鄒文奇
[豪氏威馬(中國)有限公司, 漳州 363105]
S690高強度無縫鋼管具有高強度、高承載能力和優(yōu)良的抗沖擊性能,被廣泛用于海上起重設(shè)備(浮吊和起重機)、風(fēng)電安裝船、多功能鋪管船等海洋工程結(jié)構(gòu)和裝備上。海洋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜,對其焊接接頭的力學(xué)性能,特別是低溫沖擊韌性的要求很高,因此無縫鋼管焊接接頭的質(zhì)量控制成為保證結(jié)構(gòu)的服役壽命和使用安全性的關(guān)鍵技術(shù)和核心問題[1-3]。
S690高強度無縫鋼管經(jīng)過高溫穿孔、三錕斜軋、脫管及定徑等工序,再將其冷卻至室溫,由于缺乏更有效的組織和性能調(diào)控手段,熱軋態(tài)鋼管的成品合格率低[4]。對于壁厚較大的無縫鋼管,很難保證其顯微組織的均勻性,且容易產(chǎn)生成分偏析[5]。筆者開展了偏析對S690高強度無縫鋼管原材料性能及焊接工藝評定影響的分析。
材料為國產(chǎn)S690海洋工程用調(diào)制態(tài)高強度無縫鋼管,規(guī)格為660 mm×30 mm(外徑×壁厚),性能測試時的取樣位置如圖1所示。
圖1 性能測試取樣位置示意
根據(jù)GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》,采用直讀光譜儀對無縫鋼管進行化學(xué)成分分析,測試位置包括外表面、中心和內(nèi)表面,結(jié)果如表1所示。由表1可知:無縫鋼管的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由外表面向內(nèi)表面呈明顯遞增趨勢,且中心和內(nèi)表面的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過企業(yè)規(guī)范要求;碳當(dāng)量由外表面向內(nèi)表面出現(xiàn)明顯遞增趨勢,且內(nèi)表面的測試結(jié)果超過企業(yè)規(guī)范要求,碳當(dāng)量的變化將顯著影響無縫鋼管的焊接性能。
表1 無縫鋼管的化學(xué)成分分析結(jié)果 %
根據(jù)GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》,對無縫鋼管進行拉伸性能測試,試驗對象為全厚度的弧形試樣,測試結(jié)果如表2所示,結(jié)果符合企業(yè)規(guī)范要求。根據(jù)GB/T 229—2020 《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》,對無縫鋼管進行沖擊性能測試,測試結(jié)果如表3所示。無縫鋼管的內(nèi)、外表面沖擊吸收能量相差較大,且內(nèi)表面-60 ℃的沖擊性能測試結(jié)果不符合企業(yè)要求。
表2 無縫鋼管的拉伸性能測試結(jié)果
表3 無縫鋼管的夏比擺錘沖擊性能測試結(jié)果
無縫鋼管內(nèi)表面、中心和外表面的顯微組織形貌如圖2所示。 S690高強度無縫鋼管經(jīng)過調(diào)制處理后,組織為回火索氏體,內(nèi)表面有明顯的帶狀偏析。相對內(nèi)、外表面,無縫鋼管中心部位的組織更加粗大,這是因為在無縫鋼管錕軋過程中,內(nèi)、外表面受力擠壓后發(fā)生明顯變形,晶粒明顯細(xì)化;中心距受力位置較遠(yuǎn),擠壓對組織晶粒度的影響相對較小。
在焊接接頭上截取橫向試樣,進行側(cè)彎試驗,彎心位于焊縫中心處,通過彎曲產(chǎn)生塑性變形,使焊接接頭的橫截面發(fā)生拉伸變形。通過側(cè)彎試驗可以暴露焊接缺陷和考核熔合線的焊接質(zhì)量。根據(jù)LR船級社規(guī)范,在焊接無縫鋼管上取4個側(cè)彎試樣進行彎曲試驗,試驗后試樣焊接區(qū)域無裂紋及其他缺陷,滿足規(guī)范要求。
夏比擺錘沖擊試驗取樣位置如圖3所示,通過沖擊試驗檢測焊接接頭的沖擊韌性和焊縫的抗裂紋敏感性。根據(jù)LR船級社規(guī)范進行-40 ℃的夏比擺錘沖擊試驗,測試結(jié)果如表4所示。根部熔合線的沖擊吸收能量不符合LR船級社規(guī)范要求(≥69 J)。
表4 無縫鋼管焊接接頭夏比擺錘沖擊試驗結(jié)果
圖3 夏比擺錘沖擊試驗取樣位置示意
在焊接接頭上截取橫向試樣,對試樣進行橫向拉伸試驗,橫向拉伸試驗是衡量焊接接頭強度的重要指標(biāo)。根據(jù)LR船級社規(guī)范,制取2個試樣進行試驗,測試結(jié)果如表5所示,由于焊材和母材是等強匹配,即使在焊接過程中存在合金元素重熔,焊縫強度依然高于母材,測試結(jié)果滿足LR船級社規(guī)范的要求(≥770 MPa)。
表5 無縫鋼管焊接接頭橫向拉伸試驗結(jié)果
對焊接試樣進行宏觀觀察,發(fā)現(xiàn)焊縫完全焊透,焊縫表面沒有看到明顯的缺陷。焊縫硬度測試位置如圖4所示,硬度測試結(jié)果滿足LR船級社規(guī)范要求(≤420 HV)。
圖4 焊縫硬度測試位置示意
對S690高強度無縫鋼管的焊接熱影響區(qū)進行金相檢驗,結(jié)果如圖5所示。蓋面焊縫粗晶區(qū)組織為馬氏體+少量貝氏體,焊縫根部粗晶區(qū)的組織為馬氏體+晶界析出粒狀貝氏體+少量魏氏體。受焊接電弧熱的強烈作用,焊縫粗晶區(qū)奧氏體晶粒急劇長大,形成晶粒粗大的組織。當(dāng)焊接熱輸入量過大時,很高的冷卻速率導(dǎo)致焊縫粗晶區(qū)出現(xiàn)粗大的M-A組元(富碳馬氏體+殘余奧氏體)及魏氏體組織。焊縫根部熔合線附近同時有顆粒狀貝氏體沿晶界析出,導(dǎo)致粗晶區(qū)的沖擊韌性顯著降低[6-7]。
圖5 母材與焊縫界面顯微組織形貌
在S690高強度無縫鋼管的穿孔過程中,材料處于高溫狀態(tài)且在高速旋轉(zhuǎn),組織容易形成帶狀分布,進而影響無縫鋼管的性能。無縫鋼管內(nèi)表面存在明顯的帶狀偏析,導(dǎo)致內(nèi)表面碳元素含量和碳當(dāng)量均超過企業(yè)規(guī)范要求。碳元素是強間隙固溶元素,在鋼中加入碳元素對鋼有顯著的間隙固溶強化作用[8],可提高低合金高強度鋼的強度。鋼中的碳元素含量增加時,其屈服強度和抗拉強度升高,但塑性和沖擊韌性降低,焊接性能也會降低[9-10]。碳元素對鋼的淬硬及冷裂影響顯著,通常使用碳當(dāng)量來估計低合金鋼的焊接冷裂敏感性。當(dāng)碳當(dāng)量大于0.6%時,鋼的焊接性較差,容易產(chǎn)生焊接冷裂紋,需要采取較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝方法控制碳當(dāng)量。內(nèi)表面的帶狀偏析使S690高強度無縫鋼管內(nèi)表面的碳當(dāng)量達到0.641%,焊接時,焊接熱輸入較大,很高的冷卻速率導(dǎo)致根部粗晶區(qū)形成粗大的M-A組元及少量魏氏體組織,同時顆粒狀貝氏體沿晶界析出,材料的沖擊韌性顯著降低。
(1) S690高強度無縫鋼管內(nèi)表面存在明顯的帶狀偏析。
(2) 偏析使內(nèi)表面的碳元素含量和碳當(dāng)量超過規(guī)范要求,導(dǎo)致無縫鋼管內(nèi)表面的沖擊吸收能量偏低。
(3) 偏析使焊接工藝中根部熔合線處形成粗大的M-A組元和魏氏體組織,同時顆粒狀貝氏體沿晶界析出,導(dǎo)致沖擊韌性明顯降低。