李 麗， 楊 軍， 牛 輝， 劉海璋， 席敏敏

（1.川慶鉆探工程公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，四川 廣漢 618300；2.國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司 鋼管研究院，陜西 寶雞 721008）

石油、天然氣長距離管線輸送是目前公認的最為經(jīng)濟合理的運輸方式。我國2008年初開工建設的西氣東輸二線輸氣管線工程是世界上距離最長、直徑最大、使用X80管線鋼最多的天然氣管線，主干線長4 918 km，全部采用X80鋼級Φ1 219 mm管線鋼管。與此同時，X90管線鋼在我國西氣東輸三線的試驗段應用也被提上日程，X100、X120鋼級管線鋼也在試驗開發(fā)中。隨著石油天然氣需求的不斷增長，遠距離高壓油氣輸送管道建設向著高強度、高韌性、大壁厚、大直徑及大輸量方向發(fā)展[1-4]。提高鋼級、減小壁厚能有效節(jié)約管道建設成本，每提高一個鋼級可節(jié)約成本7%[5]。高壓遠距離、大輸量管線工程的建設，對管線用鋼在強度、韌性、塑性等性能指標方面有更高要求，尤其對低溫韌性和韌脆轉(zhuǎn)變特性。在極端或嚴苛服役條件下，還會要求管線鋼具有良好抗大變形能力[6-9]。

X80管線鋼是在C-Mn系列低碳鋼中加入微量Nb、V、Ti，并利用控扎控冷技術(shù)，通過碳（氮）化合物析出強化來提高材料強度[10]，具有良好的沖擊韌性和焊接性。然而，隨著高強管線鋼管的不斷推廣應用，服役管線的安全性和性能的可靠性將是關注的重點。對于高壓超長大輸量高強管線工程而言，焊縫及熱影響區(qū)（HAZ）性能較其他位置更受到關注，而韌性是關注的焦點。焊縫和HAZ的韌性影響因素眾多，就鋼管成型和焊接過程的影響鮮有報道，因此，本研究系統(tǒng)綜述鋼管成型和焊接過程對高強管線鋼焊縫和HAZ韌性的影響，對高強管線鋼管生產(chǎn)、管線工程建設及服役安全和可靠性研究提供參考。

1 鋼管成型對焊縫和HAZ沖擊韌性的影響

1.1 成型角α的影響

螺旋焊縫的切線與管體表面上的縱向直線間形成的夾角即為成型角α（如圖1所示[11]）。由于螺旋焊管原料鋼帶沿軋制方向的沖擊韌性高于橫向，因此，增大成型角α將對螺旋焊管環(huán)向韌性有所改善。

圖1 螺旋焊管成型示意圖

1.2 成型角α對合縫間隙τ的影響

實踐證明，螺旋焊管成型時合適的間隙對焊接有利[12-14]，若間隙太小，則焊液不能流進縫內(nèi)，容易形成虛焊；若間隙太大，焊液會流出發(fā)生燒穿，使焊縫組織變化，大大影響焊接強度及使用壽命；若無間隙，會形成錯邊。

成形角α與合縫間隙τ及鋼管直徑D的關系式[15]為

式中：△D―鋼管直徑增量變化；

△α―成型角增量變化。

由式（1）可知，影響焊縫間隙的主要因素是成型角和鋼管直徑。實際焊接中，△α變化，會引起τ有較大變化。所以需要調(diào)整成型角度，使焊縫實際間隙控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

當鋼管直徑不變，即ΔD=0時，則

式（2）體現(xiàn)的是成型角的變化對焊縫寬度的影響，負號表示變化方向相反。

當成型角不變，即△α=0時，則

式（3）體現(xiàn)的是焊管直徑的變化對合縫間隙的影響。

1.3 成型合縫的影響

螺旋埋弧焊管成型合縫質(zhì)量嚴重影響鋼管焊接質(zhì)量和焊縫性能。成型合縫前要求板邊平整、無擠傷、無刮傷、無氧化皮、無凹坑、無結(jié)疤、無裂縫、無折疊、無夾雜等，成型合縫后要求坡口間隙均勻、無錯邊、擠厚、噘嘴等。但在實際生產(chǎn)中，受管徑、成型角、銑邊/剪邊質(zhì)量、設備穩(wěn)定性等眾多因素影響，常出現(xiàn)異常合縫。異常合縫的出現(xiàn)將對鋼管焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響，容易出現(xiàn)氣孔、夾渣、焊偏等焊接缺陷，進而影響焊縫性能。按異常合縫的形貌特征可將它們分為間隙異常合縫（如圖2[16]所示）、錯位合縫（如圖3[16]所示）和非對稱合縫（如圖4[16]所示）3種。

間隙異常合縫產(chǎn)生的原因分別是立輥擠厚、卷邊輥擠壓和自由邊/遞送邊變形不足造成。合縫間隙異常易在焊縫中心沿縱向形成夾渣、氣孔、 鐵豆等缺陷，嚴重影響焊縫性能。解決途徑是：選用合適卷邊輥并防止帶鋼跑偏，避免焊劑夾帶進入內(nèi)焊成型合縫間隙內(nèi)。

圖2 合縫間隙異常示意圖

圖3 錯位合縫示意圖

圖4 非對稱合縫示意圖

帶鋼跑偏后受限位立輥作用自由邊一側(cè)擠厚，合縫后即呈錯位合縫（如圖3（a）所示）。錯邊產(chǎn)生的原因有帶鋼“月牙彎”、遞送邊與自由邊變形不均勻、焊墊輥位置不合適、成型咬合過緊及帶鋼位置不正等。錯位合縫的錯邊和擠厚引起的焊接缺陷主要有焊偏、偏流、夾渣、氣孔等，缺陷偏離焊縫中心。主要預防措施是：防止帶鋼跑偏擠厚，調(diào)整成型工藝參數(shù)減弱“月牙彎”帶來的錯邊影響，調(diào)整焊接參數(shù)及焊縫跟蹤解決未焊透、未熔合、焊偏等缺陷，防止內(nèi)焊咬和縫內(nèi)夾帶焊劑。

非對稱合縫的產(chǎn)生主要是由圓盤剪或銑刀加工量及帶鋼“波浪彎”、 “月牙彎”綜合作用的結(jié)果。3種非對稱合縫（圖4）易產(chǎn)生焊偏、未焊透、未熔合，嚴重時于內(nèi)焊縫根部產(chǎn)生氣孔、夾渣。精確設置刀具銑削加工參數(shù)，提高矯平工序的效能，采用高質(zhì)量的原料帶鋼是預防和解決非對稱合縫的主要方法。

2 鋼管焊接對焊縫和HAZ沖擊韌性的影響

2.1 坡口設計的影響

一般采取鋼板邊緣開I形（壁厚≤8 mm）、Y形（8 mm＜壁厚≤15 mm）或 X 形（壁厚＞15 mm）坡口后進行埋弧焊接。不合理的焊接坡口形式及尺寸嚴重影響螺旋埋弧焊管焊縫質(zhì)量。文獻[16]研究了X80鋼級、壁厚18.4 mm管線鋼試樣在其他焊接條件不變的情況下，隨外焊坡口角度增加焊縫韌性略有增加，熱影響區(qū)韌性有所下降。表明外焊坡口角度對大壁厚高鋼級螺旋埋弧焊管焊縫和熱影響區(qū)沖擊韌性有顯著影響。

2.2 焊接工藝參數(shù)的影響

焊接熱輸入、層間溫度和焊接材料等是焊接工藝參數(shù)的主要組成部分，焊接熱輸入集中反映了焊接電流、電壓和焊接速度的綜合影響，是決定焊縫冷卻速度和性能的主要因素，而層間溫度（通常指預熱溫度）則是決定焊縫冷卻速度的重要因素之一[17]。在其他條件相同的條件下，沖擊韌性隨線能量增加而顯著下降，且大線能量下試樣沖擊韌性具有明顯分散性；當預熱溫度在100℃左右時，韌性較好；溫度過低和過高，韌性均下降，且小線能量應匹配較高預熱溫度，而大線能量應匹配較低預熱溫度[18-19]。X80管線鋼粗晶熱影響區(qū)韌性隨預熱溫度的變化曲線如圖5所示[20]。

圖5 X80管線鋼粗晶熱影響區(qū)韌性隨預熱溫度的變化曲線

研究顯示[20-22]，內(nèi)焊余熱和焊接熱循環(huán)作用對焊縫及HAZ韌性有較大影響。在內(nèi)焊余熱和焊接熱循環(huán)作用下，焊縫及HAZ夏比沖擊功均有明顯降低，韌性呈衰減趨勢。隨焊接熱輸入增大，X80高強管線鋼焊縫柱狀晶區(qū)寬度增大，針狀鐵素體板條粗化，低溫沖擊吸收功先升高后降低，當熱輸入為31 kJ/cm時焊縫金屬低溫沖擊性能最好[23]。而X100管線鋼則強韌性降低[24-25]，當熱輸入約10 kJ/cm時，焊接HAZ粗晶區(qū)的顯微組織以貝氏體鐵素體和粒狀貝氏體為主，材料具有最佳強韌性水平；當熱輸入約20 kJ/cm時，焊接HAZ粗晶區(qū)的顯微組織以粒狀貝氏體和準多邊形鐵素體為主，材料有較好強韌性匹配；而當熱輸入大于30 kJ/cm時，由于多邊形鐵素體及M-A組元增多，材料強韌性降低。圖6為X100管線鋼在-20℃條件下，沖擊吸收功隨焊接熱輸入增加的變化曲線。

圖6 X100管線鋼在不同熱輸入下的夏比沖擊功（-20℃）

2.3 焊材選用的影響

高強管線鋼埋弧焊接用焊絲和焊劑在制管焊接中均參與冶金反應，是焊縫性能的決定因素之一，要求其在提高焊縫強度的同時還要保證有優(yōu)良的低溫韌性。焊縫屬于熔敷金屬，其性能與HAZ和母材有明顯不同，主要由焊材合金成分、性能特點和焊接工藝決定。

X80及以上鋼級管線鋼焊接時，需根據(jù)相關標準對鋼管焊縫合金成分、性能指標、微觀組織等要求進行焊材的合理選用，一般為超強匹配。即焊縫抗拉強度要高于母材，且其他性能指標均要滿足相關生產(chǎn)標準要求。X80高強管線鋼管的生產(chǎn)制備，焊絲/焊劑主要根據(jù)匹配使用原則選用，主要牌號有BG-H08E/BG-SJ101G、BGH08C/BG-SJ101G、 BG-H06H1/BG-SJ101H1和CHW-SG4/CHF102GX。X90和 X100管線鋼焊接，焊材使用各管廠自主開發(fā)的專用焊絲和焊劑。X80級管線鋼管焊縫熔敷金屬區(qū)組織為晶內(nèi)針狀鐵素體（IAF）+粒狀貝氏體（B粒）+先共析鐵素體（PF）+珠光體（P）， 而 X90和 X100鋼級管線鋼管焊縫熔敷金屬區(qū)組織為針狀鐵素體（AF）+多邊形鐵素體（QPF）+M-A組元+少量PF。圖7為X80、X90和X100管線鋼管焊縫熔敷金屬區(qū)OM微觀組織。

焊絲的多元合金化+微合金化特性在焊縫熔敷金屬區(qū)形成的復雜冶金作用過程中，抑制了大量QPF的形成，促進AF轉(zhuǎn)變，有效提高了焊縫中AF比例[26]。圖8[27]給出了微合金元素Nb、V、Ti對針狀鐵素體體積分數(shù)的影響。陳延清[27]等人根據(jù)合金元素強韌化機理及作用，設計確定Mn-Mo-Ti-B-Zr作為X80管線鋼埋弧焊絲的合金系。該焊絲熔敷金屬力學性能優(yōu)良，屈服強度＞560 MPa，抗拉強度＞660 MPa， -40℃沖擊吸收功為102 J，金相組織以細小針狀鐵素體為主，低溫沖擊韌性優(yōu)良，實現(xiàn)了高強韌性的目標。與F80焊劑匹配使用，焊接馬鋼、首鋼、太鋼、武鋼生產(chǎn)的厚18.4 mm X80熱軋板卷，鋼管焊接接頭抗拉強度、硬度及焊縫金屬-10℃的沖擊韌性等主要性能指標均滿足《西氣東輸二線管線工程用螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》的要求。

圖7 不同鋼級管線鋼管焊縫熔敷金屬區(qū)微觀組織特征

圖8 Nb、V、Ti含量對針狀鐵素體體積分數(shù)的影響

管線鋼埋弧焊接過程中一般選用氟堿性燒結(jié)焊劑[28]，由于堿性燒結(jié)焊劑含有較多堿性氧化物，利于清除焊縫中S、P等雜質(zhì)元素，且與SiO2結(jié)合有利于降低SiO2的活度，使鋼中的Si與O更易形成SiO2，促使焊縫脫氧，減少合金元素的燒損流失，有利于提高焊縫沖擊韌性[29-32]。目前制管過程中廣泛使用的燒結(jié)焊劑是SJ101G，該焊劑屬于氟堿型燒結(jié)焊劑，堿度值為1.6～2.0，熔渣成分： w（CaO+MgO+MnO+CaF2）≥50%、 w（SiO2）≤20%、w（CaF2）≥15%，與管線鋼專用埋弧焊絲匹配可以得到高韌性的焊縫。

3 結(jié) 論

（1）油氣管道的可靠性和安全性是管道輸送系統(tǒng)正常運營應該考慮的重點。管線設計和安全評定主要使用平面應變沖擊韌性及平面應變斷裂韌性作為材料破壞的指標。沖擊韌性是管線鋼重要的性能之一，也是管道設計必須考慮的重要因素。

（2）高強管線鋼管焊縫區(qū)沖擊韌性影響因素很多，從工程生產(chǎn)角度，由于各生產(chǎn)單位生產(chǎn)設備的不同和原料性質(zhì)的差異及生產(chǎn)過程實際情況的變動等不確定因素的存在，使得通過調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)達到提高焊縫中心和HAZ沖擊韌性的方法存在一定局限性，其效能有限。對于提高焊縫及HAZ沖擊韌性最直接有效的方法是在正確制定成型和焊接工藝前提下合理選用焊材。

（3）焊劑按氧化物性質(zhì)可分為酸性、中性和堿性。酸性焊劑對鐵銹不敏感，而當焊劑中主要組分為 w（CaF2）≥15%、 w（CaO+MnO+MgO+CaF2）≥50%、w（SiO2）≤20%時，該焊劑為氟堿性焊劑。堿性焊劑可使焊縫抗熱裂性能優(yōu)良，強度韌性提高。

（4）焊縫中O、S、P和N的含量對其韌性有嚴重影響。在焊絲生產(chǎn)制備時，通常向焊絲中添加不同合金元素使其在焊接過程中達到降低或消除有害元素的目的。因此，在焊絲生產(chǎn)制備時，盡可能降低O、S、P和N，適當控制 Mn、Ni、Si、Ti和B等含量，加入適量Nb，開發(fā)出含Nb微合金的新型高強韌性焊絲。另外，適當減少Mo含量，而添加適量Ni，也可作為開發(fā)新型高強韌性焊絲的新途徑。

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