X90和X100管線鋼管HAZ夏比沖擊韌性研究

劉振偉，田 鵬，王志太，孫 宏，李 濤，汪海燕，宗秋麗

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062650）

0 前 言

隨著石油、天然氣工業的發展，對管線鋼的需求不斷增加，采用高鋼級、中等直徑和厚壁的管線鋼管，可以在降低施工成本與壓縮造價的同時降低材料成本。國內X90和X100鋼級管線鋼管的研究與應用是我國管線鋼管的發展趨勢。國內鋼廠為了提高高鋼級管線鋼的強度，普遍加入了相對較高的合金含量，但碳當量隨之提高，降低了高鋼級管線鋼的焊接性能。對于高強度管線鋼而言，強度并不是主要問題，粗晶區的脆化才是人們關注的焦點。近年來，許多人對低合金高強鋼的焊接接頭性能進行了大量的研究，對于焊接熱影響區來說，有兩個局部脆化區域，即單道焊的粗晶區和多道焊的臨界粗晶區。相對于母材而言，粗晶區的韌性損失約為20%～30%，臨界粗晶區的韌性損失甚至可達60%。本研究對X90和X100管線鋼焊縫熱影響區夏比沖擊韌性進行了分析，從而為高鋼級管線鋼的生產和應用提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試樣的化學成分見表1。試驗采用X90和X100螺旋埋弧焊管，分別對應編號為A，B兩種鋼管。

表1 X90和X100管線鋼化學成分%

1.2 試驗方法

分別從A和B兩種焊管中截取焊縫金相試樣，經銑床、磨床磨平后，分別用砂紙和拋光機拋光，后將金相試樣在3%硝酸酒精溶液中腐蝕3～5 s，酸蝕后的形貌如圖1所示。

圖1 試樣酸蝕后的焊縫形貌

2 試驗結果與分析

2.1 沖擊性能

X90和X100螺旋埋弧焊管-10℃的夏比沖擊性能見表2。

表2 X90和X100管線鋼管-10℃夏比沖擊性能

從表2可以看出，A鋼管HAZ沖擊功出現1個低值79 J；B鋼管HAZ沖擊功出現2個低值83 J和75 J。一般而言，引起HAZ韌性降低的因素有3種：粗晶脆化、組織脆化和粗晶熱影響區兩相區脆化，因此，有必要對焊縫及熱影響區組織進行金相觀察分析。

2.2 金相組織分析

選取X80螺旋埋弧焊管并編號為C，與X90和X100螺旋埋弧焊管作對比。利用奧林巴斯顯微鏡對3種焊管焊縫金相試樣進行觀察分析，其內焊熱影響區組織如圖2所示。

圖2 3種鋼管內焊熱影響區組織

由圖2可以看出，C鋼管內焊縫熱影響區組織以粒狀貝氏體為主，有少量的貝氏體鐵素體零星摻雜其中，無板條馬氏體出現，屬于正常的熱影響區組織。A和B鋼管內焊縫熱影響區組織表現異常，有大量的板條馬氏體組織出現，板條密排整齊并占據主導地位，只有少量的粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體出現；外焊熱影響區均以粒狀貝氏體和貝氏體鐵素體為主的組織結構，無板條馬氏體出現，在同樣的焊接條件下，兩者唯一的區別是焊接規范和焊接工藝。在螺旋埋弧焊管焊接時，首先進行的工序是內焊，外焊工序是在內焊完成后進行的，內焊完成后仍然帶有相對較高的余熱，對后續的外焊起到了預熱作用。在內、外焊焊接熱輸入量相同的條件下，外焊冷卻速度較低，內焊冷卻速度相對較快，這是內焊形成板條馬氏體的外部因素；從內因看，與X80管線鋼相比，X90和X100母材中加入了相對較高的Cr，Mo，Mn和Ni等合金元素，這些合金元素的加入提高了母材和熱影響區的淬透性。

利用馬氏體轉變公式計算出X90和X100管線鋼的馬氏體轉變溫度分別為440℃和431℃，在該溫度下板條馬氏體轉變傾向比較大，即該合金成分下的母材具有較高的淬透性。

從圖2可以看出，BF和LM組織較為細密，不同位相的板條勾畫出原始奧氏體晶界，在低的焊接熱輸入下，快速冷卻造成的晶格畸變和內應力均對韌性造成影響。當沖擊試樣的刻槽位置大部分在內焊對應的熱影響區的區域時，沖擊韌性也表現出較低值。

2.3 硬度分析

采用載荷為HV-10 kg的硬度儀打點，對X90和X100管線鋼管試樣進行硬度測試，如圖3所示。打點位置為靠近管體內外表面1 mm處，分別打33個點，點間距為1 mm，打點順序為母材、熱影響區、焊縫、熱影響區、母材。由于沿途經過HAZ較小，不能準確反映HAZ的硬度值，則本試驗在HAZ多打5個點，最后以這5個點的平均值作為HAZ的硬度值。圖4硬度分布為圖3中對應位置每相鄰兩點的平均值。可以看出，X90內焊對應熱影響區平均硬度為272HV10，X100內焊對應熱影響區平均硬度為298HV10，X80內焊對應熱影響區平均硬度為250HV10。X90和X100鋼管HAZ出現硬化現象，這與金相組織中觀察到的板條馬氏體有關。

圖3 試樣硬度打點位置示意圖

圖4 3種鋼管內焊硬度分布情況

2.4 后續回火處理

鑒于熱影響區沖擊值相對較低的情況，對熱影響區進行熱處理，從而研究出一套既能提高熱影響區沖擊韌性，又能滿足生產的合理生產工藝。對熱影響區沖擊功較低的鋼管取樣并進行兩種回火工藝，具體是：①在鼓風式干燥箱300℃回火保溫20 min；②200℃回火保溫20 min。表3為試驗鋼管300℃回火前后性能對比。

表3 試驗鋼管300℃回火前后的性能對比

從表3可見，HAZ沖擊功回火后均有不同程度的提高，A鋼管HAZ平均沖擊功提高35 J，B鋼管HAZ平均沖擊功提高83 J，且均無低值出現。200℃回火前后鋼管性能對比見表4。

表4 試驗鋼管200℃回火前后性能對比

從表4可以看出，200℃回火熱處理后A鋼管HAZ平均沖擊功提高了111 J；B鋼管HAZ平均沖擊功提高了60 J，基本消除了單值過低的現象。

圖5中對比了不同溫度回火前后鋼管沖擊韌性的變化情況。對于A鋼管而言，熱處理后焊縫沖擊功有所降低，HAZ沖擊功有所提高；對于B鋼管而言，熱處理后焊縫和HAZ韌性均有不同程度的提升，其中HAZ沖擊功提升更為明顯，這說明更高鋼級管線鋼焊接接頭部位受熱處理影響較為顯著，為了提高高鋼級焊管焊接接頭的沖擊韌性，有必要進行焊后熱處理。

圖5 不同溫度回火前后的沖擊性能對比

由以上分析可知，實際生產中可以在外焊工藝完成后增加熱處理工序，對焊縫進行300℃左右熱處理，消除組織內應力，從根本上解決因板條馬氏體組織引起的沖擊韌性較低的問題。從另一個角度來講，也同時解決了焊接接頭的拘束應力集中問題，從而改善焊接接頭的沖擊韌性。

3 結 論

硬脆的板條馬氏體相的出現嚴重降低了熱影響區沖擊韌性，原因可以概括為2種：

（1）較高的合金含量提高了HAZ母材的淬透性，給馬氏體的形成創造了內在條件；

（2）內焊相對較低的焊接熱輸入量，較低的焊接電流和較高的焊接速度將導致熱輸入量處于較低的水平，從而導致熱影響區t8/5之后溫度梯度較大，冷速較快，為馬氏體的形成創造了外部條件，通過熱處理能有效地降低甚至消除淬硬組織對熱影響區沖擊韌性的影響。

4 建 議

（1）針對高鋼級管線鋼的焊接，由于合金含量普遍偏高，需改變現有的焊接工藝，如焊后追加一套針對焊縫的回火處理工序，能有效解決高鋼級管線鋼焊接熱影響區脆化問題。

（2）降低管線鋼的合金含量，從而降低因碳當量過高引起的熱影響區淬硬傾向。

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