組織特征對高強管線鋼焊縫及熱影響區韌性的影響*

袁雪婷， 李 麗， 楊 軍，牛 輝， 劉海璋，郭 丹

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008；3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 安全環保質量監督檢測研究院，四川 廣漢618300）

組織特征對高強管線鋼焊縫及熱影響區韌性的影響*

袁雪婷1,2， 李 麗3， 楊 軍1,2，牛 輝1,2， 劉海璋1,2，郭 丹2

（1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008；3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司 安全環保質量監督檢測研究院，四川 廣漢618300）

為了研究組織特征對高強管線鋼管焊縫及熱影響區韌性的影響，降低管線建設成本，保證服役管道的安全性和可靠性，以X80管線鋼為例，分析了奧氏體晶粒尺寸、第二項粒子、HAZ粗晶區第二相組織等對管線鋼管焊縫及HAZ韌性的影響。分析結果表明，適當控制t8/5和tH，保證第二相粒子的數量、均勻分布及HAZ粗晶區貝氏體的均勻化和精細化，避免島鏈狀大尺寸尖角型M-A組元的產生是提高焊縫及熱影響區韌性的有效方法。另外，在焊材的設計和制備上做好多元合金和微合金含量的精細配比和冶煉，防止合金元素偏聚，形成大尺寸夾雜和異類相影響焊縫塑韌性。

高強管線鋼；韌性；焊接接頭；第二相粒子

2008年我國開工建設的西氣東輸二線輸氣管線工程是世界上距離最長、直徑最大、使用X80管線鋼量最多、技術含量較高的天然氣管線，主干線長4 918 km，全部采用X80管線鋼管，鋼管直徑1 219 mm。與此同時，X90管線鋼在我國西氣東輸三線的試驗段應用也被提上日程，X100、X120管線鋼也在試驗開發中。隨著石油天然氣需求的不斷增長，遠距離高壓油氣輸送管道的建設必向著高強度、高韌性、大壁厚、大直徑以及大輸量方向發展[1-5]。提高鋼級、減小壁厚能有效節約管道建設成本，每提高一個鋼級可節約成本約7%[6-7]。高壓、遠距離、大輸量管線工程的建設，對管線用鋼在強度、韌性、塑性等性能指標方面有更高要求，要求服役管道不但具有高的強度和優良塑性，而且具有可靠的低溫沖擊韌性，在凍融、地震、泥石流等自然災害多發地帶服役的管線鋼還要求具有良好的抗大變形能力[8-10]。

我國西氣東輸二線工程采用的X80管線鋼，是在C-Mn系列低碳鋼中加入微量Nb、V、Ti，并利用控扎控冷技術，通過碳（氮）化合物析出強化來提高材料強度[11]，具有良好沖擊韌性和焊接性。然而，隨著高強管線鋼管的不斷推廣應用，服役管線的安全性和性能的可靠性將是關注的重點。對于高壓超長大輸量高強管線工程而言，焊縫處性能較其他位置更受到關注。從眾多研究報道[12-16]看，在無焊接缺陷影響下鋼管焊縫強度一般會高于管體母材強度，但沖擊功值卻遠小于管體其他位置，即焊縫處韌性要弱于管體母材。在相同試驗條件下，熱影響區沖擊功值同樣也小于管體母材，即熱影響區韌性亦弱于管體母材。因此，本研究分析了管線鋼組織特征對高強管線鋼焊縫及熱影響區韌性的影響，以期為高強管線鋼管的生產、工程建設、服役安全及可靠性研究提供參考。

1 微觀組織特征對焊縫及HAZ韌性的影響

1.1 奧氏體晶粒尺寸對韌性的影響

與母材相比，焊接熱影響區粗晶區主要組織類型為針狀鐵素體、粒狀貝氏體和板條貝氏體或以上幾種組織的復相組合[17-19]。決定焊接熱影響區粗晶區韌性的因素主要有貝氏體、鐵素體的片條大小及M-A組元的形態、尺寸和分布，但粗晶區晶粒尺寸粗大，是造成熱影響區韌性下降的主要原因。奧氏體晶粒尺寸隨t8/5（溫度從800℃降到500℃所需的時間）和tH（峰值溫度持續的時間）變化規律如圖1所示[20]。隨著t8/5和tH的增大，晶粒尺寸均顯著增大。在焊接連續加熱與冷卻過程中，晶粒長大具有熱慣性，即在加熱過程中最為激烈，但在冷卻過程中還有繼續長大的趨勢。

圖1 奧氏體晶粒尺寸與t8/5和tH的關系曲線

研究表明[21-22]，晶粒大小與韌性有明確關系，韌脆轉變溫度隨晶粒粗化而上升。式（1）給出了韌脆轉變溫度tc和平均晶粒尺寸的關系[23]。

式中，β、B、C為常數。

晶界對裂紋擴展起阻礙作用，晶粒的粗化造成了晶界面積的減少，晶粒之間的作用力減弱，對裂紋的阻力降低，直觀表現為韌性下降。另外，晶粒越細小，晶粒內部空位數目和位錯數目均減少，組織均勻性提高，從而推遲了微孔和微裂紋的萌發。當晶粒尺寸小于0.1 μm時，材料具有較高韌性[23]。X80管線鋼奧氏體晶粒尺寸與沖擊韌度的關系如圖2所示[20]。

圖2 X80管線鋼奧氏體晶粒尺寸與沖擊韌度的關系

對于焊縫焊接粗晶區，由于焊接時經受了峰值溫度的熱循環作用，奧氏體晶粒長大迅速。大線能量焊接時，奧氏體晶粒粗化更嚴重，不可避免的導致二次轉變組織的粗化，使韌性下降。為了限制HAZ粗晶區晶粒粗化，應嚴格限制峰值溫度持續時間tH。對tH的控制主要是靠控制線能量，因此為了防止晶粒粗化，應采用小線能量和適當預熱溫度配合，獲得理想熱循環。

1.2 第二相粒子的影響

微合金高強鋼是通過在C-Mn系列低碳鋼中加入微量Nb、V、Ti，并利用控扎控冷技術，通過微合金元素的碳（氮）化合物析出強化提高材料強度、韌性和焊接性。第二相粒子（主要是析出強化相）的尺寸、數量、形態和分布以及在焊接熱循環中的溶解、再析出和長大等行為對鋼及焊縫的沖擊韌性有顯著影響。

1.2.1 第二相粒子的溶解和析出行為

第二相粒子在HAZ中的溶解和析出行為與“溶度積”相聯系。 式（2）給出了“溶度積”的表達式[20]。

式中： M—金屬元素（Nb、 V、 Ti）；

I—間隙元素（C、N）；

A、B—試驗確定的常數；

m、n—化合價；

T—溫度。

根據（2）式，已知A、B可求各溫度下平衡溶度積，或求出某一組成時固溶溫度。表1為Nb、V、Ti的碳、氮化物的固溶溫度。由表1可見，TiN溶解溫度高，在焊接過程中最不易分解；VC不穩定，在加熱早期即發生分解。另外，由于Ti（CN）、 V（CN）和 Nb（CN）可互溶，當鋼中同時添加多種碳氮化物形成元素時，將形成復合化合物，其溶解度與該復合化合物組成有關。

表1 Nb、V、Ti碳氮化合物的固溶溫度

1.2.2 HAZ粗晶區第二相粒子的溶解、析出和長大

高強管線鋼HAZ粗晶區韌性的提高主要靠細小彌散的第二相粒子對晶界和奧氏體晶粒的釘扎和阻礙作用。經焊接熱循環后，由于大部分碳氮化物的高溫穩定性差，將發生大量溶解并重新固溶于奧氏體中，在隨后冷卻過程中，由于冷卻速度較快，第二相粒子僅部分發生沉淀析出，而未析出的主要以固溶狀態存在于粗晶區中。因此，焊接熱循環過程粗晶區單位面積內的粒子數量均不同程度減少，特別是形狀不規則的粒子數量大大減少。圖3為高溫停留時間tH對HAZ第二相粒子溶解、再析出和聚集長大規律的影響[20]。 圖 3（a）、 3（b）和 3（c）給出了在焊縫HAZ峰值溫度和加熱速度相同且tH=0 s、tH=4.5 s和tH=7.4 s條件下粗晶區第二相粒子的溶解和再析出情況。高溫停留時間tH對第二相粒子的長大有顯著影響。圖4給出了第二相粒子平均直徑隨tH延長的變化曲線[20]。

圖3 高溫停留時間tH對HAZ第二相粒子溶解、再析出和聚集長大規律的影響

圖4 第二相粒子尺寸隨高溫停留時間tH的變化關系

對于在加熱過程中未溶解的第二相粒子，隨t8/5的增加粒子尺寸逐漸增大，分布不均勻性增加，出現聚集長大現象。圖3（d）給出了在峰值溫度和加熱速度相同且tH=7.4 s、t8/5=24.1 s的條件下粗晶區第二相粒子的聚集長大形貌。第二相粒子數量的減少和分布的不均勻將減弱對晶界的釘扎作用，使晶粒顯著粗化，造成韌性下降[24]。

1.3 HAZ粗晶區二次組織的影響

少量鐵素體、粒狀貝氏體和板條狀貝氏體或幾種組織的復相組合是高強管線鋼焊接熱影響區粗晶區的組織類型，其與焊縫和母材組織有根本性區別和不同[17-19]。

X80及以上鋼級管線鋼焊接粗晶區中，貝氏體組織占了較大比例，其組織形態和分布，對韌性的影響尤為顯著。在小線能量和適當預熱溫度條件下，焊接粗晶區晶粒較細，其組織為大量板條狀貝氏體和少量粒狀貝氏體。板條狀貝氏體長度、寬度均較小，方向性差，而粒狀貝氏體的形成起到了分割板條狀貝氏體的作用，使具有相同取向的貝氏體板條變細變短。板條的邊界可以起到類似于晶界的作用，當裂紋擴展到板條邊界時將發生彎折，從而在低溫斷裂過程中能有效阻礙裂紋擴展。

當采用大線能量時，由于冷卻速度減慢造成了奧氏體晶粒嚴重長大，轉變后的組織中板條狀的貝氏體含量顯著增多，少量粒狀貝氏體對板條狀貝氏體的分割作用有限，板條尺寸粗大，方向性強，與小線能量相比，韌性顯著下降。預熱溫度高，因此高溫持續時間長，冷卻速度慢，奧氏體晶粒粗大，板條狀貝氏體尺寸更粗大，少量粒狀貝氏體對板條幾乎不存在分割作用，韌性較差。

X80及以上鋼級管線鋼粗晶區韌性與組織構成、形態和分布有著緊密聯系[20,25]。當粗晶區粒狀貝氏體含量較高時，板條狀貝氏體細小，方向性差且粒狀貝氏體對板條狀貝氏體的分割作用顯著，有效增大板條束邊界（可起晶界作用）的數量，可提高焊縫沖擊韌度；若粒狀貝氏體含量降低，分割作用將減弱，韌性下降；板條束貝氏體變得粗大，方向性強，以及多邊形鐵素體含量的增大，都弱化了高強管線鋼粗晶區的沖擊韌度，并導致其沖擊韌性的不穩定。

1.4 M-A組元的影響

圖5 X90管線鋼管焊縫熱影響區TEM微觀組織特征

圖5給出了X90高強管線鋼管焊縫熱影響區粗晶區、細晶區和混晶區的微觀組織特征及M-A組元形態、分布及尺寸。M-A組元是由富碳奧氏體在較低溫度下發生不完全馬氏體相變形成，相對于周圍的鐵素體基體來說屬于硬質相，塑變能力較弱，與周圍鐵素體基體間的適配性和協調性欠佳，在內應力作用下容易在板條狀MA組元的兩端部和尖角M-A組元的尖角處引起應力集中，最終在相界處萌生微裂紋或微孔洞。相關研究表明[26-27]，焊接熱影響區M-A組元的形態、數量、尺寸和分布對性能有很大影響，是引起焊接熱影響區韌性降低的重要原因。

研究表明[28]，M-A組元中的高硬度馬氏體，在變形過程易產生應力集中，與相變過程產生的殘余應力交疊影響，導致了脆性裂紋的萌生和擴展。脆性裂紋形核中心的產生主要由M-A組元與基體的分離及其內部自斷裂引起，且長條狀M-A組元相比于塊狀更易與基體分離，而塊狀M-A組元則更易發生斷裂，尤其是大尺寸塊狀M-A組元。

2 夾雜物的影響

圖6 X90級管線鋼管焊縫內夾雜物形貌特征、形核特征、成分分析及分布情況

焊接是母材金屬與焊材金屬熔化再凝固的過程。焊接過程，對熔敷金屬采用了諸如惰性氣體、焊劑熔渣等保護措施，但對各種夾雜物的形成抑制作用有限。焊絲的多元合金化和微合金化設計保證了焊縫金屬中能形成一定量的夾雜物作為針狀鐵素體的形核中心[29]，X90管線鋼管焊縫夾雜物形貌特征、形核特征、成分分析及分布情況如圖6所示[30]。圖6（a）為焊縫沖擊試樣斷口面纖維區形貌，圖中在韌窩底部存在球狀夾雜；圖6（b）中夾雜物尺寸約 1.0 μm，周圍針狀鐵素體以其為核心呈放射狀生長。當球形夾雜物尺寸在0.4～1.0 μm且數量少到彼此間距超過10 μm時對針狀鐵素體的形核最為有利且不會對材料宏觀性能造成影響[31]。但大尺寸夾雜物則是微孔、微裂紋形成及聚集長大最有利位置，極易萌生裂紋，引發斷裂，使得焊縫韌性降低。圖6（c）為焊縫沖擊試樣斷口面放射區形貌，夾雜呈不規則形態，大小尺寸約 20 μm×15 μm，經圖 6（d）EDS 分析，其主要為Al2O3、 MgO、 Ti2O3、 MnO、 SiO2等氧化物組成，分析結果見表2；圖6（e）是焊縫沖擊試樣近斷口區夾雜物分布情況，在大小為75 μm×75 μm的視域內，存在約50個可辨夾雜，夾雜形狀不規格，多呈圓形，分布不均，直徑為0.4～2.0 μm，如圖6中箭頭所示。焊絲多元合金化和微合金化設計保證了焊縫金屬中存在一定量的微細夾雜物，但同時大尺寸、密集分布的夾雜物增大了對韌性的損傷，使材料中裂紋形成的機率增多，對材料韌性有極大損傷，且密集分布的大尺寸夾雜物更易加快微裂紋連接和發展，最終造成焊縫斷裂[16]。

表2 X90管線鋼管焊縫內夾雜物EDS分析結果

3 結束語

管道的安全性是油氣管道輸送的重點。管線設計和安全評定主要使用平面應變沖擊韌性、平面應變斷裂韌性作為材料破壞的指標。韌性是管線鋼重要的性能之一，也是管道設計必須考慮的重要因素。

高強管線鋼管焊縫及熱影響區韌性影響因素眾多，對于提高焊縫熔敷金屬區和熱影響區韌性的有效方法便是正確制定焊接工藝，合理控制t8/5和tH，保證第二相粒子的數量和均勻分布及HAZ粗晶區貝氏體的均勻化和精細化，避免島鏈狀大尺寸尖角型M-A組元的產生。另外，在焊材的設計和制備上做好多元合金和微合金含量的精細配比和冶煉，防止合金元素偏聚，形成大尺寸夾雜和異類相影響焊縫塑韌性。

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Influence of Microstructure Characteristics on the Toughness of High Strength Pipeline Steel Weld and Heat Affected Zone

YUAN Xueting1,2，LI Li3，YANG Jun1,2，NIU Hui1,2，LIU Haizhang1,2，GUO Dan2
（1.National Engineering Technology Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China；3.Safety,Environment,Quality Supervision and Testing Research Institute,CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd.,Guanghan 618300,Sichuan,China）

In order to research the influence of microstructure characteristics on the toughness of high strength line pipe weld and heat affected zone(HAZ),reduce costs of pipeline construction and ensure safety and reliability of service,a case study of X80 pipeline steel,the influence of austenite grain size,second phase particles,second phase structure of HAZ coarse grain zone on the toughness of weld and HAZ were analyzed.The analysis results showed that the effective ways to improve the toughness on welded and HAZ of high strength pipeline steel pipe were to control t8/5and tHproperly for guarantees the number and uniform distribution of the second phase particles and the uniformity and refinement of bainite in HAZ coarse grain area,and avoid the formation of the large-size angle-shaped M-A element of island chain.In addition,in the design and preparation of welding materials,achieve the subtle proportion and smelting of the content of the multi-alloy and micro-alloy to prevent forming inclusions and heterogeneous phases which influenced plasticity and toughness in the weld caused by the segregation of alloy elements.

high strength pipeline steel;toughness;welded joints;second phase particles

TG142.1

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.11.005

國家科技支撐計劃項目“超高強度油氣輸送管材關鍵技術研究”（項目編號2011BAE35B01）。

袁雪婷（1988—），女，助理工程師，碩士，研究方向為油氣管材開發及焊接技術。

2017-06-13

編輯：羅 剛