趙 波，李國(guó)鵬，王 旭，付彥宏，劉 濤，張 紅，李 濤

（1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海裝備研究院，河北 青縣062658；2.渤海裝備國(guó)家企業(yè)技術(shù)中心鋼管研發(fā)分中心，河北 青縣062658）

X80鋼焊接熱影響區(qū)脆化軟化現(xiàn)象熱模擬試驗(yàn)研究

趙 波1,2，李國(guó)鵬1,2，王 旭1,2，付彥宏1,2，劉 濤1,2，張 紅1,2，李 濤1,2

（1.中國(guó)石油集團(tuán)渤海裝備研究院，河北 青縣062658；2.渤海裝備國(guó)家企業(yè)技術(shù)中心鋼管研發(fā)分中心，河北 青縣062658）

為了研究X80管線鋼焊接熱影響區(qū)（HAZ）組織及力學(xué)性能隨冷卻速度和焊接線能量的變化規(guī)律，采用熱模擬試驗(yàn)的方法，對(duì)特定化學(xué)成分和原始金相組織的26.4mm厚X80管線鋼進(jìn)行了熱模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)采用加速冷卻或高熔敷率低線能量焊接工藝，可以適當(dāng)提高熱影響區(qū)冷卻速度，達(dá)到細(xì)化熱影響區(qū)晶粒、改善或消除熱影響區(qū)脆化軟化的目的，有效改善了X80管線鋼熱影響區(qū)強(qiáng)韌匹配，提高了產(chǎn)品合格率。

焊接；X80管線鋼；脆化軟化；加速冷卻；低線能量

隨著油氣管道的高壓、長(zhǎng)距離、大直徑輸送技術(shù)的發(fā)展，對(duì)管線鋼的強(qiáng)度、韌性和焊接性提出了愈來(lái)愈高的要求，X80管線鋼現(xiàn)已逐漸成為輸氣管道的主導(dǎo)鋼材，大規(guī)模地應(yīng)用于管道建設(shè)[1]。目前X80高性能管線鋼的生產(chǎn)技術(shù)日益成熟，已建成世界工程量最大的X80西氣東輸二線。

如今在高鋼級(jí)焊管的生產(chǎn)中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題最多的是焊縫熱影響區(qū)（HAZ）脆化、軟化等[2-3]。焊管焊接熱影響區(qū)的性能關(guān)系到焊管質(zhì)量和管道運(yùn)行安全。為了提高焊管的焊接質(zhì)量和成品率，根據(jù)控軋控冷工藝、加速冷卻工藝對(duì)管線鋼母材金相組織力學(xué)性能的影響規(guī)律[4-9]，提出以焊接加速冷卻和高熔敷率低線能量[10-15]兩項(xiàng)新型焊接工藝來(lái)改善焊接熱影響區(qū)強(qiáng)韌性的方法。采用熱模擬試驗(yàn)技術(shù)對(duì)特定化學(xué)成分和原始金相組織的X80管線鋼焊接熱影響區(qū)組織及力學(xué)性能隨冷卻速度和焊接線能量的變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為壁厚26.4mm的X80鋼，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。X80鋼板的原始金相組織如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，其主要組織為細(xì)化針狀鐵素體。利用Gleeble－3180熱模擬試驗(yàn)機(jī)分別進(jìn)行了熱影響區(qū)軟化和脆化的熱模擬試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)用X80鋼的化學(xué)成分 %

圖1 X80鋼板的金相組織

熱影響區(qū)軟化熱模擬試驗(yàn)，拉伸熱模擬試樣沿鋼板橫向截取，加工成Φ10mm×100mm的圓棒樣。首先分別進(jìn)行800℃、900℃和1 000℃三種峰值溫度時(shí)，正常多絲埋弧焊53 kJ/cm焊接線能量時(shí)4.4℃/s冷速下材料強(qiáng)度變化的熱模擬試驗(yàn)，找出焊接接頭中軟化最嚴(yán)重區(qū)域的峰值溫度，然后在該峰值溫度下，在冷卻速度分別為10℃/s、15℃/s和20℃/s條件下進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)，利用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行材料熱模擬拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度的測(cè)定，找出該材料軟化區(qū)域強(qiáng)度隨冷卻速度的變化規(guī)律；以正常多絲埋弧焊一半焊接線能量27 kJ/cm，進(jìn)行1 000℃峰值溫度下，材料的強(qiáng)度值測(cè)定，找出熱區(qū)軟化程度與線能量的關(guān)系。

熱影響區(qū)脆化熱模擬試驗(yàn)，沖擊熱模擬試樣也沿鋼板橫向截取，加工成10mm×10mm×55mm的矩形試樣。在粗晶區(qū)峰值溫度1 350℃條件下，分別進(jìn)行正常冷速4.4℃/s，以及10℃/s、15℃/s和20℃/s加速冷卻下的粗晶區(qū)沖擊試樣的熱模擬試驗(yàn)，利用沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行－10℃溫度下的沖擊韌性測(cè)定，找出該材料粗晶脆化區(qū)域韌性隨冷卻速度的變化規(guī)律；以正常多絲埋弧焊一半焊接線能量27 kJ/cm，進(jìn)行1 350℃峰值溫度下，材料的沖擊韌性測(cè)定，找出熱區(qū)脆化程度與線能量的關(guān)系。

2 加速冷卻和焊接線能量對(duì)強(qiáng)度的影響

加速冷卻和焊接線能量對(duì)熱影響區(qū)強(qiáng)度的影響見(jiàn)表2。從表2可以看出，該X80材料經(jīng)過(guò)焊接線能量53 kJ/cm的熱循環(huán)后，焊接熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)出現(xiàn)了明顯的軟化現(xiàn)象，該鋼軟化最嚴(yán)重的位置出現(xiàn)在細(xì)晶區(qū)峰值溫度1 000℃區(qū)域，該處屈服強(qiáng)度比母材降低94 MPa，抗拉強(qiáng)度比母材降低44 MPa。

表2 加速冷卻和焊接線能量對(duì)熱影響區(qū)強(qiáng)度的影響

采用加速冷卻工藝和高熔敷率低線能量焊接工藝后，該鋼熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)的軟化問(wèn)題得到了顯著改善，幾乎可以達(dá)到消除軟化的效果。當(dāng)采用加速冷卻工藝，將正常焊接4.4℃/s的空冷速度分別提高到10℃/s、15℃/s和20℃/s時(shí)，細(xì)晶區(qū)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，抗拉強(qiáng)度可以恢復(fù)到母材原始抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度比焊態(tài)空冷時(shí)提高了43～54 MPa。

當(dāng)采用高熔敷率低線能量焊接工藝后，利用提高單位焊接電流焊絲熔化速度的方法，提高焊接速度，將焊接線能量從53 kJ/cm降至27 kJ/cm，可以看出細(xì)晶區(qū)屈服強(qiáng)度比焊態(tài)空冷時(shí)提高了83 MPa，比原始母材僅降低了11 MPa，細(xì)晶區(qū)抗拉強(qiáng)度比焊態(tài)空冷時(shí)提高了69 MPa，比原始母材提高了25 MPa。也就是說(shuō)采用高熔敷率低線能量焊接也可以達(dá)到了控制熱影響區(qū)軟化的目的。

3 加速冷卻和焊接線能量對(duì)韌性的影響

加速冷卻和焊接線能量對(duì)粗晶區(qū)韌性的影響見(jiàn)表3。從表3可看出，該鋼在經(jīng)歷53 kJ/cm的焊接熱循環(huán)后，粗晶區(qū)出現(xiàn)了明顯的脆化現(xiàn)象，-10℃溫度條件下沖擊功平均只有28 J。采用加速冷卻工藝將熱影響區(qū)冷速?gòu)?.4℃/s分別提高到10℃/s、15℃/s和20℃/s時(shí)，粗晶區(qū)沖擊功分別增加到344 J、360 J和222 J，粗晶區(qū)脆化得到了根本性改善。采用高熔敷率、低線能量焊接工藝后，焊接線能量從53 kJ/cm降低到27 kJ/cm，粗晶區(qū)沖擊功平均值增加到164 J，可見(jiàn)采用低線能量焊接工藝可以達(dá)到改善粗晶區(qū)韌性的目的。

表3 加速冷卻和焊接線能量對(duì)粗晶區(qū)韌性的影響

4 加速冷卻和焊接線能量對(duì)硬度的影響

加速冷卻和焊接線能量對(duì)熱影響區(qū)硬度的影響見(jiàn)表4。從表4可以看出，整體上來(lái)說(shuō)，焊態(tài)、加速冷卻、低線能量焊接的熱區(qū)硬度變化不大，采用加速冷卻、高熔敷率低線能量焊接工藝后的粗晶區(qū)硬度都略有提高，但基本都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。只有采用27 kJ/cm低線能量焊接時(shí)，粗晶區(qū)硬度為286 HV10，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求值280 HV10，可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整線能量杜絕硬度超標(biāo)問(wèn)題。

表4 加速冷卻和焊接線能量對(duì)熱影響區(qū)硬度的影響

5 加速冷卻和線能量對(duì)金相組織的影響

加速冷卻和焊接線能量對(duì)熱影響區(qū)金相組織和晶粒度的影響見(jiàn)表5。從表5可看出，采用加速冷卻、高熔敷率低線能量?jī)煞N焊接工藝后，粗晶區(qū)均得到了顯著的細(xì)化，細(xì)晶區(qū)晶粒度變化不大。

表5 加速冷卻和焊接線能量對(duì)熱影響區(qū)金相和晶粒度的影響

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)X80鋼熱模擬試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

（1）該X80鋼級(jí)大線能量多絲埋弧焊熱影響區(qū)存在較嚴(yán)重的脆化、軟化問(wèn)題。

（2）采用加速冷卻、高熔敷率低線能量焊接兩種新焊接工藝，可以細(xì)化熱影響區(qū)晶粒，對(duì)于改善X80鋼熱影響區(qū)粗晶區(qū)脆化和細(xì)晶區(qū)軟化問(wèn)題是有效的，甚至可以消除熱區(qū)的脆化、軟化問(wèn)題。

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Thermal Simulation Experiments Research on Heat-affected Zone Embrittlement and Softening of X80 Pipeline Steel

ZHAO Bo1,2，LI Guopeng1,2，WANG Xu1,2，F(xiàn)U Yanhong1,2，LIU Tao1,2，ZHANG Hong1,2，LI Tao1,2
（1.CNPC Bohai Equipment Research Institute,Qingxian 062658,Hebei,China；2.Bohai Equipment Steel Pipe Research Branch Center of State Enterprise Technology Development Centers,Qingxian 062658,Hebei,China）

In order to study X80 pipeline steel HAZ structure and mechanical properties changing rules along with cooling rate and welding heat input changing,the thermal simulation test was carried out for 26.4mm thickness X80 pipeline steel,which possesses specific chemical composition and original metallographic structure.The results showed that using the accelerated cooling or low heat input welding technology,the cooling rate can be increased properly，the grain of HAZ is refined,the embrittlement and softening of the welding HAZ is improved or even eliminated,which can effectively improve the strength and toughness of X80 pipeline steel,and increase the qualified rate of products.

welding;X80 pipeline steel;embrittlement and softening;accelerated cooling;low heat input

TG407 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.03.004

趙 波（1975—），男，高級(jí)工程師，局級(jí)技術(shù)專家，現(xiàn)在中國(guó)石油集團(tuán)渤海裝備研究院輸送裝備分院、渤海裝備國(guó)家企業(yè)技術(shù)中心鋼管研發(fā)分中心工作，主要從事管線鋼材料、焊管管件焊接工藝及裝備研究工作。

2015-01-15

羅 剛