X80管線鋼焊接冷裂紋敏感性研究

嚴春妍 ，李 琛 ，元 媛 ，吳立超 ，尹長華

（1.河海大學機電工程學院，江蘇常州213022；2.中國石油天然氣管道科學研究院，河北廊坊 065000）

0 前言

石油和天然氣占全球一次能源的57%，我國陸上70%石油和99%天然氣依靠管道輸送，油氣管道是國民經濟的生命線。隨著國家能源規劃的推進，“十一五”以來建設了于西北中亞、東北俄羅斯、西南緬甸相連的三大路上油氣輸送通道，管道輸送效率的提高成為人們關注的重點[1]。目前，高壓、大口徑輸送油氣成為發展的必然趨勢，國內外天然氣管道正在向管徑1 219 mm、壓力12 MPa以上發展，而正式應用的最高鋼級是X80管線鋼[1-3]。但由于X80管線鋼強度級別較高，存在一定的冷裂紋敏感性[4-5]，因此有必要對其焊接冷裂敏感性進行研究。

采用斜Y形坡口裂紋試驗和焊接熱影響區（heat affected zone，HAZ）最高硬度試驗，結合數值模擬技術，研究預熱溫度對X80管線鋼冷裂紋敏感性的影響，為選擇合適的預熱溫度、優化焊接工藝參數、保證管道的安全運行提供數據支持。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗采用X80管線鋼，板厚10 mm，其化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。最高硬度試驗和斜Y形坡口焊接裂紋試驗所用焊條為直徑φ4 mm的BOHLER E9010G管道專用焊條。

表1 X80鋼化學成分Table 1 Chemical composition of X80 steel %

表2 X80鋼的力學性能Table 2 X80 mechanical properties

1.2 試驗方法

斜Y形坡口焊接裂紋試驗和試件尺寸必須符合 AWS B4.0：2007 Standard Methods for Mechanical Testing of Welds要求。試件的形狀和尺寸如圖1所示。環境相對濕度為75%，室溫為25℃。焊接電流170 A，電壓22～24 V，焊接速度150 mm/min。試驗考察了5種預熱條件的冷裂紋敏感性：不預熱（25℃）、60℃預熱、90℃預熱、150℃預熱和200℃預熱，試件焊后放置48 h，檢測和解剖裂紋，并分別計算出表面裂紋率和斷面裂紋率。

熱影響區最高硬度試驗按照GB 4675.5-84《焊接熱影響區最高硬度試驗方法》要求進行。根據試驗設計方案，測定不同預熱溫度下焊接熱影響區的最高硬度Hmax。焊后12 h切割試樣，并進行維氏硬度測定。

2 試驗結果

2.1 斜Y形坡口焊接裂紋試驗

X80管線鋼斜Y形坡口焊接裂紋試驗結果如表3所示。

由表3可知，沒有預熱時，冷裂紋敏感性較大；當預熱溫度提高時，裂紋率下降；當預熱溫度提高到150℃時，斷面裂紋率下降到0。提高預熱溫度有利于降低X80管線鋼的冷裂紋敏感性。

圖1 斜Y形坡口裂紋試驗試件尺寸Fig.1 Schematic of Y-slit cracking test specimen

表3 斜Y形坡口焊接裂紋試驗結果Table 3 Results of the Y-slit cracking test

不同預熱溫度下，焊接熱影響區粗晶區的顯微組織如圖2所示。粗晶區的顯微組織主要由粒狀貝氏體和部分板條狀貝氏體組成。隨著預熱溫度的提高，粗晶區的組織變得粗大，當預熱溫度為200℃時，顯微組織明顯粗大。因此，不能采用過高的預熱溫度，否則組織會變得粗大，不利于降低冷裂紋敏感性。

2.2 熱影響區最高硬度試驗

不同預熱溫度下焊接熱影響區最高硬度試驗結果如表4所示。由表4可知，X80管線鋼焊接HAZ最高硬度值均不是很高，隨著預熱溫度的提高，焊接熱影響區最高硬度值不斷下降。這說明預熱可以降低X80管線鋼焊接HAZ的淬硬傾向。

圖2 不同預熱溫度下粗晶區顯微組織Fig.2 Microstructures in coarse grained heat affected zone under different preheating temperatures

表4 X80管線鋼焊接接頭HAZ的最高硬度Table 4 Maximum hardness of heat affected zone for different preheat conditions

3 斜Y形坡口焊接裂紋試驗的數值模擬

為了提高計算精度、節省計算時間，通過設置拘束條件簡化焊件模型，只研究中間的試驗段焊縫及兩側的母材部分。根據試驗所得的焊縫形狀及尺寸建立幾何模型并進行網格劃分，如圖3所示。計算時，考慮到采用的是焊條電弧焊，因此選擇接近實際情況的雙橢球熱源模型。

圖3 斜Y形焊接裂紋試樣的有限元模型Fig.3 Finite element model of the Y-slit cracking test specimen

采用ANSYS有限元分析軟件對5組預熱條件的焊接過程進行模擬，分析預熱溫度對焊接殘余應力分布的影響，為實際工程中工藝參數的選擇和優化提供理論依據。預熱溫度60℃時的縱向殘余應力、橫向殘余應力和等效殘余應力分布情況如圖4所示。不同預熱溫度下殘余應力的峰值水平如表5所示。

由表5可知，焊件中的殘余應力集中出現在焊接熱影響區及焊縫根部，縱向殘余應力峰值大于橫向殘余應力峰值。當不預熱時，縱向殘余應力的峰值水平接近屈服強度，60～90℃范圍內提高預熱溫度可以降低等效殘余應力水平，而當預熱溫度提高到150℃時，等效殘余應力水平升高到591 MPa。另外，還可以看出，隨著預熱溫度的提高，橫向殘余應力峰值水平上升，導致焊縫根部殘余應力水平過高。當預熱溫度達到200℃時，預熱會導致焊件的應力水平過高，不利于降低冷裂紋敏感性。

圖4 預熱溫度為60℃時焊件中殘余應力分布Fig.4 Residual stress distribution in the specimen with 60℃preheating

表5 殘余應力計算結果Table 5 Simulated residual stresses

4 結論

結合斜Y形坡口焊接裂紋試驗裂紋率、粗晶區顯微組織分析、殘余應力分布的有限元計算分析以及最高硬度試驗結果，對X80管線鋼的冷裂敏感性進行了研究。

（1）一定程度的預熱可以降低X80管線鋼的焊接冷裂敏感性。預熱溫度低于150℃時，隨著預熱溫度的提高，HAZ最高硬度值下降，等效殘余應力水平下降，因此冷裂敏感性有所降低，斷面裂紋率下降。

（2）當預熱溫度提高到150℃，斷面裂紋率下降到0。此時CGHAZ顯微組織不粗大，HAZ最高硬度值較低，焊接接頭中殘余應力水平也不是很高，因此冷裂敏感性最小。

（3）當預熱溫度為200℃時，粗晶區顯微組織變得比較粗大，且橫向殘余應力峰值和等效殘余應力峰值都明顯增加。因此，不建議采用高于200℃的預熱溫度。