焊條中Al元素對X80鋼焊接接頭組織和性能的影響

黃本生，陳　鵬，盧　杰

(1. 西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室， 成都 610500;2. 西南石油大學 材料科學與工程學院， 成都 610500)

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焊條中Al元素對X80鋼焊接接頭組織和性能的影響

黃本生1,2，陳鵬2，盧杰2

(1. 西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室， 成都 610500;2. 西南石油大學 材料科學與工程學院， 成都 610500)

采用自制的手工電弧焊焊條焊接X80管線鋼，利用能譜儀和光學顯微鏡對X80鋼焊縫進行化學成分分析和金相觀察；進行硬度、拉伸和沖擊實驗分析焊接接頭的力學性能；在含硫環境下，開展電化學實驗和浸泡實驗研究焊縫中Al含量對X80鋼焊縫抗硫化物腐蝕性能的影響。結果表明，當藥皮中Al含量在8%范圍內時，隨Al含量的增加，焊縫含Al量升高，焊接接頭硬度和抗拉強度增大，焊縫沖擊韌性和抗硫化物腐蝕性能先升高后降低，腐蝕產物膜形態存在明顯的變化。

X80鋼；Al元素；焊接接頭；抗硫化物腐蝕

0　引　言

X80鋼是目前國內外廣泛使用的油氣管線用鋼，在我國“西氣東輸”工程中已經得到成功的應用[1-2]。但其腐蝕失效事故頻繁發生，導致嚴重的經濟損失，在高含硫油氣田中腐蝕事故更為嚴重[3-4]。由于腐蝕失效主要發生在焊接接頭上，所以研究X80管線鋼焊接接頭的組織和性能具有顯著的現實意義[5-8]。目前，國內外學者針對X80管線鋼焊接接頭組織和性能做了大量研究，但主要集中在管材研究和焊接工藝的選擇方面，對于抗硫焊材的報道相對較少，并且國內已有的關于X80鋼配套焊材的研究主要是針對埋弧焊焊絲的研制，對于手工電弧焊焊條的研究還比較有限[9-12]。陳耕耘等[13]研究了X80管線鋼配套焊條CHE657GX，表明CHE657GX焊條基本滿足“西氣東輸”工程管道焊接對力學性能的要求，但仍缺乏針對在含硫環境下管線鋼焊接焊條的深入研究，且也未涉及有關元素Al的探討。Stafford等[14]根據元素Al對鐵合金硫化影響的研究表明，Al能有效提高合金的抗硫化性，隨著Al元素含量的增加，合金發生硫化腐蝕速率降低。Al元素可以在合金表層形成具有較高電化學穩定性和更低腐蝕速率的Al2O3鈍化膜，阻滯陽極過程的進行，進而提高焊縫的化學穩定性，增強X80鋼焊接接頭的抗腐蝕性能；在焊接過程中Al與焊縫金屬作用生成Al的夾雜物，進而影響焊縫的抗硫腐蝕性能[15-18]。因此，研制X80管線鋼用含Al焊條，探究焊接接頭的組織及性能具有重要的實際意義。

本文通過控制元素Al的含量設計焊條配方，配合H10Mn2焊絲研制手工焊焊條并用于焊接X80鋼，在探究接頭顯微組織和力學性能的基礎上，進一步研究其抗硫化物腐蝕性能，旨在探索適合含硫環境下焊接的X80管線鋼用焊條。

1　實驗方法

1.1實驗材料

實驗采用國內某鋼廠生產的X80管線鋼，規格為?1 016 mm×18 mm，其化學成分如表1所示。

1.2焊條設計

1.2.1焊芯

實驗焊芯選用H10Mn2焊絲，其直徑為4.0mm，長380mm。焊芯的化學成分如表2所示。

1.2.2藥皮配方

研制了Al含量分別為0%，2%，4%，6%和8%的5種藥皮，并分別編號為1，2，3，4和5#。藥皮配方如表3所示。

表1　X80鋼化學成分(質量分數，%)

表2　H10Mn2焊絲化學成分(質量分數，%)

表3　藥皮成分(質量分數，%)

1.2.3焊條成型

按照既定方案配制藥皮并完成焊條制作過程，保證焊條直徑在6.5 mm范圍內，焊芯預留出不少于20 mm的夾持端；制作完成后在干燥的環境中晾曬24 h，然后依次在60和200 ℃的烘箱中進行烘干，各8 h；優選出藥皮表面無裂紋、無剝落的焊條進行磨頭最終完成焊條的制作。

1.3焊接實驗

X80管線鋼焊接采用焊條電弧焊(SMAW)，選用E9010焊條進行打底焊，自制焊條完成填充和蓋面，采用帶鈍邊V型45°坡口，焊接工藝如表4所示。

1.4測試手段

1.4.1焊縫成分分析和金相觀察

利用INCA Energy 350能譜儀對焊縫金屬進行化學成分分析，采用XTL-500金相顯微鏡觀察X80鋼焊縫的顯微組織，金相腐蝕液為4%的硝酸酒精。

1.4.2力學性能測試

參照《GB/T 2654-2008焊接接頭硬度實驗方法》在HV-1000數字式顯微硬度計上測試焊接接頭的硬度變化，焊縫形貌及硬度測試分布點如圖1所示；參照《GB/T 228-2002金屬材料室溫拉伸實驗方法》在WDW-1000型微機控制電子萬能實驗機上進行拉伸實驗；參照《GB/T 229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊實驗方法》在ZBC2302-D型擺錘沖擊實驗機上進行沖擊實驗。拉伸和沖擊實驗根據研制的焊條設計5組實驗，每組3個試樣，最后求測試結果的平均值。

表4　焊接工藝

圖1　焊縫形貌及硬度測定分布點

1.4.3耐蝕性測試

電化學實驗在PGSTAT 302N電化學工作站上進行，腐蝕液為8%的硫化鈉溶液，得到極化曲線，分析X80鋼焊縫的腐蝕電位變化。常溫常壓下，利用失重法測試X80鋼焊縫的腐蝕速率，腐蝕環境為TM0177-2005標準中的A溶液通以飽和硫化氫氣體，實驗周期為96 h，利用TESCAN VEGA Ⅱ XMH掃描電子顯微鏡(SEM)觀察腐蝕產物表面的形貌。

2　結果與分析

2.1焊縫金屬化學成分

合金元素的過渡情況如圖2所示。由圖2可知，隨著藥皮中Al含量的增加，焊縫中的Al也相應提高；當藥皮中Al含量為0時，焊縫中Al含量為0；當藥皮中Al含量為8%時，焊縫中Al含量達到了0.83%，這表明焊條中的Al能夠實現較好的過渡。Al具有脫氧、脫硫、固氮的作用，可以形成保護性較好的熔渣，有效地穩定電弧、減小飛濺、保護焊縫金屬，有利于合金元素Mn、Si等的過渡，保障焊縫較高的力學性能，避免由氧引起的熱脆、冷脆和失效脆化等問題。

2.2顯微組織

焊縫金相組織如圖3所示。由圖3可知，X80鋼焊縫組織主要為鐵素體+貝氏體。隨焊縫中Al元素含量增加，焊縫中鐵素體尺寸先減小后增大；3#焊縫晶粒最為細小，分布更為均勻；2和4#焊縫組織較為粗大，1和5#焊縫分布不均勻，含夾雜物較多。晶粒越細小，晶界總長越大，能降低裂紋的有害影響，改善焊縫金屬的沖擊韌性。一定含量Al的夾雜物質點可作為非自發結晶核心細化組織，但由于Al是強鐵素體形成元素，能擴大鐵素體相區，促使在高溫下形成的先共析鐵素體不經過奧氏體變化直接得到室溫下粗大的鐵素體組織，因此Al含量過高，夾雜物增加，焊縫組織反而粗大，分布不均勻，導致熔敷金屬力學性能的下降。由此可知，用Al元素含量為4%的3#焊條焊接，可得到良好的焊縫組織。

圖2　X80鋼焊縫的EDS結果

圖3　X80鋼焊縫金相

2.3力學性能

2.3.1硬度測試

焊接接頭硬度變化如圖4。由圖4可知，焊縫和熱影響區的最大硬度值分別為260.59和261.63 HV，均滿足小于275 HV的要求，因此焊縫硬度檢驗合格。對比5組焊縫的硬度值發現，焊縫金屬的硬度值隨Al含量的增加而增大，這是由于藥皮中的Al保障了Mn、Si等合金元素的過渡，使焊縫合金化程度更高，而Mn、Si等元素可以增強焊縫基體的硬度，同時更多Al存在使焊縫夾雜物增加，彌散的夾雜物同樣可以強化基體，提高焊縫的硬度值。

圖4　焊接接頭的硬度變化

2.3.2抗拉強度

焊接接頭的拉伸實驗結果如圖5所示。由圖5可知，實驗自制焊條所得焊接接頭具有較高的抗拉強度；隨著焊條藥皮中Al含量增加，焊接接頭的抗拉強度逐漸增大。Al與氧、氮反應生成的氧化物和氮化物部分未能上浮到熔渣中而殘留下來形成夾雜，并且這些夾雜物彌散分布在焊縫金屬中，夾雜物對位錯具有釘扎作用，阻礙位錯的運動，夾雜物越多釘扎作用越強，對位錯運動的阻礙越大，因此焊縫金屬抗拉強度越大。所以隨著藥皮中Al含量的增加，焊縫金屬中夾雜物越多，焊縫的抗拉強度越大。另外，Mn等合金元素的增加能增強鐵素體基體的強度，進而提高焊接接頭的抗拉強度。

圖5　X80鋼焊接接頭拉伸實驗數據

2.3.3沖擊韌性

5組焊縫的沖擊韌性測試結果如圖6所示。

圖6　X80鋼焊縫沖擊韌性實驗結果

Fig 6 Impact toughness test results of X80 pipeline steel welded seam

由圖6可知，含Al焊條與不含Al焊條相比，含Al焊條焊接焊縫的沖擊韌性變化較為明顯，但是隨著焊條藥皮中Al含量的增加，焊縫沖擊韌性呈先上升后降低；當藥皮Al含量小于4%時，焊縫主要為細小的針狀鐵素體，晶界總長度更長，組織更均勻，沖擊韌性更大。當藥皮Al含量為8%時，焊縫中夾雜物增多，焊縫中彌散的氮化物和氧化物與焊縫金屬的變形能力不同，在夾雜物與焊縫金屬接觸的表面產生應力集中，促使裂紋的產生，且這類夾雜物屬于脆性夾雜，變形時易產生裂紋，因此導致沖擊韌性的下降。另一方面，由于Al元素的增加縮小了奧氏體的形成相區，進而形成更多粗大的先共析鐵素體，這也是導致沖擊韌性下降的重要原因。因此X80鋼焊縫的沖擊韌性隨著藥皮中Al元素含量的增加，先增大后減小。

圖7　極化曲線測試結果

2.4腐蝕實驗

2.4.1電化學腐蝕

焊縫極化曲線如圖7所示。由圖可知，用3和4#焊接時相比較1，2和5#焊條，其焊縫的腐蝕電流密度更小、自腐蝕電位最高，因此腐蝕傾向更小、腐蝕速率更低，表明焊縫的耐蝕性更好。X80管線鋼屬于低碳微合金鋼，合金元素含量總體偏低，合金元素直接作用于性能的可能性相對比較小，因此，通過改變顯微組織來影響焊縫性能的解釋更為合理。

本實驗用X80鋼的焊縫組織主要為鐵素體+貝氏體，而隨Al含量增加，焊縫夾雜物增多，夾雜物作為針狀鐵素體的形核核心促進鐵素體的形成，因此針狀鐵素體可看做由夾雜物、包圍在夾雜物周圍的鐵素體和外圍的富碳層組成，針狀鐵素體的晶界相對其它組織具有更高的電極電位，在局部電化學腐蝕中以陰極形式存在，所以針狀鐵素體的富碳層難以被腐蝕，降低了自身腐蝕速率，且此時焊縫組織更加均勻、大量存在的針狀鐵素體使基體具有更好的抗腐蝕性能；但當藥皮Al含量為8%時，焊縫中開始出現粗大的鐵素體組織，這部分鐵素體是由先共析鐵素體直接形成，其晶界上的雜質較多、化學成分的不均勻，提高了焊縫金屬的晶間腐蝕速率，因此焊縫的耐蝕性下降。所以，隨著焊縫中Al含量的增加，焊縫的抗腐蝕性能呈先增大后降低的趨勢。

2.4.2硫化氫腐蝕實驗

焊縫的浸泡實驗結果如圖8所示，腐蝕產物形貌如圖9所示。由圖可知，在一定范圍內，隨焊縫中Al元素含量的升高，焊接接頭腐蝕速率先減小后增大。由圖9可知，1#焊縫表面存在較多的腐蝕產物，并且存在腐蝕產物脫落的現象。2和3#焊縫表面產物膜整體較為平坦，腐蝕膜結構致密、完整，存在極少數的晶須，具有較好的保護作用；4#焊縫表面的腐蝕產物膜發生了龜裂和腐蝕產物脫落；5#焊縫腐蝕產物膜呈潰爛狀，存在大量的腐蝕晶須，部分區域存在嚴重的腐蝕孔洞，因此抗腐蝕性能顯著降低。

在飽和硫化氫環境下，焊縫金屬與H2S作用生成FeS，FeS為致密的薄膜可阻止鐵離子的通過，一定程度上降低了腐蝕速率。當用Al含量為4%的焊條進行焊接時，焊縫中夾雜物增多，但夾雜物作為針狀鐵素體的形核核心促進晶粒細化、組織均勻，因此焊縫腐蝕產物膜更加致密、平整，抗硫腐蝕性能更好。當用Al含量為8%的焊條進行焊接時，焊縫中夾雜物迅速增多，并且彌散的分布在焊縫中，而彌散分布的夾雜物特別是鋁氧化物、硅的夾雜物等化合物通常是裂紋的起源點，促進裂紋的產生而破壞原本致密的保護膜，產生龜裂，使硫能直接接觸內層金屬進一步腐蝕基體，顯著增大腐蝕速率，故產物膜呈現潰爛和孔洞。因此，隨Al元素含量的加入過多，焊縫的抗硫腐蝕性能反而下降。

圖8　X80鋼焊縫浸泡實驗測試結果

3　結　論

(1)利用自制的焊條進行焊接，得到了焊縫組織良好和力學性能優異的焊接接頭，當藥皮中Al含量低于8%時，隨Al含量的遞增，X80鋼焊接接頭硬度和抗拉強度均提高；焊縫的沖擊韌性先增大后減小，其中用3#(4%Al)焊條焊接時，焊縫組織最細小、分別最均勻，力學性能更好。

(2)在含硫環境下，隨焊縫中Al元素含量的增加，焊縫的抗腐蝕性能呈先增大后減小的趨勢。電化學實驗中用藥皮Al含量為4%的焊條焊接，焊縫腐蝕傾向最小；而浸泡實驗證明用藥皮中Al含量為2%的焊條焊接，焊縫測得的腐蝕速率最低，因此藥皮Al含量在2%～4%的范圍內，可能存在一個能提高焊縫抗硫腐蝕性能的最優值。

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文章編號：1001-9731(2016)08-08120-04

Effect of the element of Al in electrode on microstructure and mechanical properties of X80 pipeline steel welding joints

HUANG Bensheng1,2, CHEN Peng2,LU Jie2

(1. State Key Lab of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2. School of Materials Science and Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500,China)

In this study, an independent development electrode was developed to weld X80 pipeline steel. Moreover, the chemical composition and microstructure of welded seam was analyzed by Energy Dispersive Spectrometer (EDS) and Optical Microscope (OM). Hardness test, tensile test and impact test were also chosen to check the mechanical properties of welded joints. Electrochemical experiment test and immersion test were investigated to research the effect of the content of Al on resistance sulfur corrosion of the X80 pipeline steel welded seam, within the sulfur-bearing environment. The results show that, as addition of the content of Al in coating less than 8%, the content of Al in welded seam is improved and the hardness and the tensile strength are also increased, but the impact toughness and the resistance sulfur corrosion are enhanced first and then reduced, besides, the corrosion product film morphology changes obviously.

X80 pipeline steel; Al; welded joint; resistance sulfur corrosion

1001-9731(2016)08-08114-06

石油天然氣裝備教育部重點實驗室開放基金資助項目(OGE201402-02)；四川省教育廳重點資助項目(15ZA0057)；四川省科技創新苗子工程資助項目(20131014)

2015-05-20

2015-09-16 通訊作者：黃本生，E-mail: hbslxp@163.com.

黃本生(1969-)，男，安徽省巢湖人，教授，博士，主要從事資源綜合利用、材料表面工程研究。

TG406

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.019