X65MO 海底管線鋼焊接適應(yīng)性研究

王鳳會(huì)，陳延清，郭占山，張建強(qiáng)，劉 宏，齊 建

（首鋼技術(shù)研究院，北京 100043）

0 前 言

隨著海上油氣田的不斷開發(fā)，海洋石油的開采逐漸從近海向深海發(fā)展，海底油氣運(yùn)輸管道已成為廣泛用于海洋石油工業(yè)的重要運(yùn)輸手段，并且成為連續(xù)大量輸送油氣最快捷、最安全、最經(jīng)濟(jì)有效的方式。我國海洋資源豐富，石油資源量為240億t，天然氣資源量為14萬億m3，開發(fā)和利用這些資源對(duì)于油氣需要進(jìn)口的我國具有非常重要的意義。因此，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)正積極研發(fā)海底管線鋼[1-3]。

海底管線管除對(duì)強(qiáng)度、硬度、延伸率等常規(guī)指標(biāo)有明確規(guī)定外，對(duì)碳當(dāng)量、裂紋敏感系數(shù)、低溫沖擊韌性、屈強(qiáng)比、交貨狀態(tài)、坡口加工、定尺以及剩磁等要求亦極為嚴(yán)格，同時(shí)對(duì)鋼管的焊接性能指標(biāo)也提出了更為嚴(yán)格的要求[4-6]。特別是輸氣管道，對(duì)于焊接區(qū)域，如焊縫、熔合線、熱影響區(qū)的硬度、沖擊韌性及組織等方面不但要求嚴(yán)格，而且對(duì)焊縫的強(qiáng)度、壓扁性能、抗彎曲性能亦有嚴(yán)格的約定。另外，由于海底油氣田中H2S含量的增加，對(duì)海底管線鋼焊接接頭的抗氫致開裂（HIC）性能也要求很高[7]。管線管焊接性能的檢驗(yàn)，被看作是一種對(duì)生產(chǎn)工藝水平、鋼種設(shè)計(jì)的合理性及參數(shù)指標(biāo)控制水平的綜合考核手段。為此，對(duì)首鋼集團(tuán)公司生產(chǎn)的15.9 mm厚X65MO海底管線鋼進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定及HIC性能腐蝕試驗(yàn)，以驗(yàn)證微合金化鋼種設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)的合理性。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 焊接接頭制備

試驗(yàn)材料選擇了首鋼公司生產(chǎn)的15.9 mm厚的X65MO海底管線鋼，材料的主要化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。埋弧焊對(duì)接鋼板尺寸為600 mm×200 mm×15.9 mm，坡口為X形，鈍邊為5 mm，坡口角度內(nèi)焊為75°、外焊為80°。鋼板外焊道預(yù)先打底，打底焊接工藝采用CO2氣體保護(hù)焊，焊絲選用大西洋焊接材料公司生產(chǎn)的H60C焊絲。埋弧焊接采用三絲埋弧焊，埋弧焊絲與焊劑分別選用寶雞宇生焊接材料有限公司生產(chǎn)的H08DG焊絲與YS-SJ101焊劑，埋弧焊接工藝參數(shù)見表3。

表1 X65MO海底管線鋼化學(xué)成分 %

表2 X65MO海底管線鋼力學(xué)性能

表3 焊接工藝參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

按照管線鋼力學(xué)性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，制取了鋼板焊接接頭的拉伸、冷彎、沖擊和硬度試樣，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。采用WE－100型拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭進(jìn)行橫向拉伸性能測(cè)試；采用ZBC2452－3型沖擊試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)焊接接頭各區(qū)域沖擊吸收功；采用HVS－10Z型維氏硬度計(jì)測(cè)試焊接接頭各區(qū)域的硬度，加載力為98N （10 kgf）；采用OLYMPS激光共焦顯微鏡（OM）對(duì)焊接接頭顯微組織進(jìn)行觀察。焊接接頭的硬度測(cè)試位置如圖1所示。按照CTOD標(biāo)準(zhǔn)，制取了焊縫中心的裂紋尖端張開位移（CTOD）檢測(cè)試樣，在－10℃下評(píng)價(jià)焊縫的CTOD性能。CTOD試樣形狀如圖2所示，試樣槽深沿焊道方向。

圖1 焊接接頭硬度測(cè)試位置

圖2 CTOD檢測(cè)試樣形狀

1.3 HIC試驗(yàn)

按照NACE標(biāo)準(zhǔn)TM0284—2003對(duì)焊縫接頭進(jìn)行HIC試驗(yàn)檢測(cè)，取樣位置及試樣實(shí)物照片如圖3所示，試樣尺寸為100 mm×20 mm×15 mm，共取3個(gè)試樣。

試樣腐蝕步驟為：首先準(zhǔn)備 5%NaCl溶液，溶液體積與試樣表面積的比例應(yīng)在（3~6）cm3/cm2的范圍內(nèi)；用醋酸調(diào)節(jié)溶液使pH值達(dá)到2.8~3.3，試驗(yàn)過程中溶液的制備及pH值的控制等都需經(jīng)過委托人的檢測(cè)與允許；持續(xù)向溶液中通入1 h的氮?dú)庖猿?，通氣速率?00 mL/min；最后將試樣窄的一面放在容器的底部，并用直徑為6 mm的PTFE（聚四氟乙烯）或者玻璃圓棒分開。

圖3 焊接接頭HIC試驗(yàn)取樣位置及試樣照片

根據(jù)圖3給出的腐蝕試樣檢測(cè)面的要求進(jìn)行切割，并檢查指示表面。對(duì)每個(gè)截面進(jìn)行金相拋光、浸蝕，這樣可以將裂紋與小的夾雜物、分層、擦痕等區(qū)別開來。但浸蝕處理時(shí)，只應(yīng)對(duì)截面進(jìn)行輕微的浸蝕處理，否則可能導(dǎo)致小的裂紋模糊。采用金相顯微鏡對(duì)制備的金相試樣進(jìn)行裂紋檢測(cè)，裂紋測(cè)量方法如圖4所示。

圖4 裂紋測(cè)量方法

測(cè)量裂紋的長度和寬度時(shí)，相距小于0.5 mm的裂紋應(yīng)視為一個(gè)裂紋，所有以使用不大于100倍的放大鏡可區(qū)別的裂紋應(yīng)包括在結(jié)論內(nèi)。但那些全部位于內(nèi)、外面1 mm內(nèi)的裂紋除外。在檢測(cè)某些斷面時(shí)，可能需要更高的放大倍數(shù)，以區(qū)分是微小裂紋，還是夾雜物、側(cè)面點(diǎn)蝕或其它的不連續(xù)現(xiàn)象。每個(gè)金相截面的裂紋敏感性比值（CSR）、裂紋長度比值 （CLR）及裂紋厚度比值（CTR）的計(jì)算方法分別按式（1）、 式（2） 和式（3）進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 焊接接頭金相組織

X65MO海底管線鋼焊接接頭外焊縫的金相組織如圖5所示。由圖5可知，焊縫金屬獲得以針狀鐵素體為主+少量先共析鐵素體的組織；粗晶區(qū)獲得以粒狀貝氏體為主+少量針狀鐵素體的組織；細(xì)晶區(qū)以等軸狀鐵素體組織為主；不完全正火區(qū)以等軸狀鐵素體為主+少量針狀鐵素體的組織；母材的組織為針狀鐵素體組織。焊接接頭各個(gè)位置的組織具有優(yōu)良的塑性，能保證接頭具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

圖5 X65MO海底管線鋼焊接接頭外焊縫的金相組織

2.2 焊接接頭力學(xué)性能

X65MO海底管線鋼埋弧焊焊接接頭拉伸、冷彎、沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表4和表5。焊接接頭試樣拉伸后的形貌如圖6所示，冷彎后試樣的形貌如圖7所示。焊接接頭的硬度測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

由圖6可知，焊接接頭拉伸試樣斷裂于母材位置，其抗拉強(qiáng)度大于標(biāo)準(zhǔn)要求，說明接頭具有良好的拉伸性能。由圖7可知，背彎和面彎試驗(yàn)后，彎曲試樣任何部位均未發(fā)現(xiàn)超過3 mm長度的缺陷，焊接接頭塑性良好，具有較好的冷彎性能。由圖8可知，焊接接頭各個(gè)位置的硬度≤270 HV10，且不存在明顯的硬度突變，焊接接頭不存在脆化帶。

表4 焊接接頭的拉伸和彎曲性能

表5 焊接接頭的沖擊性能

圖6 焊接接頭試樣拉伸后的形貌

圖7 焊接接頭冷彎后的形貌

圖8 焊接接頭的硬度檢測(cè)結(jié)果

CTOD試驗(yàn)是一種評(píng)價(jià)焊接接頭抗斷裂性能的有效方法。表6給出了CTOD試驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果。由表6可以看出，X65MO焊縫CTOD檢測(cè)的δ均大于技術(shù)要求，說明接頭焊縫具有較好的抗斷裂性能。

表6 焊縫CTOD檢測(cè)結(jié)果

2.3 HIC腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

焊接接頭抗HIC腐蝕試樣經(jīng)過腐蝕后的表面形貌如圖9所示。腐蝕試樣不同檢測(cè)面的金相組織如圖10所示，圖中a，b和c分別為試樣不同的檢測(cè)面，a面和c面只有母材，b面含有焊縫。

由圖9可以看出，試樣表面均未出現(xiàn)鼓泡。X65MO海底管線鋼母材和焊縫接頭抗HIC腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，腐蝕試樣中均未發(fā)現(xiàn)裂紋，所有試樣檢測(cè)面的裂紋敏感性比值（CSR）、裂紋長度比值（CLR）及裂紋厚度比值（CTR）均為0，說明X65MO焊接接頭具有優(yōu)異的抗HIC腐蝕性能。

圖9 試樣HIC腐蝕后的表面形貌

圖10 1#試樣不同檢測(cè)面的金相組織

試驗(yàn)結(jié)果表明，X65MO成分設(shè)計(jì)合理，在含H2S溶液條件下，對(duì)比傳統(tǒng)鋼提高了其耐腐蝕性能，降低表面析氫量和表面H吸附量；母材組織和焊縫組織具有較好的H擴(kuò)散性能，硬度控制合理，降低了HIC風(fēng)險(xiǎn)；夾雜物尺寸、形態(tài)控制合理，未見明顯的Ca-Al-O的鏈狀?yuàn)A雜物，母材1/4處未見明顯的夾雜物聚集分布區(qū)，中心部位未發(fā)現(xiàn)帶狀偏析帶，整體提高了材料和焊接接頭的抗HIC性能。

3 結(jié) 論

（1）X65MO焊接接頭具有優(yōu)異的力學(xué)性能，X65MO多絲埋弧焊適應(yīng)性良好。

（2）CTOD試驗(yàn)結(jié)果表明，X65MO焊接接頭具有良好的抗脆性斷裂性能。

（3）HIC腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，X65MO焊接接頭具有優(yōu)異的抗HIC腐蝕性能。

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