X80鋼管線焊接接頭組織性能研究

何南華,畢曉靜 (中石化江漢油建工程有限公司,湖北潛江433123)(中石油長慶油田分公司第二采氣廠,陜西榆林719000)

以一種海洋用X80管線鋼為研究對象,采用焊接工藝試驗、力學(xué)性能測試及顯微分析技術(shù)研究了藥芯自保護焊工藝下X80管線鋼焊接接頭的性能和熱影響區(qū)的組織變化規(guī)律。實際應(yīng)用表明,采用設(shè)計的藥芯自保護電弧焊工藝參數(shù)對X80管線鋼進行焊接,可以得到合格的焊接接頭。

X80管線鋼;藥芯自保護焊;焊接接頭;組織性能

世界范圍內(nèi)天然氣需求的快速增長和全球性天然氣市場的形成對高級管線鋼的發(fā)展起到了重要的推進作用。一般認(rèn)為,管線鋼每提高一個級別,可使管道造價降低5%～15%。因此,X80級管線鋼已成為我國陸地上長距離油氣輸送管道的首選材料[1-3]。但在海洋管道的建設(shè)中,目前使用的最高鋼級仍為X70鋼級,X80還未得到應(yīng)用。為此,筆者采用藥芯自保護焊的焊接方法,針對一種海洋用X80管線鋼管的環(huán)焊縫焊接進行工藝試驗,并對焊接接頭進行力學(xué)性能試驗和金相組織分析,旨在為海洋用X80級管線鋼在現(xiàn)場的焊接應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為X80管線鋼,其化學(xué)成分和常規(guī)力學(xué)性能如表1和表2所示。

表1 X80鋼的化學(xué)成分

表2 X80鋼的常規(guī)力學(xué)性能

1.2 焊接工藝試驗

根據(jù)以往的經(jīng)驗,設(shè)計了焊接工藝參數(shù)(見表3)。焊接坡口的尺寸及焊道分布如圖1所示。并按照工藝參數(shù)進行了試件的焊接。

表3 藥芯自保護焊焊接工藝參數(shù)

1.3 力學(xué)性能測試

根據(jù)API1104-2005標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求在焊接試件上截取力學(xué)性能測試試樣。其中:強度測試試樣3根,由?18mm×150mm的毛坯樣加工成標(biāo)距為?12.5mm×70mm的比例拉伸試樣;夏比V型沖擊韌性測試試樣3組,分別在試件的母材部位、焊接熱影響區(qū)部位和焊縫中心部位截取,每個部位截取3個試樣,加工成10mm×10mm×55mm的標(biāo)準(zhǔn)的夏比V型試樣,V型缺口沿試樣的板厚方向加工。試驗設(shè)備選用和試驗溫度均按照標(biāo)準(zhǔn)要求進行。圖2為從試件上截取下的焊接接頭維氏硬度測試點位置。

圖1 焊接坡口尺寸和焊接道次

1.4 金相組織分析

在試件上截取金相組織分析試樣,經(jīng)過磨制、拋光、4%的硝酸酒精溶液腐蝕后,在掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡下進行組織形貌觀察。

2 試驗結(jié)果及分析

圖2 焊接接頭維氏硬度測試點位置

2.1 維氏硬度

表4為測試得到的焊接接頭上各點的維氏硬度值。從表4可以看出,采用藥芯自保護方法焊接得到的X80焊接接頭各區(qū)域的維氏硬度均低于API5L標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值(280),合格。

2.2 沖擊韌性和強度

從沖擊韌性和強度的試驗結(jié)果(見表5)可以看出,采用藥芯自保護方法焊接得到的X80焊接接頭的沖擊韌性和強度均滿足標(biāo)準(zhǔn)(280)的要求,合格。

表4_各測試點的維氏硬度值

表5 沖擊韌性和強度的測試結(jié)果_____

2.3 金相組織

在力學(xué)性能滿足要求的情況下,進一步對焊接接頭各區(qū)域的金相組織進行分析。從焊接接頭不同區(qū)域的掃描電子顯微組織形貌(見圖3)可以看出,在經(jīng)歷了不同的焊接熱循環(huán)作用后,焊接接頭各區(qū)域呈現(xiàn)出不同的組織結(jié)構(gòu)特征。

試驗鋼母材(見圖3(a))的顯微組織為粒狀貝氏體,工程上習(xí)慣稱之為針狀鐵素體。針狀鐵素體在具有較高強度的同時,又具備了良好的沖擊韌性,因而在管道工程上得到了廣泛的應(yīng)用。該優(yōu)良的性能特點是由其微觀組織結(jié)構(gòu)決定的。從針狀鐵素體的TEM形貌(見圖4)可以看出,在一個原奧氏體晶粒內(nèi)可形成多個不同的取向、具有大角度晶界的板條束。由于針狀鐵素體尺寸參差不齊,彼此交錯分布,使材料具有較小的有效晶粒尺寸,促使材料強度的提高[4]。通過研究還發(fā)現(xiàn),在針狀鐵素體內(nèi)還具有細小的亞結(jié)構(gòu)和高密度的位錯(見圖5)。由于體心立方結(jié)構(gòu)層錯能高,位錯不易分解而容易發(fā)生交滑移,因而亞晶內(nèi)的位錯具有良好的運動能力,使得材料的變形能力得到提高。正是由于針狀鐵素體的這種亞晶結(jié)構(gòu)和內(nèi)部較高密度的可動位錯,從而使針狀鐵素體具有良好的強韌性[4]。

試驗鋼焊縫的顯微組織(見圖3(b))以細小的晶內(nèi)針狀鐵素體為主,輔以一定量的粗大的先共析鐵素體。晶內(nèi)針狀鐵素體為具有一定長寬比的鐵素體片相互交錯,宛如筐籃的編織結(jié)構(gòu),是管線鋼焊縫組織中經(jīng)?？梢姷慕M織形態(tài)[3]。該晶內(nèi)針狀鐵素體由于其細小和特殊的組織結(jié)構(gòu),因而具有較高的強度和一定的韌性[5]。

從圖3(c)可以看出,在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū),組織以粗大的粒狀貝氏體為主,伴有少量貝氏體鐵素體。原奧氏體晶粒的晶界清晰,粗大的板條貫穿奧氏體晶粒甚至穿過晶界,板條之間的縫隙為裂紋擴展提供了便利,因而該區(qū)的韌性損失最為嚴(yán)重。

當(dāng)熱循環(huán)峰值溫度下降到950～1100℃溫度范圍時(見圖3(d)),形成了細晶區(qū)。此時粒狀貝氏體在加熱和冷卻過程中發(fā)生完全重結(jié)晶,晶粒得到了細化,且大小較為一致,因而韌性得到了恢復(fù),通?？梢越咏覆牡捻g性水平。

圖3 焊接接頭不同區(qū)域的掃描電子顯微形貌

圖4 針狀鐵素體TEM形貌

圖5 針狀鐵素體中的位錯亞結(jié)構(gòu)

隨著熱循環(huán)溫度的進一步降低(＜950℃),母材中的粒狀貝氏體發(fā)生部分重結(jié)晶,因此最終得到的組織中晶粒大小不一致;同時由于該溫度處于(α+γ)的兩相區(qū)溫度范圍,容易形成粗大的M-A組元[4-5]。在以上2種因素的共同作用下,導(dǎo)致該區(qū)域的沖擊韌性較母材有較大幅度的下降(可達到20% ～30%),成為焊接熱影響區(qū)中的一個谷底。

3 結(jié)論

1)采用藥芯自保護焊方法,在設(shè)計的工藝條件下焊接X80管線鋼,可以得到合格的焊接接頭。

2)X80管線鋼和X80焊接接頭的顯微組織為針狀鐵素體和晶內(nèi)針狀鐵素體。針狀鐵素體的多位向形態(tài),細小的晶粒尺寸、高密度的位錯組態(tài)等組織特征,賦予X80管線鋼和X80焊接接頭高的強韌性。

[1]張斌,錢成文,王玉梅,等.國內(nèi)外高鋼級管線鋼的發(fā)展與應(yīng)用[J].石油工程建設(shè),2012,38(1):1-4.

[2]李鶴林.天然氣輸送鋼管研究與應(yīng)用中的幾個熱點問題[J].中國機械工程,2001,12(3):349-352.

[3]高惠臨.管線鋼與管線鋼管[M].北京:中國石化出版社,2012.

[4]張驍勇,高惠臨,畢宗岳,等.焊接熱循環(huán)對X80焊管焊縫組織與性能的影響[J].材料科學(xué)與工藝,2009,17(S2):159-163.

[5]張婷婷.高強度管線鋼焊接熱影響區(qū)組織與性能研究[D].北京:燕山大學(xué),2009.

[編輯]辛長靜

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1673-1409(2014)19-0066-03

2014-03-27

何南華(1971-),男,高級工程師,現(xiàn)主要從事油田地面建設(shè)管理方面的研究工作。