批量試制X90螺旋埋弧焊管的性能研究

付 超，王 勇，王坤顯，李學達，張圣光

(1. 山東勝利鋼管有限公司 山東 淄博 255082; 2. 中國石油大學(華東) 山東 青島 150001 )

0 引 言

目前國際上有大量的關于X80/X100管線鋼與鋼管的研究，然而X90管線鋼管作為當前的研究熱點，相關文獻卻較少。SQS公司[1]采用優(yōu)化的TMCP + OCP工藝生產(chǎn)的X90管線鋼可穩(wěn)定的控制顯微結構和力學性能；趙文貴等[2]研究了熱模擬條件下X90管線鋼的HAZ性能，表明15 kJ/cm的熱輸入下，HAZ的韌性和強度是最佳的；WANG等[3]通過控制奧氏體狀態(tài)和冷卻過程，得到了性能穩(wěn)定的多相X90管線鋼，主要組織為準多邊形鐵素體、貝氏體鐵素體和M-A組元。中國石油集團公司自2011年先后組織了X90鋼級的卷板軋制、直縫和螺旋埋弧焊管、鋼管對接等環(huán)節(jié)的單爐與批量試制工作。研究成果表明X90作為X80向X100鋼級的過渡，顯示出較好的焊縫力學性能、環(huán)焊性能和止裂韌性，最有可能率先成為管線鋼及管線管應用于管道工程的最高鋼級[4]。中國已在X90管線鋼與鋼管的控制軋制技術、焊接性、斷裂韌性控制等關鍵技術方面取得重大突破，并制定了X90管材的關鍵技術指標、檢測評價方法及配套的系列標準，基本完成了X90焊管和管件的研發(fā)及試驗評價，并于2016年組織了X90螺旋焊管與直縫焊管產(chǎn)品的鑒定工作，為 X90 管線鋼和鋼管的工程應用奠定了堅實的基礎[5-7]。

隨著管線鋼管級別的提升，螺旋焊管的預精焊工藝得到了廣泛的推廣。預精焊工藝具有自動化程度高、成型焊接互不干擾、殘余應力小，焊縫性能優(yōu)異等特點[8，9]。山東勝利鋼管有限公司利用預精焊焊接工藝，按照《天然氣輸送管道用X90鋼級螺旋縫埋弧焊管技術條件》標準(Q/SY GJX 124—2013)要求，采用X90M 1 550 mm×16.3 mm卷板進行了X90MΦ1 219 mm×16.3 mm螺旋埋弧焊管的批量試制工作，成功生產(chǎn)400 t滿足標準要求的鋼管，并在對應卷板的頭中尾位置的18根鋼管取樣，綜合研究其各項性能。

1 X90卷板力學性能分析

1.1 化學成分與顯微組織分析

試驗用X90管線鋼不同位置的主要化學成分見表1所示，碳含量控制在0.04%的低碳水平，但是由于合金元素含量的增加，導致碳當量和冷裂紋敏感性較高，焊接過程容易產(chǎn)生冷裂紋，應嚴格控制熱輸入。X90管線鋼的光學顯微組織如圖1所示，主要為貝氏體鐵素體(BF)、少量的準多邊形鐵素體(QF)和彌散分布的島狀或點狀的第二相。鐵素體板條在顯微鏡下依稀可見，不同位向的板條束將原奧氏體晶粒分割成不同的區(qū)域，隱約勾勒出原晶界。QF形態(tài)不規(guī)則，邊界粗糙模糊，呈鋸齒狀，基體上可觀察到黑色的點狀第二相，為馬氏體和殘余奧氏體組元，簡稱為M-A組元[10，11]。

表1 試制用X90卷板不同位置化學元素含量(質量分數(shù)) %

圖1 X90母材光學顯微組織

1.2 X90卷板力學性能

X90管線鋼卷板的主要力學性能如圖2～圖5所示，紅色虛線標識標準要求的下限或上限值?？估瓘姸燃蟹植荚?00～850 MPa之間，屈服強度在660 ～ 700 MPa 之間，屈強比在0.76～0.89之間。由圖4、圖5可知，卷板的-20 ℃沖擊功維持在較高的水平，單值均在250 J以上，韌脆轉變溫度低于-60 ℃。

圖2 X90卷板抗拉強度分布圖

圖3 X90卷板屈服強度分布圖

圖4 X90卷板沖擊功分布圖(-20 ℃)

圖5 X90卷板系列溫度DWTT

2 焊接工藝

預焊和精焊焊接接頭宏觀形貌如圖6所示。

圖6 預焊和精焊焊接接頭宏觀形貌

如圖6(a)所示，預精焊工藝坡口為不對稱雙V型坡口。焊接順序如下：1)預焊，純CO2保護MAG焊接，精焊埋弧焊接采用等強匹配；2)精焊內(nèi)焊，三絲串列埋弧焊；3)精焊外焊，雙絲串列埋弧焊。預焊和精焊所用的焊絲化學成分見表1，焊絲焊劑牌號和主要焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 試驗焊接工藝參數(shù)

3 批量試制鋼管性能與分析

3.1 組織和晶粒度分析

圖6(b)給出了典型的預精焊焊接接頭的宏觀形貌，黃色虛線為原坡口位置，可見預焊焊縫及其熱影響區(qū)已經(jīng)完全被內(nèi)焊熔掉，形成新的內(nèi)焊縫組織。熱影響區(qū)(HAZ)在距離熔池不同的區(qū)域經(jīng)歷了不同溫度的熱循環(huán)，形成明顯分界線。經(jīng)歷了內(nèi)焊和外焊雙熱循環(huán)形成的雙熱影響亞區(qū)，尤其是內(nèi)焊粗晶區(qū)受外焊縫臨界區(qū)熱影響(AC1～ AC3之間)會形成臨界再熱粗晶區(qū)，是局部脆性區(qū)[12]。

表3給出了接頭主要區(qū)域的組織和晶粒度，圖7給出了焊接接頭各區(qū)域的顯微組織。焊縫區(qū)組織主要為針狀鐵素體AF(貝氏體板條在鐵素體基體上相互交織形成類似籮筐的結構)。雖然內(nèi)外焊縫的主要組織均為AF，但對比圖7(a)和(e)，可發(fā)現(xiàn)內(nèi)焊縫組織存在較多的塊狀鐵素體，這與內(nèi)焊縫熱輸入大有關。圖7(a)箭頭處可見沿著一次柱狀晶存在少量的塊狀先共析鐵素體，圖7(e)箭頭處可觀察到原奧氏體晶界；熔合區(qū)可觀察到明顯的HAZ與焊縫區(qū)的分界，如圖7(b)中虛線所示，在HAZ為晶粒長大的奧氏體晶粒，晶粒內(nèi)部為GB。焊接過程中熱量最大散熱方向延相鄰母材散失，且過熱的母材晶粒為熔池形核提供界面，形成聯(lián)生結晶，箭頭處可觀察到一次柱狀晶界。圖7(c)、(g)表明內(nèi)外焊的HAZ粗晶區(qū)(CGHAZ)晶粒均明顯粗化，原奧氏體晶界十分明顯，晶粒度為4級。原奧氏體晶粒在高溫的影響下充分長大，形成粗大的晶粒，主要組織為貝氏體鐵素體(BF)，粒狀貝氏體(GB)，M-A組元。由于內(nèi)焊熱輸入較大，內(nèi)焊粗晶區(qū)的晶粒尺寸明顯大于外焊粗晶區(qū)，且內(nèi)焊粗晶區(qū)內(nèi)組織主要為GB，而外焊粗晶區(qū)組織主要為BF；圖7(d)、(h)表明細晶區(qū)(FGHAZ)的晶粒在受到1 100 ℃左右的回火作用，晶粒明顯細化，主要組織為GB。

表3 各區(qū)顯微組織和晶粒度

圖7 接頭各區(qū)域顯微組織

3.2 韌性分析

在距焊縫90°處管體和焊縫處取焊縫、熱影響區(qū)的夏比V型缺口沖擊試樣，缺口沿壁厚方向垂直鋼管表面，進行-10 ℃夏比沖擊試驗。圖8(a)給出了各區(qū)沖擊功平均值與偏差,黃色虛線表示標準要求的3個試樣沖擊功均值和單值要求。除7號鋼管焊縫沖擊功80 J外，1號鋼管試樣波動較大外，焊縫的沖擊功穩(wěn)定在160 J。HAZ的沖擊值明顯高于焊縫，基本維持在200 J以上，但出現(xiàn)了一個較大的偏離(67 J)，接近標準要求的單值下限。此外不同鋼管之間HAZ的沖擊功波動也較焊縫更為離散。圖8(b)、(c)給出了60～-10℃區(qū)間內(nèi)HAZ和焊縫的夏比沖擊試驗剪切面積比，可見HAZ的韌脆轉變溫度小于-60 ℃，焊縫的韌脆轉變溫度也低于-40 ℃。說明X90預精焊鋼管具備優(yōu)良的低溫韌性。

圖8 鋼管焊縫和HAZ沖擊功和韌脆轉變溫度圖

3.3 焊接接頭抗拉強度分析

如圖9所示，紅色虛線表示標準要求的焊接接頭抗拉強度下限695 MPa。18根鋼管焊接接頭抗拉強度均在800～850 MPa之間，斷裂位置多在HAZ。

圖9 焊接接頭抗拉強度

3.4 彎曲性能分析

焊接接頭彎曲試驗可綜合考察接頭的強度、韌性以及焊接缺陷。垂直焊縫取焊接接頭面彎和背彎試樣進行導向彎曲試驗。試樣寬度為38 mm，厚度為鋼管原壁厚。彎軸直徑為160 mm，彎曲角度為180°。如圖10所示為1#鋼管試樣的面彎和背彎圖，18組面背彎試樣表面均完好無裂紋。

圖10 1#鋼管試樣彎曲后形貌

3.5 硬度

取樣鋼管的焊接接頭各區(qū)域的維氏硬度如圖11所示，紅色虛線表示標準要求的硬度上限值295 HV?？梢姡鲄^(qū)的硬度值均能滿足標準要求，但存在一試樣的母材區(qū)硬度值為293 HV。外焊焊縫和HAZ與母材相比均呈現(xiàn)出一定的軟化現(xiàn)象，尤其是HAZ存在較多的230 HV附近的硬度值。圖11還可發(fā)現(xiàn)，HAZ的硬度離散性大于焊縫區(qū)與母材區(qū)，這與熱輸入形成的HAZ組織不均勻性有關。HAZ軟化現(xiàn)象與高鋼級管線鋼的控軋控冷過程強烈加速冷卻和貧合金化，以及焊接熱循環(huán)過程中的碳元素在殘余奧氏體內(nèi)富集有關[10,13]。

圖11 接頭各區(qū)硬度分布

以上力學性能試驗表明，采用預精焊工藝批量試制的X90螺旋焊管可完全符合標準要求，但在熱影響區(qū)韌性離散性等方面需要引起足夠重視。

4 存在的問題

HAZ沖擊功與母材相比，出現(xiàn)明顯的降低，這與晶粒粗化、組織脆化和M-A組元的影響相關[14-16]。然而多數(shù)情況下HAZ的沖擊功遠遠高于標準要求的單值，應重點研究HAZ沖擊的離散性問題。以圖8的6#鋼管為例，其HAZ存在一個異常低值，僅為67 J。采用SEM分析該鋼管接頭處不同位置的斷口形貌，如圖12所示。圖12(a)為母材沖擊斷口擴展區(qū)的SEM形貌，可見大而深的等軸韌窩分布比較均勻并且數(shù)量也比較多，韌窩內(nèi)部存在小韌窩，一些韌窩內(nèi)部存在小的第二相粒子為M-A組元，尺寸小于1 μm。圖12(b)為焊縫沖擊斷口擴展區(qū)形貌，等軸韌窩轉變?yōu)閽佄锞€韌窩，韌窩數(shù)量減少，出現(xiàn)了河流狀形貌。在大而深的拋物線韌窩內(nèi)部觀察到第二相粒子。圖12(c)HAZ的SEM形貌主要為拋物線韌窩，韌窩被拉長，部分區(qū)域韌窩消失，存在孔洞和大的第二相粒子。但擴展區(qū)未觀察到解理斷裂區(qū)。而圖12(d)為67 J試樣的斷口，則呈現(xiàn)明顯的解理斷裂特征且解理面尺寸較大，在部分區(qū)域可觀察到放射狀花紋。

圖12 6#鋼管沖擊斷口擴展區(qū)SEM分析

取自同一位置相鄰兩個試樣的HAZ沖擊功出現(xiàn)如此大的波動，可排除熱輸入變化導致的原因。文獻[17]指出當沖擊試樣的V型槽經(jīng)過臨界再熱粗晶區(qū)時，會出現(xiàn)韌性值劇降的現(xiàn)象，這與圖6中各個亞區(qū)的不同組織和M-A組元的異常分布有關。因此HAZ出現(xiàn)的異常低值與沖擊試樣在加工過程中，由于加工誤差等因素導致缺口經(jīng)過了臨界再熱粗晶區(qū)有關。由于內(nèi)外焊熱循環(huán)形成的不同HAZ亞區(qū)不同的顯微組織和不同的韌性分布，會直接影響HAZ沖擊功的離散性，因此有必要詳細研究不同HAZ亞區(qū)的組織轉變機理和韌性變化規(guī)律，以提高X90螺旋埋弧焊管的HAZ沖擊功穩(wěn)定性。

5 結 論

1)X90M預精焊鋼管母材組織為貝氏體鐵素體、粒狀貝氏體和M-A組元，焊縫組織主要為針狀鐵素體，CGHAZ組織為GB、BF和M-A組元，F(xiàn)GHAZ為細化的GB。

2)HAZ的沖擊功離散性對接頭質量的穩(wěn)定性至關重要，因此需進一步研究不同HAZ亞區(qū)的組織轉變規(guī)律以及不同的HAZ(尤其是缺口經(jīng)過臨界再熱粗晶區(qū)時)韌性的變化規(guī)律。

3)批量試制的X90MΦ1 219 mm×16.3 mm螺旋埋弧焊管拉伸、彎曲、沖擊與硬度等各項指標均能很好的滿足《天然氣輸送管道用X90鋼級螺旋縫埋弧焊管技術條件》標準(Q/SY GJX 124—2013)要求，可為X90管線鋼管的成功開發(fā)積累一定的基礎。

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