參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)焊接熱輸入的精確控制。

表6 焊縫及HAZ硬度測(cè)試

圖4 圖3中上、中和下3條弧線上的硬度變化曲線

2.2 對(duì)焊縫及HAZ組織形貌的影響

4組焊縫及HAZ試樣的光學(xué)顯微組織如圖5所示。由圖可知，X70焊管的內(nèi)、外焊縫顯微組織主要由針狀鐵素體+少量準(zhǔn)多邊形鐵素體組成，HAZ主要由粗大且均勻性差的粒狀貝氏體組成。而X80焊管的內(nèi)、外焊縫呈針狀鐵素體組織，HAZ組織形態(tài)為尺寸較大的粒狀貝氏體，且晶界清晰可見。

對(duì)比圖5中的組織圖片可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)焊余熱對(duì)焊縫以及HAZ顯微組織有顯著影響。圖5（a）～圖5（c）中針狀鐵素體及準(zhǔn)多邊形鐵素體較圖5（d）～圖5（f）中的有明顯長(zhǎng)大，且分布雜亂，有無規(guī)則的多邊形鐵素體和板條鐵素體沿晶界處產(chǎn)生并長(zhǎng)大。內(nèi)焊余熱和外焊焊接熱循環(huán)雙重作用使焊縫處微觀組織有一定程度長(zhǎng)大，尤其在HAZ組織形態(tài)上更為明顯。焊接熱輸入的增大對(duì)焊縫處組織特征的影響較為明顯。 圖5（j）～圖 5（m）在組織形態(tài)、 尺寸上較圖 5（g） ～圖 5（i）顯得更加雜亂和粗大，且內(nèi)、外焊縫組織內(nèi)沿晶界產(chǎn)生的準(zhǔn)多邊形鐵素體有明顯的長(zhǎng)大，均勻化程度較差。

細(xì)小且分布均勻的組織結(jié)構(gòu)，能有效延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展路徑，增大裂紋擴(kuò)展阻力，對(duì)提高韌性有著較大作用[16-17]。因此，有效控制內(nèi)焊余熱（適當(dāng)調(diào)整內(nèi)、外焊之間的螺距）和焊接熱輸入對(duì)細(xì)化焊縫及HAZ微觀組織，提高其韌性有重要作用。

總之，內(nèi)焊余熱和焊接熱循環(huán)作用對(duì)焊縫及HAZ顯微組織有較大影響，為了獲得高質(zhì)量的焊管，勢(shì)必要對(duì)其加以調(diào)整和控制。具體可以通過增大內(nèi)、外焊之間的螺距，提高焊接速度，亦或是兩者結(jié)合的方法，均可以實(shí)現(xiàn)焊接熱輸入的精確控制，從而提高焊縫的韌性。

圖5 4組試樣內(nèi)、外焊縫及HAZ的光學(xué)顯微組織

3 結(jié) 論

（1）內(nèi)焊余熱和焊接熱循環(huán)對(duì)焊縫以及HAZ微觀組織、韌性及顯微硬度分布有較大影響。在其作用下，焊縫中心處和HAZ微觀組織有不同程度長(zhǎng)大，沖擊功明顯降低，韌性有一定程度衰減，顯微硬度峰值均出現(xiàn)在焊縫中心附近區(qū)域。為獲得高質(zhì)量、高性能焊縫，在制定生產(chǎn)工藝時(shí)須考慮內(nèi)焊余熱和焊接熱循環(huán)的作用。可采用適當(dāng)增大內(nèi)、外焊間距，提高焊接速度，亦或是兩者結(jié)合的方法，均可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接熱輸入的有效控制，從而穩(wěn)定和優(yōu)化焊縫性能。

（2）焊縫中心處由于焊絲和焊劑中微合金元素在焊接中擴(kuò)散不充分，分布不均勻，易產(chǎn)生微合金元素的富集，生成多種硬質(zhì)相的化合物或氧化物，造成其顯微硬度的升高。因此，為獲得低硬度，高韌性的焊縫性能，在工藝制定中須根據(jù)母材特性，恰當(dāng)選擇焊絲和焊劑匹配及合理設(shè)置焊接工藝參數(shù)。

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