管線鋼化學成分及組織對HFW鋼管焊縫性能的影響

楊明秦，路廣平，朱斌燕

（渤海裝備華油鋼管有限公司揚州分公司，江蘇 揚州 225128）

管線鋼化學成分及組織對HFW鋼管焊縫性能的影響

楊明秦，路廣平，朱斌燕

（渤海裝備華油鋼管有限公司揚州分公司，江蘇 揚州 225128）

分析了卷板化學成分及組織對HFW鋼管焊縫性能的影響機理，并提出了控制方法。分析認為：熱軋卷板中C、P、S的含量和晶粒度對HFW鋼管焊縫的低溫沖擊性能影響較大；夾雜物、帶狀組織也對HFW焊管焊縫沖擊韌性有較大影響；微合金化元素Nb、V、Ti在焊接及中頻熱處理中有抑制奧氏體晶粒長大的作用。

管線鋼；HFW鋼管；焊縫；化學成分；夏比沖擊功；韌脆轉變溫度；夾雜物；帶狀組織

高頻直縫電阻焊屬于壓力焊，無填充金屬對焊縫進行性能匹配，除通過成型調整、焊接狀態控制、中頻熱處理等工藝技術手段保障和提高焊縫質量外，分析總結管線鋼的化學成分、金相組織、夾雜物等對HFW鋼管焊縫性能的影響機理，以提高分析和控制HFW鋼管質量的能力很有必要［1-5］。

1　管線鋼化學成分及組織的影響

1.1C、P、S對低溫夏比沖擊韌性的影響

低溫夏比沖擊韌性是評價HFW鋼管質量的重要指標之一，是油氣輸送管線用管、站場及集輸管線用管、極寒環境用管、高品質套管等的重點檢驗數據指標。

HFW鋼管生產用卷板多采用C-Mn-Si系低合金熱軋卷板，國內油氣輸送鋼管基本執行GB/T 9711—2011《石油天然氣工業管線輸送用鋼管》、API Spec 5L—2012《管線鋼管規范》、API Spec 5CT—2011《套管和油管規范》、挪威船級社DNV-! OS-F101—2010《海底管線系統》、其他歐美國家標準及中國石油天然氣集團公司企業標準等產品標準。通用標準對熱軋卷板化學成分只是給出上限要求，這對于需要低溫夏比沖擊韌性的HFW鋼管來說顯得過于寬泛。APISpec 5L—2012標準PSL2等級的不同鋼級管線鋼的化學成分最大值見表1。

根據生產經驗及數據統計，一般要求HFW鋼管焊縫的夏比沖擊功試驗溫度≥-10℃；滿足通用標準技術條件供貨的卷板在保證成型、焊接及熱處理正常的情況下，都能生產出符合夏比沖擊功要求的HFW鋼管。但對于更低的焊縫夏比沖擊功試驗溫度，尤其在-30℃、-40℃溫度下要達到標準規定的沖擊功要求或更高要求時，僅通過調整焊接狀態、熱處理工藝難以滿足要求，還需從卷板的化學成分、組織形態進行分析研究，以總結影響HFW鋼管焊縫低溫夏比沖擊韌性的因素。

表1 APISpec 5L—2012標準PSL2等級的不同鋼級管線鋼的化學成分（質量分數）最大值　%

C是強化結構鋼最有效的元素，但對韌性、塑性、焊接性等有不利影響，降低C含量可以改善脆性轉變溫度和焊接性。S是危害管線鋼質量的主要元素之一，影響管線鋼的沖擊韌性，S含量越高，沖擊韌性將急劇下降。S還會使管線鋼產生各向異性，在橫向和厚度方向上使韌性惡化。P會使管線鋼的焊接性變差，明顯降低鋼的低溫沖擊韌性，提高脆性轉變溫度［6］。合金元素對鋼材韌脆轉變溫度的影響如圖1所示［7］，S含量對管線鋼-20℃橫向沖擊韌性的影響如圖2所示［8］。

圖1　合金元素對鋼材韌脆轉變溫度的影響

圖2　S含量對管線鋼-20℃橫向沖擊韌性的影響

可見，要獲得較低的韌脆轉變溫度，首先要控制卷板中C、P、S的含量，不能只停留在通用標準寬泛的成分控制指標上，更需要根據特殊的低溫沖擊指標，制定專門的卷板化學成分要求。實際管道工程用卷板的化學成分見表2。

表2　實際管道工程用卷板的化學成分（質量分數）%

不同鋼級卷板及其HFW鋼管焊縫的夏比沖擊功見表3。不同鋼級卷板及其HFW鋼管焊縫的金相組織如圖3～8所示。分析圖3～4及表2～3可知：1號母材C含量較高，珠光體組織較多，對沖擊韌性有較明顯的影響；2號與3號雖鋼級不同但化學成分含量接近，它們的沖擊韌性性能基本相似；4、5、6號鋼管的化學成分也基本類似，系列溫度的沖擊韌性值無大的差異。由上可知，排除鋼廠軋鋼工藝的差異，化學成分相似的不同鋼級管線鋼，它們的韌脆轉變性能基本相同。

表3 不同鋼級卷板及其HFW鋼管焊縫的夏比沖擊功

圖3　1號BM鋼級卷板及其HFW鋼管焊縫的金相組織

由表2和圖3～8可知：除1號BM鋼級卷板的w（C）超過0.10%外，其他5種卷板的w（C）均≤0.08%，較低的C含量有利于提高韌性，減少珠光體組織，從而降低韌脆轉變溫度；這6種鋼級卷板的S、P含量很低，尤其X65M、X70M鋼級卷板的w（S） ∧0.001%。S、P等雜質易偏聚于晶界，降低晶界表面能，產生沿晶斷裂，降低脆性斷裂應力，影響韌脆轉變溫度［8］。

圖4　2號BM鋼級卷板及其HFW鋼管焊縫的金相組織

圖5　X52M鋼級卷板及其HFW鋼管焊縫的金相組織

圖6　X60M鋼級卷板及其HFW鋼管焊縫的金相組織

圖7　X65M鋼級卷板及其HFW鋼管焊縫的金相組織

圖8　X70M鋼級卷板及其HFW鋼管焊縫的金相組織

嚴格控制卷板中C、P、S的含量，使卷板的韌脆轉變溫度為-60℃、-80℃或更低是保證HFW鋼管焊縫具有較低韌脆轉變溫度的前提條件。若要求HFW鋼管焊縫在-30℃或-40℃的沖擊功達到標準規定，建議將卷板中C、P、S含量控制在w（C）≤0.07%，w（P）≤0.015%，w（S）≤0.005%。

1.2焊縫氧化物、夾雜物的形成及影響

HFW鋼管在焊接過程中會形成焊縫區域氧化物，除在外部環境中氧氣、乳化液等與熔融金屬發生化學反應外，還有卷板本身攜帶的非金屬夾雜物、合金元素等發生化學反應。若這些化學反應的殘留物滯留在焊縫中，將影響壓扁試驗和沖擊試驗。HFW鋼管母材的帶狀組織如圖9所示。

圖9　HFW鋼管母材的帶狀組織

用管線鋼制作HFW鋼管，加入微量合金元素C、Mn、Si，在高頻焊接過程中會發生氧化還原反應，生成以Fe、Al、Mn、Si、S等物質為主的非金屬氧化物，若以塊狀或片狀殘留于焊縫，在進行焊縫的夏比沖擊試驗時會產生脆性斷裂，沖擊性能不合格。因此，提高母材的純凈度可以減少夾雜物產生的數量，有利于提高焊縫沖擊韌性。

在煉鋼的澆注過程中，如嚴格控制Mn/Si，則易生成難熔的固態氧化物SiO2，使鋼液的流動性變差，影響結晶后鋼坯質量；鋼廠通過調整Mn/Si在一個合適范圍使得脫氧產物為液態錳硅酸鹽，有利于脫氧物的排除。HFW焊接過程也有類似的化學反應過程。文獻［9］指出，為增加HFW焊接過程中熔融金屬的流動性，便于非金屬氧化物的排出，Mn/Si為7～9時，焊縫中夾雜物數量最少，焊縫有比較好的沖擊韌性。

帶狀組織也是卷板內部缺陷之一。鋼材組織成分不均會引起帶狀組織，從而影響鋼材性能，形成各向異性，降低塑性和沖擊韌性［10］。帶狀組織的分布尤其以卷板中部最為嚴重，對于需要使用縱剪對裁原料生產小管徑HFW鋼管的項目，更應重視帶狀組織的影響，焊接時易在焊縫中形成非金屬夾雜物。

HFW焊管焊縫熔合線處的帶狀組織如圖10所示。從圖10中可看到一條明顯的帶狀組織進入焊縫，由于帶狀組織成分偏析嚴重，或伴有大量非金屬夾雜物，大大削弱了焊縫的強韌性能，而經正火處理后也不能完全消除帶狀組織帶來的影響，在拉應力作用下極易產生裂紋，因此焊縫沖擊試驗多是脆性斷裂［11］。若對HFW鋼管焊縫沖擊韌性有較高要求或采用縱剪一剖二卷板生產HFW鋼管時，應要求鋼廠將帶狀組織控制在2級或更小；對于通常使用的油氣輸送管線用HFW焊管卷板，建議鋼廠將帶狀組織控制在3級以下。

圖10　HFW焊管焊縫熔合線處的帶狀組織

控制帶狀組織級別，降低非金屬夾雜物級別，降低卷板中的S、P、Si含量，提供純凈的卷板組織狀態可從源頭上保障HFW焊接質量。

1.3焊接及熱處理后晶粒大小

HFW焊接與中頻熱處理工藝都存在奧氏體再結晶的過程，應嚴格控制中頻加熱時間、加熱溫度等工藝參數。此外，在奧氏體再結晶過程中卷板原始晶粒度、合金元素及雜質等因素也對熱處理后HFW鋼管焊縫及熱影響區晶粒組織起到較大作用，影響焊縫沖擊韌性。

當變形度一定時，材料的原始晶粒度越細，再結晶后的晶粒也就越細。溶于基體中的合金元素和微量雜質，一方面增加了變形金屬的儲存能，另一方面阻礙晶界的運動，起到細化晶粒的作用［12］。

為保證管線鋼的強韌性性能，煉鋼時加入了少量Nb、V、Ti合金元素，其作用有以下兩個方面：①在熱加工過程中抑制奧氏體的形變再結晶并阻止其晶粒的長大；②通過碳氮化合物的應變誘導析出，對鋼進行沉淀強化作用。Nb具有最強的晶粒細化強化效果，V具有最強的沉淀強化效果，Ti則介于兩者之間［13-14］，高溫下，Ti以TiN、TiC彌散析出，成為鋼液凝固時的固體晶核，有利于結晶，細化組織，在高頻焊接后阻止奧氏體晶粒的長大，Ti的加入量為0.010%～0.025%較為合理［15］。微合金元素含量與晶粒度尺寸關系如圖11所示［13］。

在低鋼級的管線鋼中w（Nb）為0.01%～0.03%，高鋼級管線鋼中w（Nb）∧0.05%。在Nb的作用下，經中頻熱處理后，焊縫及熱影響區組織不會因熱處理溫度過高而使晶粒度尺寸產生較大變化；尤其對于厚壁焊管的焊縫熱處理，不會產生因為使焊縫內側達到熱處理溫度而提高焊縫外側加熱溫度，導致外焊縫區域晶粒粗大，使性能下降的狀況。

圖11　微合金元素含量與晶粒度尺寸關系

經中頻熱處理后，Φ406.4 mm×9.5 mm規格X65M鋼級HFW焊管母材、焊縫的金相組織如圖12所示。由圖12可知，經不同溫度中頻熱處理后焊縫區域晶粒無明顯差異。國外學者也做過類似試驗，選取了12種不同鋼級（X52～X70）的管線鋼，正火熱處理溫度為1 180℃，其結果是等軸鐵素體晶粒沒有明顯變粗［14］。

圖12　不同熱處理溫度下HFW焊管母材、焊縫的金相組織形貌

由圖3～8可知：焊縫區域的晶粒與母材的晶粒相比無級別差異；卷板晶粒較細，鋼管焊縫晶粒度也相對較小，晶粒比較細，純凈組織的焊縫低溫沖擊性能也較好。也就是說，鋼管焊縫區域的晶粒度大小、珠光體組織所占的比例、晶間夾雜物的多少決定了焊縫低溫沖擊性能的優劣。文獻［7］指出：韌脆轉變溫度與鐵素體晶粒尺寸呈線性關系；卷板鐵素體晶粒尺寸越小，其韌脆轉變溫度越低。

2　結　論

（1）熱軋卷板的化學成分（尤其是C、P、S的含量）和卷板晶粒度大小極大地影響卷板的韌脆轉變溫度，進而影響HFW鋼管焊縫的低溫沖擊性能。若需要HFW鋼管焊縫在-30℃、-40℃甚至更低溫度時的沖擊功滿足標準要求，則熱軋卷板的化學成分要求采用比通用標準更嚴格的規范，同時對卷板晶粒度級別提出要求。

（2）應控制熱軋卷板的帶狀組織、非金屬夾雜物，尤其縱剪對裁后用于小管徑生產的卷板，其中部的帶狀組織對鋼管焊縫性能影響較大；對沖擊韌性要求較高時可對卷板Mn/Si做出要求。

（3）微合金化元素Nb、V、Ti的析出物能阻礙奧氏體晶粒長大，使經中頻正火處理后焊縫及熱影響區的晶粒度保持在較好的等級上。

［1］王旭，趙晶，肖都琴，等.HFW鋼管用于油氣輸送管道的問題思考及建議［J］.鋼管，2013，42（2）：48-50.

［2］王曉香.2012年以來我國焊管產業的發展形勢及建議［J］.鋼管，2014，43（1）：1-4.

［3］楊在安，邵毅，郝明剛.高鋼級HFW石油套管的研制［J］.鋼管，2014，43（3）：44-48.

［4］胡松林，肖光成.兩種不同成分X70M管線鋼在HFW焊管中的應用［J］.鋼管，2015，44（2）：55-58.

［5］胡松林.中直徑管線管用HFW焊管的開發及進展［J］.鋼管，2013，42（5）：9-14.

［6］王立濤，李正邦，張喬英.高鋼級管線鋼的性能要求與元素控制［J］.鋼鐵研究，2004（4）：13-17.

［7］束德林.工程材料力學性能［M］.2版.北京：機械工業出版社，2011.

［8］戰東平，姜周華，王文忠，等.高潔凈度管線鋼中元素的作用與控制［J］.鋼鐵，2001，36（6）：67-70，78.

［9］橫山榮一，山県光邦，嘉納德彥，等.高Mn中徑電縫鋼管のぺネトレーター発生に及ばす造管條件およびMn/Siの影響［J］.川崎制鐵技報，1978，10（1）：23-33.

［10］張迎暉，賴泓州，趙鴻金.鋼中帶狀組織的研究現狀［J］.軋鋼，2014，31（3）：45-47.

［11］王溫銀，馬彥忱.帶狀組織對焊管焊縫強韌性的影響［J］.焊管，1998，21（5）：13-16.

［12］崔忠圻，覃耀春.金屬學與熱處理［M］.2版.北京：機械工業出版社，2007.

［13］韓孝永.鈮、釩、鈦在微合金鋼中的作用［J］.寬厚板，2006，12（1）：39-41.

［14］Tazedakis SAthanasios，Voudouris G Nikolaos，Muss-! lewhite Mike.Manufacturing of 25mm heavy-wall line-! pipe using the high frequency induction（HFI）welding technique，a challenge for a pipemanufacturer［C］//Pro-! ceedings of the 8th International Pipeline Conference，2010.

［15］高秀英.極寒和酸性環境用高強度電阻焊（ERW）管線的開發［J］.焊管，1993，16（4）：51-56.

●簡訊

寶鋼集團成功試制出CT130超高強連續油管用鋼［發布日期：2016-06-03］日前，寶鋼集團成功試制出首批CT130超高強連續油管用鋼，標志著該集團已具備生產超高強連續油管用鋼的能力，有助于我國頁巖氣產業向更深更惡劣的工況環境進發。經檢驗，該超高強連續油管用鋼具有很高的強度和塑性，內部質量、表面潔凈度、厚度精度及性能均勻性很好，各項性能指標均滿足用戶協議要求。

（摘自：寶鋼日報）

天津鋼管集團股份有限公司成功試制1 100 MPa高強度氣瓶管［發布日期：2016-05-19］日前，天津鋼管集

團股份有限公司與天津天海高壓容器有限責任公司聯合開發的1 100 MPa高強度氣瓶管試制成功，此次試制的氣瓶管規格Φ356 mm×8.4 mm，鋼種34CrMo4H，由Φ460 mm三輥限動芯棒連軋管機組軋制。檢測結果表明：該1 100 MPa高強度氣瓶管的各項性能指標均滿足ISO 9809-2∶2010標準，達到同行業先進技術水平。以1 100 MPa高強度氣瓶管為原料生產的高壓氣瓶具有質量輕、充裝容量大和高效運輸等優點。（摘自：天津鋼管集團股份有限公司網站）

天津鋼管集團股份有限公司成功軋制新規格L80-13Cr油管［發布日期：2016-04-09］天津鋼管集團股份有限公司Φ258mm三輥限動芯棒連軋管機組成功試軋出Φ139.7mm×7.72mm規格L80-13Cr油管，該公司不銹鋼鋼管又添新成員。（摘自：天津鋼管集團股份有限公司網站）

寶山鋼鐵股份有限公司實現13Cr油管的批量生產 ［發布日期：2016-05-18］2016年4月，寶山鋼鐵股份有限公司Φ140mm全浮動芯棒連軋管生產線成功實現Φ88.9mm×6.45mm 13Cr油管成品的批量生產，一次探傷合格率達到99%以上。13Cr油管主要應用于高CO2含量的苛刻腐蝕環境，其生產制造難度非常高，屬于高附加值產品。

（摘自：寶鋼日報）

衡陽華菱鋼管有限公司成功生產X65QO鋼級薄壁海洋工程用管［發布日期：2016-04-13］2016年4月13日，衡陽華菱鋼管有限公司為國外某公司生產的110 t 769支IPD（集成產品開發）X65QO鋼級Φ114.3mm×4.77mm海洋工程用管線管熱處理一次性成功。該產品由Φ180 mm PQF三輥連軋管機組生產，由于壁厚較薄，加之客戶要求長度12.2 m以上，生產的難度極大。不僅難在熱軋尺寸精度控制，熱處理時高溫狀態下也容易變形導致尺寸精度變差，彎曲超差，力學性能難控制。

（摘自：衡陽華菱鋼管有限公司網站）

In fluence by Chem ical Com position and Struc ture of Pipe Line-purposed Steelon Weld Property of HFW Pipe

YANGMingqin，LUGuangping，ZHU Binyan
（Yangzhou Branch，Huayou Steel TubeCo.，Ltd.，BohaiEquipmentManufacturing Corp.，Yangzhou 225128，China）

Analyzed is the mechanism of effects by the chem ical composition and microstructure of the steel strip on the weld property of the HFW pipe.Accordingly，countermeasures are proposed.The analysis result reveals the following facts.The contents of C，P and S，and the grain size of the hot-rolled steel strip have obvious influence on the low temperature impact property；the inclusions and the banded structure of the steel also produce significant effect on the impact toughness of the pipe；and the micro-alloy elements like Nb，V and Ti jointly play a role in restraining growth of austenitic grains during welding and MF heat treatment processes.

pipe line-purposed steel；HFW steel pipe；weld；chem ical composition；charpy impact energy；ductility-to-brittleness transition temperature；inclusion；banded structure

TG113.25；TG335.75!!

B!

1001-2311（2016）03-0052-06

楊明秦（1969-），男，高級工程師，從事焊管工藝技術的研究及質量管理工作。

（2015-12-16；修定日期：2016-03-01）