X120管线钢环缝焊接技术发展

1、X120管线钢环缝焊接技术发展摘要本文主要讲述X120管线钢环缝焊接技术发展。这种实芯脉冲熔化极气体保护焊选用氩气作为保护气体保护以便于对焊接过程进行控制同时保证低氧和低氢含量。焊缝金属组织根据冶金基本原理，通过对约二十根实验焊丝和几个具有工业规模的加热丝的评估来验证。实验对焊缝金属化学成分和保护气体进行了优化。改进后的组织为针状铁素体穿插在马氏体内(AFIM)。透射电镜是微观组织结构和焊缝金属的分析及设计的首选工具。关键词焊接；管线钢；高强度；韧性；微观结构；马氏体；针状铁素体引言在开发像X120钢等更高强度管线钢的过程中，一个重大的难题是能否研发出与现有管道施工方法相匹配的环缝焊接技术。成

2、功的高强度管线钢环缝焊接的要求有有效的抗氢致开裂能力，良好的焊接生产率，在保证强度与韧性平衡的同时减少焊工的工作量。本文主要涉及到用于高强度、大直径气体管线钢现场施工的环缝焊接技术的发展。各类管线钢共同发展取得了不菲俄 成果，尽管关注重点是X120，但研究结果对X80和X100也同样适用。本次焊接研究项目包含许多问题，但由于论文篇幅限制，本文只涵盖主线主题环缝焊接。具体来讲，本文主要包括焊缝金属的冶金设计，焊接过程和参数的优选以及候选焊丝的评估。焊丝的搭配、补焊、氢致裂纹和断裂控制将是以后论文的主题。可以这样说，焊丝的搭配和补焊程序已经成熟，主线焊接技术需要预热100，断裂控制方法已由宽板弯曲

3、实验验证。实验开始之前给出实验所需几条指导原则和目标特性：采用工业生产中能是焊缝性能一致、低扩散氢含量的焊接方法。合理设计焊接工艺，易于使用以免焊接熔池产生缺陷最低设计温度:-20全焊缝金属性能：屈服强度>828MPa，抗拉强度> 931 MPa, 最小伸长率 > 18%夏氏冲击试验：84J -30 °C, 韧性-脆性转变温度-50 °C裂纹尖端张开位移：0.13mm -20°C.管道流体：干燥气体，无H2S-20° C 设计温度表示在更低的温度环境中应用的可能。夏氏冲击试验：84J -30°C的目标是海底管道系统

4、DnV Offshore 标准基于强度理论的延伸（见节C301和表6-3）。韧性-脆性转变温度是为了确保在设计温度下的高温域的断裂行为。断裂力学逐渐演变为在设计条件下的运算，平面型断裂评定的BS 7910标准和有限元分析，考虑了安装载荷和服役载荷（最小屈服强度的72%）。假定包括100%残余应力和一个2 mm深，100 mm长的表面开口缺陷。冶金设计和焊接工艺选择传统意义上，管线钢环缝焊接和同等强度的结构焊缝取决于作为基底微观结构的针状铁素体（AF）。对于X120钢的应用，针状铁素体作用不大，反而马氏体、贝氏体，和/或其衍生物决定焊缝金属主要成分。尽管针状铁素体自身作用不明显，但我们仍希望得到

5、少量针状铁素体。具体来说，针状铁素体可以将原奥氏体晶粒打碎成更小的单元，从而有效减小晶粒尺寸。本文将研究不同针状铁素体体积分数和形态的影响。实验采用贝氏体或马氏体以及少量针状铁素体将会导致韧性不足，焊缝金属性能不一致和氢致开裂等问题。实际上，焊缝金属韧性不足和氢致开裂是存在的主要问题。韧性不足主要是由于环焊缝熔池中不可避免的会存在非金属夹杂，高强钢对断裂敏感性高和以板条状组织为中的夹杂容易形成开裂源，同时马氏体又十分敏感。此外，夹杂对材料的韧性断裂产生不利影响;因此，对于板条状结构组织由于其塑性变形能力有限，它们的抗断强度应引起注意。夹杂对焊缝金属组织形成过程的影响是众所周知的，有有利的一面，

6、包括焊缝金属脱氧，通过钉扎作用控制奥氏体晶粒大小和促进针状铁素体形核。X120钢焊缝金属主要通过控制夹杂的体积分数和尺寸来平衡其利弊。其首要目的是限制焊缝金属氧含量在200-300 ppm。焊缝金属性能一致性需要注意，因为对于一个给定的成分，不同的冷却速度会使马氏体或贝氏体显微组织具有不同的强度和韧性。这显然影响到伊萨专利和美国海军船体结构高强钢焊接项目。造船涉及不同厚度的钢，热输入范围相对较大。这对就要求材料微观组织对冷却速度不敏感。与造船业相反，管线钢环缝焊接影响因素较少，传统制造业中，所有环缝焊接都涉及全位置焊接，钢材厚度较薄，这将热输入限制在较低水平，同时限制了冷却速度变化。这种变化在

7、熔化极气体保护焊最明显，变化最小。尽管管线钢对造船具有明显的优势，马氏体或贝氏体设计和焊缝金属性能一致性仍是关键问题。出于其韧性和氢致开裂的考虑，X120钢不可使用焊条电弧焊（包括低氢型垂直向下电极）。出于其焊缝金属氧（夹杂）含量的考虑，药芯和金属芯融化极气体保护焊排除在外，实芯融化极气体保护焊是一种可行的选择，也可选择脉冲熔化极气体保护焊(PGMAW)。脉冲熔化极气体保护焊在当前实际工业生产被广泛应用，预计，它使实现焊缝金属成分均匀，缺陷率和焊缝金属含氧量的可控制性，焊缝金属的低氢性成为了可能。此外，脉冲融化极气体保护焊热输入较低，冷却速度较快，可以使用低合金来获得目标组织，这也是马氏体或贝

8、氏体设计的一个优势。实验过程实验焊丝和合金元素的选择实验约制作了二十根焊丝，实验共用了50公斤钢锭，采用真空感应熔炼方式融化，制成0.9mm直径的焊丝并表面镀铜。焊丝化学成分见表1，为了突出强调焊丝的成分，每一根焊丝的合金元素都是特定的。焊丝2-10是在焊丝1的基础上制成的（尽管焊丝1的含碳量为0.008 wt.%，低于预期）。焊丝12-20是在焊丝11的基础上制成的.这两组焊丝的主要区别是焊丝11-20具有更高的相变材料所以强度也更高。本次实验不包括三条焊丝7，8，18.焊丝8和焊丝18的化学成分偏离预期目标，焊丝7用于另一个不同的项目。表1.焊丝化学成分(wt%)WireCSiMnNiCr

9、CuTiZrPcm10.0470.381.692.790.250.140.0200.0000.25320.0550.381.712.850.210.130.0220.0180.26030.0530.381.683.680.000.130.0180.0000.26040.0560.381.802.880.200.260.0190.0000.27150.0550.381.703.600.210.270.0180.0000.27960.0530.371.713.180.200.300.0200.0190.27090.0380.371.713.120.590.140.0200.0000.266100.

10、0720.381.722.820.200.140.0200.0000.276110.0590.391.893.080.210.170.0150.0190.279120.0600.651.893.060.200.180.0140.0190.288130.0630.401.893.070.200.180.0140.0190.287140.0620.391.903.080.200.160.0150.0180.285150.0650.391.903.070.200.160.0140.0400.284160.0580.391.903.040.200.180.0020.0170.277170.0670.3

11、91.903.080.490.210.0150.0190.303190.0790.401.903.050.50.0180.0080.0190.314200.0640.682.013.080.620.270.0080.0190.332210.0670.611.862.950.170.520.0140.0290.303220.0600.601.792.910.090.270.0140.0250.275230.0450.601.862.980.160.300.0140.0240.270240.0760.601.863.020.210.200.0160.0360.303硫：焊丝1-200.002，焊丝

12、21-240.004磷：焊丝1-200.001，焊丝21-240.008铝：焊丝1-200.003，焊丝21-240.008钼：所有焊丝0.570.61镍：所有焊丝<0.001钒：焊丝14和焊丝20=0.031，其余焊丝<0.001硼：焊丝13和焊丝20=12ppm，焊丝21-2431ppm氮：焊丝1-2013ppm，焊丝21-2431ppm氧：焊丝1-2018ppm，焊丝21-2430ppm碳含量提高会对材料的韧性和抗裂性能产生不利影响，人们在其通过他方式提高强度方面做了很多努力。提高固溶强化效果和增强淬透性的主要合金元素有锰、碳、镍、钼、硅、铬和铜。镍元素可以提高材料韧性，为保

13、证其抗解离和氢致开裂能力，焊丝9，17，19铬元素含量较高以检测其强化效果，但大多数焊丝的铬元素含量被限定在一定范围内。焊丝13和20中添加硼元素作为间隙强化剂来促进形成下贝氏体，焊丝12和20中硅元素含量较高以提高回火稳定性，钛、 锆可以减少焊缝金属中的夹杂物含量。锆对氧有较强的亲和力，在快速冷却脉冲融化极气体保护焊中，是作为控制焊缝夹杂物尺寸最好的方式。这个假设由焊丝2和焊丝6证实，因此焊丝11-20都加入了锆元素。实验焊丝的评估实验数据主要包括32条板焊缝和24条管焊缝，实验详细数据见表2。焊丝1-10是在两个300x600 x 20mm上布置了四条完全相同的对接焊缝。焊缝按照

14、CRC 埃文斯标准，使用单焊道P200机脉冲融化极气体保护焊制造。焊道及焊道根部的热输入大约为0.35 kJ/mm，填充焊道的热输入约为0.88 kJ/mm。保护气体成分85% Ar，15% CO2。最低预热层间温度为100，最高层间温度为200。板材固定到桌面以模拟环焊过程中的约束力。焊缝A-H将作为分析焊丝1-10的基本依据。表2 焊缝识别与焊接工艺信息焊缝焊丝板焊接或管焊接（s）最低预热温度/最高层间温度填充焊道平均热输入（kJ/mm)保护气体*A1板100/2000.8785/0/15B2板100/2000.8785/0/15C3板100/2000.8985/0/15D4板100/20

15、00.8885/0/15E5板100/2000.8885/0/15F6板100/2000.8885/0/15G9板100/2000.8785/0/15H10板100/2000.8785/0/15I11管100/1250.6385/0/15J12管100/1250.6885/0/15K13管100/1250.7185/0/15L14管100/1250.7285/0/15M15管100/1250.7085/0/15N16管100/1250.7585/0/15O17管100/1250.7385/0/15P19管100/1250.7485/0/15Q20管100/1250.7385/0/15R12管1

16、00/1250.6985/0/15S12管100/1250.8785/0/15T12管100/1251.0185/0/15U12管100/1250.8590/0/10V12管100/1250.6780/10/10W12管100/1250.6885/10/5X12管100/1250.6865/25/10Y12管100/1250.7370/25/5Z11管100/1250.7585/0/15AA12管100/1250.7585/0/15BB12管100/1500.7285/0/15CC19管100/1500.7385/0/15DD6管50/7585/0/15EE6管100/1250.7385/0/

17、15FF6管150/1750.7285/0/15GG21管100/1250.69-0.7380/10/10HH22管100/1250.70-0.7580/10/10II23管100/1250.69-0.7280/10/10JJ24管100/1250.69-0.7280/10/10*依次为Ar/He/CO2百分比热输入假定为0.72 kJ/mm其余焊缝的设计都是16mm厚壁上用直径36英寸X120管线钢的管焊缝。每一个环焊缝两侧都有至少一米的管材，除非有特殊说明，否则焊道A-H环焊缝采用相同设备和工艺（除填充焊道热输入和预热/层间温度区间）。由于由板对接焊缝（1G）变为管对接焊缝（5G），填充焊

18、道热输入稍有降低(0.75 kJ/mm)。预热/层间温度区间控制在100-125°C之间以排除冷却速度的影响，确保焊缝金属性能变化是由焊缝化学成分差异引起的。为单独验证焊丝11-20的基本性能，每一个环焊缝只用一根焊丝，记为焊道I-Q(见表2)。为研究热输入对焊缝的影响，焊缝R-T采用焊丝12.由于R、S、T热输入低、中、高的变化，其所需填充焊道数为4，3，2。焊缝J也可与R、S、T形成比较。为研究保护气体的保护效果，焊缝U-Y采用焊丝12。一般来说，保护气体中CO2含量越低，焊缝金属中氧和夹杂物的含量也会降低，韧性提高。实验采用含5%和10% CO2保护气体进行了验证，此外，实验添

19、加10%和20%的氦气提高实验可操作性（易用性）。本文实验中数据代表Ar/He/CO2百分比。实验加入一些附加焊缝（Z-FF），本文将会给出其详细的机械性能，在以后论文中会对其进行详细分析。焊缝Z和AA没有进行层间焊道清理，其余焊缝用不锈钢刷进行清洁。焊缝BB-FF用来研究预热和层间温度。对大规模焊丝生产的评估能进行大规模X120钢焊丝的生产商主要有三家，共拥有两个2吨级真空感应熔炼炉和一个20吨级电炉。电炉冶炼是在真空条件下进行的，通过控制真空感应熔炼法杂质含量来模拟电炉中杂质含量。焊丝化学成分见表1。有两家生产商通过真空感应熔炼炉生产部分焊丝（焊丝21-23），另一家则通过电炉冶炼生产焊丝

20、（焊丝24）。许多管对接焊缝采用焊丝21-24，采用80/10/10保护气体（首选），并采用与实验焊丝相同的检验方法检验。为简单起见，焊丝21-24的管对接焊缝所有数据都可以共享。尽管表2中表述的是焊缝GG采用的是焊丝21，事实上其他管对接焊缝的数据也应用到焊缝GG中，同样的，焊缝HH,II,JJ都可以共享其他管焊缝的数据。分析检验步骤实验采用直流等离子光谱（DCP）分析焊丝化学成分，放射光谱（OES）分析全焊缝金属化学成分，在填充焊道板厚中部取样，通过Leco气体燃烧法来测定C，O，N含量。全焊缝金属拉伸性能的实验采用两端带螺纹的圆棒（ASTM E8），圆棒直径为6.4 mm，剖面选在填充焊

21、道板厚中部。焊缝A-FF做两组拉伸性能实验，而大规模生产的焊丝GG, HH, II,和JJ,实验组数依次为28, 26, 5 和4。实验采用带仪表落锤的Dynatup 垂直落塔测定焊缝能量-温度转换曲线，在焊缝中心线处开一圆形通透孔以确保取样准确。每一组数据包括大约16项测验，用双曲正切模型进行统计学曲线拟合，曲线介于最高与最低值之间的点表示韧脆转变温度。裂纹尖端张开位移 (CTOD) 过渡曲线采用Bx2B试样，在焊缝中心线开一圆形通透孔(a/W=0.5)，预压缩量0.5%（两侧各0.25%）。每一条曲线包括大约14项测试。韧脆转变温度的测定方法与夏比冲击试验相同

22、。试样制备按金相技术标准并用2%硝酸酒精溶液腐蚀，采用光学、扫描电镜方法分析，检测部位位于填充焊缝中的柱状晶区域（在热温度不超过A1），距焊缝外表面最近约四分之一厚度的地方。透射电镜和扫描电镜检测的位置相同。透射电镜试样被机加工至50m大小，最终用300 ml甲醇，175ml正丁醇和30ml高氯酸的电解液进行抛光，采用扫描电镜与透射电镜组合方式对试样进行定量检测（物相鉴定），透射电镜以12帧放大6300倍参数对夹杂物的数量密度和尺寸大小进行了测定，采用X射线对测定夹杂物中关键化学元素。表3.焊缝化学成分(wt.%)和强度特征焊缝焊丝CSiMnNiCrMoCuTiZrVBONPcmYS(MPa)

23、UTS(MPa)%elong.A10.0590.261.482.410.230.560.160.00700.0074247760.24172478626B20.0620.251.522.360.210.550.170.0070.0080.0075253590.245*81424C30.0630.251.513.030.030.550.170.00600.0075252620.24776682124D40.0660.251.602.380.200.550.270.00600.00652511410.25774582125E50.0630.251.513.110.210.550.260.00600

24、.00652551010.26280086924F60.0660.251.522.580.200.550.300.0060.0090.0076268710.25978685524G90.0510.251.492.640.520.550.180.00600.00752711540.25371080024H100.0740.241.492.400.200.560.180.00600.0075241530.25669780727I110.0660.311.782.720.220.570.140.0080.010.0084309200.26989097922J120.0670.521.792.730.

25、230.580.150.0080.010.0084298170.280869100021K130.0680.341.792.780.220.570.170.0080.0110.00612349220.27987698621L140.0660.321.82.730.220.570.140.0080.010.0364318170.27487697218M150.0670.321.792.740.220.560.150.0080.0250.0074362220.27185595922N160.0640.311.772.740.220.560.180.0010.010.0065367460.26983

26、495921O170.0740.331.812.780.480.570.190.0080.0110.0075348210.297862100721P190.0810.341.812.780.50.570.170.0050.0110.0065338200.304876101421Q200.0730.611.922.810.610.570.250.0050.0120.03513327200.327890105522R120.0650.521.762.690.220.570.170.0080.0110.0085288380.27694597922S120.0650.51.752.630.220.55

27、0.140.0070.0090.0105286360.27288393121T120.0650.51.752.580.220.560.160.0070.0080.0115316420.27181491022U120.0630.521.772.610.220.560.150.0080.0110.0105239220.27286295919V120.0610.541.762.650.220.570.160.0080.0110.0085283600.27193897922W120.0610.571.82.720.220.570.180.0090.0140.0075220430.27793810071

28、8X120.060.531.782.660.220.570.160.0080.0100.00953011190.27189096617Y120.060.571.82.70.220.570.160.0090.0140.0085216250.27490397916Z110.070.291.782.640.220.540.140.0070.0060.0125658190.27084193119AA120.070.291.782.640.220.580.140.0070.0060.0094358190.27084897922BB120.0660.521.772.710.220.570.140.0080

29、.0100.0085307180.27782895923CC190.0650.561.82.680.220.580.160.0090.0100.0075310180.279855100723DD*6-89093121EE60.0670.341.572.830.280.580.290.0140.0080.004-339200.27486993819FF*6-81486222GG210.0610.491.752.640.190.530.530.0090.020.0094336470.28493196618KK220.0530.481.662.50.130.540.340.0080.010.0095

30、308340.25686290320II230.0500.501.782.680.180.300.300.0090.0190.0095312390.26389793823JJ240.0760.531.782.840.200.220.220.0110.0280.0064301290.291966102120焊丝A-FF：硫，磷含量= 0.001 - 0.002焊丝GG-JJ：硫=0.001-0.004磷=0.007-0.009所有焊缝： 铝= 0.002 - 0.005 钼= 0.52 - 0.58 铌= 0.003 - 0.005 硼，氧，氮含量为百万分之一屈服强度测量误差为0.2%*化学成分与EE相同*没有测量一般情况下强度与韧性变化趋势焊缝强度与化学成分数据见表3.数据可分为两类：强度较低的低Pcm值焊丝（1-10），强度较高的高Pcm值的焊丝（11-24）。强度通常认为是Pcm的函数，在此实验中，对数据的校正是分析合金元素含量对强度影响的首要任务。焊丝1-10是板的焊接，其余是管的焊接。冷却速度不同，得到的焊缝强度也不同，这可通过对比板对接焊缝F（焊丝6）和若干同焊丝管对接焊缝（DD-FF），可以确定引起屈服强度和抗拉强度的上升的因素分别为1.11和1.10，即由板对接转变为管对接。图1表示强度是Pcm的函数，在此图中，焊缝A-H（焊丝1