不同材質管道對接環焊縫熱影響區的硬度分布規律研究

任俊杰，仝 珂，杜華東，馬衛鋒，羅金恒，馬秋榮，霍春勇

1.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

2.西北工業大學材料學院，陜西西安 710072

3.中國石油西部管道分公司，新疆烏魯木齊 830013

天然氣站場內設施集中、高壓運行，一旦發生事故，危害和損失極高。近年來，天然氣站場內管道環焊縫失效事故頻發[1-2]。2011 年某壓氣站壓縮機出口管道與法蘭環焊縫失效，導致壓氣站發生爆炸事故。因此，天然氣站場內管道環焊縫的失效控制問題引起了廣泛關注。環焊縫的性能分布規律研究是對環焊縫進行完整性管理和安全評價的基礎，與長輸管道環焊縫由相同管道材料對接不同，天然氣站場內由于存在大量不同類型管件對接的情況，使得站內管道環焊縫具有不同鋼級對接、不同壁厚對接、不同管件類型對接的特點[3]。目前，對此類環焊縫的研究較少，對其性能分布規律并沒有充分掌握。在環焊縫區域，焊接熱影響區（HAZ） 的寬度較窄，顯微組織分布極不均勻，是焊接接頭的薄弱地帶。因此, 應該對HAZ 的性能分布規律給予重點關注[4]。管道鋼的硬度與強度、韌性均有一定的對應關系，能很好地反映材料的強度、韌性的分布特征[5]，并且硬度檢測方便易行，是研究性能分布規律的常用手段。

金屬材料的宏觀性能是由其微觀組織結構決定的，將微觀組織結構與宏觀性能進行對應研究，有助于材料性能特征的機理解釋，為性能調控提供依據、為失效分析提供理論基礎。但焊縫熱影響區的組織是在焊接時形成的，目前對其組織并沒有充分掌握，尤其是站場內管道對接環焊縫兩側接頭材料不同。

對國內多個天然氣站場的調研結果顯示，異徑三通- 直管對接環焊縫是鋼級和壁厚差異相對較大的環焊縫類型，典型的有X60-X80 和L245-X70對接環焊縫[6]，本文將按照現場調研結果，以上述兩種對接接頭環焊縫作為研究對象，采用硬度測試手段，揭示天然氣站場內管件環焊縫熱影響區的硬度分布規律，并對其組織結構進行了表征，通過其組織結構特征解釋了硬度分布規律的機理。

1 環焊縫制備及性能測試表征

1.1 環焊縫制備

采用手工半自動焊制備了X80 管件與X60 直管對接環焊縫（1#），X70 與L245 直管對接環焊縫（2#），詳細的材料規格尺寸見表1。

表1 焊接接頭材料規格

焊接按照Q/SY GJX 0221—2012《 西氣東輸三線管道工程站場管網焊接技術規范》[7]的工藝規程執行，保證與現場實際環焊縫的一致性。坡口角度為60°，根焊焊條為φ2.5mm 的ER50-6焊條，填充焊和蓋面焊焊條為φ2.5mm的E6015-Ga焊條，焊接均采用手工半自動焊接。

1.2 測試及表征

由于焊縫區域尤其是熱影響區尺度較小，同時存在多種不同組織結構，因此，為了更好地獲得這些區域內的性能分布情況，硬度測試采用壓痕較小的HV1 維氏硬度。采用日本FUTURE-TECH 公司FM-700型數字顯微維氏硬度計進行測試，單點持續加載時間15s。試樣的金相組織分析設備為Leica MeF3A 金相顯微鏡、Olympus 激光共聚焦顯微鏡。

2 結果與討論

由于管體母材和焊縫中心區域均為組織結構相對均勻的區域，而熱影響區是組織結構變化最大的區域，所以重點考察了熱影響區附近的硬度。沿著穿過熱影響區的軸向線進行HV1 硬度的打點檢測，測試區域覆蓋焊縫、粗晶區、細晶區、兩相區和母材。

2.1 X60-X80 環焊縫

X60-X80 環焊縫硬度打點位置和硬度曲線如圖1 所示，金相顯微照片中打點位置與硬度曲線中的硬度值相對應，HV1 打點間隔200 μm。

圖1 1#焊接接頭熱影響區的硬度分布

從圖1（a） 中可以看出，在X60 側熱影響區內，從粗晶區、細晶區到兩相區硬度有明顯降低趨勢，兩相區硬度與母材基本相同。X80 側熱影響區內從粗晶區到兩相區也逐漸降低（見圖1（b）），與X60 側規律相同。此外，焊縫和粗晶區的硬度值起伏較大，即分散性較大，而細晶區至母材區的起伏較小，即分散性較小。將兩側進行對比，可以看出，X60 側粗晶區硬度與焊縫硬度接近，但X80 側粗晶區硬度較焊縫硬度更高。可見，焊縫和兩側粗晶區（靠近焊縫處） 是焊接接頭最硬的地方，其塑性和韌性也會較差，尤其是X80 側粗晶區，在考察環焊縫韌性時應該給予重點關注。

硬度分布特征可以由組織結構來解釋，由圖1中的金相圖片可知，沿焊縫到母材，熱影響區內可以明顯的分為粗晶區、細晶區、兩相區，粗晶區晶粒明顯粗大。粗晶區內往往含有快速冷卻過程中產生的M/A 島等第二相組元，導致了第二相強化機制；同時，快速冷卻將形成交錯結構，導致位錯強化機制，這均是粗晶區硬度高于細晶區的主要原因。此外，粗晶區內晶粒較大，第二相粒子的均勻彌散程度必然低于細晶區，當采用壓痕較小的HV1 測試時，若打點位置落于第二相粒子時硬度易出現較大變化，從而導致硬度值在粗晶區出現較大的分散性。

對焊縫及兩側的粗晶區組織進行了觀察分析，組織結構如圖2 所示。

圖2 1#焊接接頭焊縫及兩側粗晶區組織結構

從圖2 可以看出，X60 側粗晶區主要由粒狀貝氏體（GB） +多邊形鐵素體（PF） +少量珠光體（P） 組成；焊縫區主要由晶內成核針狀鐵素體（IAF） +GB+PF 組成；而X80 側粗晶區組織為板條狀貝氏體（SB） +GB，幾乎不含鐵素體。SB、GB 均因板條狀或粒狀M/A 島的存在而具有較高的硬度，而鐵素體和多邊形鐵素體硬度較低，因此X80 側粗晶區硬度最高；相比X60 粗晶區，焊縫區雖然GB 較少，但其IAF 與GB 大量相互交錯增強了位錯強化作用，因此也具有較高的硬度。將兩側進行對比，X80 側粗晶區、細晶區、兩相區、母材硬度均高于X60 側，這也是由于X80 側含有較多的貝氏體導致的。硬度的分布規律與管材鋼級相對應，即強度越高，硬度越高。

2.2 L245-X70 環焊縫

圖3 為L245-X70 環焊縫硬度打點位置和硬度曲線圖，金相顯微照片中打點位置與硬度曲線中的硬度值相對應，HV1 打點間隔400 μm，在粗晶區適當加密打點。

圖3 2#焊接接頭熱影響區的硬度分布

從圖3 中可以看出，在熱影響區內，從粗晶區、細晶區到兩相區硬度有明顯降低趨勢，兩相區硬度與母材基本相同，這與X60—X80 環焊縫的規律相同。將兩側進行對比，可以看出，X70 側粗晶區硬度較焊縫有所降低，降幅不大，與X80、X60 具有類似的特征，但是L245 側粗晶區硬度較焊縫出現大幅降低。可見，焊縫和X70 粗晶區（靠近焊縫處）是焊接接頭較硬的地方，其塑性和韌性也會較差，在考察環焊縫韌性時應該給予重點關注，而L245側的硬度較低，其塑性和韌性也將相對較好，但因其鋼級較低，在考察環焊縫韌性時也不應忽略。

L245-X70 接頭從粗晶區到細晶區的降低趨勢與X80-X60 接頭的機理相同，均是由粗晶區的粗大晶粒和第二相粒子決定的。對焊縫及兩側的粗晶區組織進行了觀察分析，如圖4 所示。

圖4 2#焊接接頭焊縫及兩側粗晶區組織結構

從圖4 可以看出，X70 側粗晶區由GB+少量SB 組成，焊縫區組織為IAF+GB+PF，L245 側粗晶區由PF+P+少量GB 組成。相比X70 粗晶區，焊縫區雖然鐵素體含量較高，但是大量針狀結構與GB 的交錯也增強了位錯強化機制，從而導致了較高的硬度，而L245 側粗晶區則主要由PF 組成，僅含有少量GB，相比貝氏體組織，PF 具有明顯更低的硬度，因此L245 側粗晶區硬度明顯較低。將兩側進行對比，X70 側粗晶區、細晶區、兩相區、母材硬度均明顯高于L245 側，這也是由于L245 側各區域均主要由PF 組成，貝氏體含量較少。X70 側熱影響區的組織結構與硬度分布與X80、X60 側有類似的特征，而L245 側則區別明顯。

3 結論

在不同材質、不等壁厚對接環焊縫接頭中，焊縫區因為針狀結構與粒狀貝氏體交錯作用，硬度明顯較母材高，熱影響區內粗晶區的硬度最高，向母材方向逐漸降低。M/A強化及位錯強化機制是粗晶區硬度較高的主要原因，二次相粒子的不均勻分布使粗晶區的硬度分散性較大。X80、X70、X60 側熱影響區的硬度分布規律相似，硬度也逐漸降低，與鋼級相對應。粒狀貝氏體、針狀鐵素體由于位錯強化作用有利于硬度的提高，板條狀貝氏體綜合了板條鐵素體高位錯密度和M/A 板條束結構的作用表現出較粒狀貝氏體更高的硬度，而鐵素體、多邊形鐵素體硬度較粒狀貝氏體明顯更低。焊縫熱影響區的硬度分布特征是由組織成分和各成分的形態結構共同決定的。