X80及其以上高強度管線鋼焊接的幾個技術問題

李為衛，許曉鋒，方　偉，屈憶欣，趙元雷　編譯

(中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室　陜西　西安　710077)

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·經驗交流·

X80及其以上高強度管線鋼焊接的幾個技術問題

李為衛，許曉鋒，方偉，屈憶欣，趙元雷編譯

(中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室陜西西安710077)

摘要：為了保證油氣管道現場環焊縫的性能及安全，國外對高鋼級管線鋼的焊接進行了大量細致的研究。介紹了國外文獻有關X80及其以上高強度管線鋼現場焊接幾個關鍵技術問題，其中包括鋼管強度的分散性引起的焊縫匹配問題、材料的焊接性問題、氫致裂紋問題等，對從事管線鋼焊接技術的研究很有啟示。對我國高鋼級管線鋼現場焊接技術深化研究提出了建議。

關鍵詞：高強度管線鋼；強度匹配；焊接性;氫致裂紋

0引言

把產品從油田或天然氣井運輸到煉油廠和消費者那里需要管線網和加壓泵站，如果還有能夠耐高壓的管線(更大的壁厚)就能以較低的價格高效地輸送更多的油氣。為了降低開發和建造的費用，現在更多的人愿意使用API 5L X80級管線鋼。北美、歐洲、遠東地區、俄羅斯等都在管線鋼方面推行了更新的技術，使管線鋼的屈服強度達到550 MPa以上。

高鋼級管線鋼能否成功應用，其關鍵問題之一就是現場焊接。錳、鎳、鉻、鉬和銅這類合金元素在HSLA中發揮了重要作用，加入微量的鈮、釩、鈦可控制晶粒的大小，從而改善焊縫的韌性，這類鋼的組織可從得到強度在500～600 MPa全部的針狀鐵素體變化到強度達690 MPa的鐵素體-奧氏體或鐵素體-貝氏體。事實證明，HSLA焊接時的熱循環可引起組織和性能的改變。在熱影響區，組織的熱穩定性和對氫致裂紋的敏感性要特別注意。因為凝固的焊縫金屬與后面焊道的熱循環有關。焊接接頭是一個由不同組織組成的區域：馬氏體、貝氏體、不同形態的鐵素體、碳化物和分解的碳化物。焊縫的組織和裂紋敏感性近幾十年來都用碳當量來判斷。碳當量定義，特別是馬氏體開始轉變的溫度和合金的硬化性能等，本文將予以討論。

1強度的分散性引起的匹配問題

對焊接而言，一般采用的是等強匹配或者高強匹配，理論上的等強或者高強匹配實際中很難做到。高強鋼的屈服強度已可達550 MPa以上，但另一個重要問題出現了，現代制造業工藝和產品的實現成為關鍵。圖1收集了108爐550級X80鋼管的強度數據。所有數據都滿足最低屈服強度550 MPa要求，但屈服強度最頻值625 MPa的數據為20%，50%的數據超過最頻值，屈服強度高達685 MPa。這些數據對板材來說可能聽起來它的性能很好，但屈服強度的變化對焊接結構是很危險的，尤其對于熔敷金屬與母材的強度匹配問題以及焊縫裂紋敏感的時候。鋼管屈服強度從最低的585 MPa到最高的685 MPa，強度變化了20%。如果所用填充金屬的屈服強度為620 MPa，就使焊接接頭從7%的高匹配到10%的低匹配。低匹配焊縫容易產生應變集中，加上焊縫缺陷，容易焊縫開裂失效，給管道運行安全帶來隱患。

關于焊縫金屬也出現同樣的問題，如圖2所示。抗拉強度830 MPa(120 ksi)級別的焊接材料，在188個焊縫金屬屈服強度試驗中，50%都在751～800 MPa之間，15%的試驗材料高于897 MPa。雖然它們滿足性能要求，目前的問題就是關于焊縫與母材的匹配。低強度的母材和高強度的焊縫可能出現550 MPa/897 MPa的匹配。母材與焊縫金屬強度的大幅變化在制造過程中可能產生不可預料的問題，下面將討論在馬氏體開始轉變和裂紋產生區域，裂紋從焊縫向熱影響區轉移的可能性。

圖1　X80管線鋼的性能(108爐鋼屈服強度的分散性)

圖2　830 MPa焊縫金屬性能(多爐屈服強度的分散性)

2材料的焊接性

Graville在70年代時設計了一個圖用來描述鋼的焊接性。至今已有不同的研究人員做了多次反復的修正和擴展，如圖3所示，它表明鋼的焊接性與碳當量和碳含量有關。碳含量以單獨的一個因素提出，清楚地表明了碳是影響鋼裂紋敏感性的一個重要因素。焊接性圖表劃分三個區，分別為Ⅰ區、Ⅱ區和Ⅲ區。位于Ⅰ區中的鋼，其碳含量很低(質量分數通常低于0.1%)，焊接性好，合金元素的硬化也不明顯。位于Ⅱ區的一般為低合金含量，但碳含量稍高(為0.1%～0.3%)，可以焊接，但需要特殊的工藝，可能需要焊后熱處理，大量的低合金高強鋼(HSLA)和低碳鋼屬于這一類。位于Ⅲ區中的鋼，具有高的碳當量和碳含量，焊接起來困難，焊接這類材料須采取特別的工藝措施，如預熱、后熱、層間溫度的控制以及采用合理的焊接順序等，大多數Cr-Mo鋼、更高強度級別的HSLA鋼和一些較高合金的TMCP鋼都屬于這類。

圖3　鋼的焊接性與碳當量和碳含量的關系

Graville圖中碳當量(CE)的計算公式是O'Neil和Dearden在20世紀60年代修正的公式之一，這是以當時大量的普通結構鋼為依據的經驗公式。然而隨著新型鋼的發展，更嚴格的碳含量限制，微合金元素的加入，以及控軋控冷技術的使用，這種已被廣泛接受的CE算法就不能不加以選擇的使用。所以，它的使用應該更加明智而不是片面的依據CE值確定預熱、后熱或層間溫度。以后開發了更好的公式(見表1)，更適用鋼種的變化。其中，Pcm是由Ito和Bessyolo設計的，用來確定不同氫含量級別下鋼材產生冷裂紋的臨界應力，被廣泛應用。不同級別的鋼材其臨界應力和對氫含量的敏感性也不同。

表1　碳當量計算公式

與Ito和Bessyo的公式相似，Yurioka設計了一種更為詳細的一系列公式表示冷裂紋的敏感性，他的公式把合金元素的含量(主要的和微量的)和冷卻速度(△t8/5)也考慮進去，被鋼鐵研究者、焊接工程師、管線設計師廣泛接受。Duren和他的同事發展了其它的CE公式來表示高強度管線鋼的焊接性。

管道環焊縫一般采用多層多道焊接，焊縫是由凝固焊縫與再熱焊縫組成的混合區，研究出的母材力學性能與化學成分的關系公式對焊縫的不很適應。最近，關于焊縫強度的計算公式也有所發展，考慮了焊態和消應力處理態。一些焊縫強度計算公式列于表2中，這些公式的應用，就可以更好的設計焊接工藝，從而使特殊鋼級管道焊縫也能安全工作。

為了預測管線鋼的組織，從而預測其力學性能，不得不依靠連續冷卻轉變曲線(CCT)。但是， 材料CCT曲線的測試很費時間，因此，對高強管線鋼CCT曲線的測試應予以鼓勵。

表2　焊縫金屬強度與化學成分的回歸公式

3高強鋼焊接中的氫致裂紋

高強度管線鋼現場環焊縫常采用低氫型焊條SMAW下向焊，焊接位置為2G。自動焊也已廣泛用于管道現場焊接，因為是周向焊接，不同部位的焊接會采用不同的焊接電流。電弧太長或不合適的引弧可能會形成氣孔，在小電流焊時可能會引起夾渣，然而最危險的焊接缺陷就是焊接裂紋，尤其是冷裂紋或氫致裂紋(HAC)。在X80鋼中這種裂紋常在熱影響區中出現，但X100鋼焊縫中會出現微裂紋，沒有預熱的焊接工藝還不可行，所以熱輸入量和最大層間溫度的限制仍是工藝中重要的一部分。

經淬火、回火、沉淀強化處理后的鋼尤其易受氫脆的影響。氫可能是由鋼的生產或焊接時引入的。除此之外，殘余應力和材料對裂紋的敏感性也是導致氫致裂紋的原因。氫往壓力高的部位和焊接接頭硬度較大部位的擴散從而引起裂紋。如果分散不均勻，少量的氫也會導致局部大量聚集造成高強鋼的氫脆。氫致裂紋也被認為是冷裂紋或延遲裂紋，因為它通常發生在焊接過程中和焊接過后一小段時間。

低合金鋼的焊縫強度為大約550 MPa時，裂紋通常產生于焊接熱影響區，但也可擴展到焊縫。肉眼可以看到裂紋垂直或平行焊接表面分布。焊接熱影響區裂紋通常為晶間裂紋，并與熱影響區粗晶區有關。

更高強度鋼的裂紋通常出現在焊道中，而實際的位置依賴于氫的擴散，而氫的擴散與母材金屬和焊縫金屬的成分，以及這兩種金屬在焊接過程中的轉變行為有關。用馬氏體轉變溫度取代碳當量CE值來表示焊接裂紋的敏感性。

4裂紋敏感性馬氏體轉變溫度評價法

影響氫擴散的一個重要因素就是鋼在某一溫度相變的時間，一般用馬氏體的轉變溫度(Ms)來判斷鋼的硬度和奧氏體穩定性。對于更高級別的高強鋼，馬氏體轉變溫度也可表明冷卻時氫的擴散速率的快慢。馬氏體轉變溫度越高，氫可在鐵素體或馬氏體中擴散的溫度范圍就越大，氫就更容易從熱影響區粗晶區擴散到對氫敏感較低的細晶區。所以馬氏體轉變溫度既可判斷金相組織也可判斷氫的擴散能力。

Andrews研究了某種合金成分對馬氏體轉變溫度的影響，其中之一公式(1)為：

Ms(Andrews)(℃)=539-423C-30.4Mn-17.7Ni-12.1Cr-75Mo

(1)

Andrews的公式在20世紀60年代已被廣泛應用。對于合金元素含量最高為0.6%C、4.9% Mn、5.0% Cr、5.0% Ni、5.4% Mo的合金鋼預測是非常準確的。

Self等對于熱影響區和焊縫開發了計算公式，該公式更易理解，適用于合金含量更大范圍鋼的馬氏體轉變溫度的預測，這些公式如下。

母材熱影響區：

Ms(self)(℃)=521-350C-143Cr-175Ni-289Mn-37.6Si-295Mo-1.19Cr·Ni-23.1(Cr+Mo)·C

(2)

焊縫金屬：

Ms(self)(℃)=521-350C-13.6Cr-16.6Ni-25.1Mn-30.1Si-20.4Mo-40Al-1.07Cr·Ni+219(Cr+0.73Mo)·C

(3)

焊件是由焊縫金屬、熱影響區和未受熱影響的母材組成，焊縫和母材的Ms不同，將影響到是焊縫金屬還是熱影響區為氫最大聚集部位和裂紋最敏感部位。因為氫在奧氏體(A)或鐵素體(F)-馬氏體(M)中的擴散程度和溶解度不同，鋼從F轉變為M的溫度將影響氫的運動。焊接過程中焊縫金屬和母材的轉變溫度和時間會有所不同，所以考慮以下兩種情況：

1)焊縫金屬的Ms溫度低于熱影響區

這時焊縫與母材相比為高匹配，隨合金含量的增加，焊縫表現出比母材更高的強度。奧氏體分解溫度會比母材低，當熱影響區中的奧氏體開始分解，焊縫中奧氏體還未開始分解。一段時間內熱影響區接近熔點時，氫的擴散速率高于母材。如果熱影響區Ms足夠高，氫就可以擴散足夠遠的距離到達母材，然而氫的擴散并不能在焊縫轉變以前進行完全，因為奧氏體可以儲存一部分氫，且它并不會很快達到溶解度，尤其當轉變溫度相差不大時，將降低氫在較硬組織處的聚集，就降低了氫致裂紋的敏感性。

如果焊縫的Ms點太低，氫的運動就會受到限制，只有少量氫能到達鄰近熔合線的熱影響區，最終導致焊縫開裂。

2)熱影響區的Ms溫度低于焊縫

這時焊縫與母材相比為低匹配。因為熱影響區中奧氏體轉變為鐵素體的溫度較低，且比焊縫要晚。熱影響區將阻礙氫的擴散，引起氫在熱影響區中大量聚集，接近溶解度，促使熱影響區產生氫致裂紋。

為評價用馬氏體轉變溫度作為氫致裂紋傾向判斷標準的可行性，用擴散氫的含量來描述它與同種母材上焊縫金屬的馬氏體開始轉變溫度的關系。圖4為易產生裂紋的焊縫和安全的焊縫的劃分。

圖4　高強鋼焊縫開裂/不開裂與焊縫擴散氫含量及馬氏體轉變溫度關系

進一步研究早期的Ms溫度的計算公式，有一種ΔMs的表達式(式4)，它的正負和大小決定了焊縫和熱影響區氫的擴散行為。

ΔMs=Ms(WM)-Ms(BM)

(4)

如果ΔMs<0，即焊縫Ms(WM)低于母材Ms(BM)，氫在焊縫中聚集。如果ΔMs>0，即焊縫Ms(WM)高于母材Ms(BM)，氫可能在熱影響區中聚集，可能發生焊道下開裂。焊縫裂紋用ΔMs-ΔH(HWM-HHAZ)來描述，如圖5所示，焊接開裂方式可能在焊縫金屬微裂和HAZ開裂間轉換。可以看出，用ΔMs來評價氫對裂紋的作用大小是準確的。

圖5　合金元素含量對氫擴散和非均勻擴散的影響

圖6表示了ΔMs用法的理念，ΔMs與熱影響區的Ms和Δt5/1有關。Δt5/1表示焊縫從500℃冷卻到100℃的時間，也表示氫在F和M中擴散的時間。ΔMs的價值還在于它表明了裂紋的位置：在焊縫、熱影響區或Ms熱影響區的產物。Δt5/1還表示氫在焊縫中擴散的能力。圖6畫出了一定擴散氫含量下裂紋區和無裂紋區的分界線，說明了氫裂紋的預測趨勢。如果ΔMs為正，且絕對值很大，那么接頭中熱影響區的裂紋敏感性較大。如果ΔMs為負，絕對值很大，那么裂紋可能發生在焊縫區。若ΔMs很大，不管正負，裂紋區都會擴展，裂紋∕無裂紋邊界會右移。這表明ΔMs很大的焊件，即使Δt5/1增大，氫在熱影響區中的擴散也抵消不了A分解時從焊縫擴散來的氫達到無裂紋時的安全值。如果ΔMs為負值很大，A有較大的氫溶解度，就會把氫留在焊縫中，達到飽和時，這時溫度對于氫的擴散就太低了，也就增加了裂紋區域。隨著氫含量的增加，冷卻速度較快時，裂紋區域和無裂紋區域的分界線會右移。試驗證明，這種理論值得推廣，用它可判斷高強管線鋼的生產時它的焊接性和裂紋傾向。

圖6　高強鋼裂/不裂示意圖――與ΔMs和Ms & Δt5/1參數組合的關系

5結束語

1)實際生產中由于質量的不穩定性，管線鋼管屈服強度統計分布具有明顯的分散性，影響了焊縫與母材的強度的等強或高強匹配，給焊縫的安全性帶來隱患，建議提高管線鋼及其制管的制造質量水平，縮小鋼管的屈服強度范圍，在標準中提出更嚴格的控制指標。

2)用API SPEC 5L管線鋼管標準的碳當量計算控制管線鋼的焊接性，只是一種簡單易行的方法，高強度管線鋼的焊接性差，易產生裂紋，應加強對碳當量公式適應性以及更深入可焊性的研究，研究用Ms評價焊接裂紋敏感性的可行性。

3)X80及其以上鋼級管線鋼現場焊接難度大，關鍵技術問題多，盡管國內進行了大量研究，但與國外相比不深入、不細致，建議加大對高鋼級管線鋼焊接深層次技術研究的力度，保證油氣管道運行的安全。

編譯自：Stephen Liu. Critical Concerns of Welding High Strength Steel Pipelines: X80 and Beyond Pipe(C). Proceedings of the International Pipe Dreamer’s Conference，7-8 November 2002，Yokohama，Janpan:91-107.

Several Technical Problems of X80 and Beyond High Strength Pipeline Steel WeldingEdited and Translated by

LI Weiwei，XU Xiaofeng，FANG Wei，QU Yixin,ZHAO Yuanlei

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute，StateKeyLaboratoryforPerformanceandStructureSafetyofPetroleumTubularGoodsandEquipmentMaterials,Xi′an,Shaanxi710077,China)

Abstract：In order to ensure the performance and safety of the oil and gas pipeline, a lot of researches have been carried out on the welding of high grade pipeline steel abroad. The researches on the several technical problems in the field of X80 and beyond high strength pipeline steel were introduced, which include the matching problem for the scatter of pipe strength, the welding problem of the material, and the hydrogen induced crack problem. The researches have certain enlightenment function regarding the study on the welding technology of pipeline steel. The suggestions for the further research on the field welding technology of high grade pipeline steel in China are put forward.

Key words：high strength pipeline steel; strength matching; weldability; hydrogen induced crack

(收稿日期：2015-11-06編輯：屈憶欣)

中圖法分類號：TG457

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)02-0088-05

第一作者簡介：李為衛，男，1965年生，正高級工程師，1988年畢業于西安交通大學焊接專業，主要從事油氣輸送管材料研究及焊接研究工作。E-mail：liweiwei001@cnpc.com.cn