X80级管线钢埋弧焊焊缝韧性波动研究

1、12 焊管 第32卷第6期 2009年7月试验与研究X80级管线钢埋弧焊焊缝韧性波动研究雷胜利,毕宗岳11,2(1.宝鸡石油钢管有限责任公司,陕西宝鸡721008;2.西安理工大学材料科学与工程学院,西安710048)摘 要:研究分析了西气东输二线用X80级钢18.4mm厚热轧卷板的成分和组织特点。TEM分析表明,18.4mm厚X80级热轧卷板在板厚1/4和1/2处,晶界均比较纯净,组织以针状铁素体为主。针对这种高钢级厚板管线钢埋弧焊接条件下出现的焊缝韧性波动,采用SEM、能谱分析等对焊缝微观组织、冲击断口形貌、成分偏析、焊缝夹杂物、焊丝纯净度等进行了分析。研究结果表明,焊缝原始奥氏体晶粒大小

2、对韧性有显著影响,晶界AlN、硫化物析出是形成焊缝光滑脆性断口的主要原因,焊缝中高熔点氧化物夹杂也会引起冲击值下降。关键词:X80级管线钢;埋弧焊接钢管;焊缝韧性中图分类号:TG405 文献标志码:A 文章编号:1001-3938(2009)06-0012-06ResearchonSAWWeldToughnessFluctuationofX80GradePipelineSteelLEISheng li,BIZong yue11,2(1.BaojiPetroleumSteelPipeCo.,Ltd.,Baoji721008,Shaanxi,China;2.SchoolofMaterialScie

3、nce&EngineeringofXi anUniversityofTechnology,Xi an710048,China)Abstract:ThecompositionandstructurecharacteristicsofX80gradepipelinestee,lwhichwasusedinthe2ndWest eastGasPipelineProject,hadbeenresearchedandanalyzedinthisarticle.TEManalysisshowedthat,inthickness1/4and1/2ofX80gradehotrolledcoilwith

4、18.4mmthickness,thegrainboundarywaspurityandorganizationwasacicu larferrite.Aimingatthetoughnessfluctuationofthehighgradethickplatepipelinesteelsubmergedarcwelding.SEMandenergyspectrumanalysishadbeenusedtoanalyzeweldmicrostructure,appearanceofimpactfracture,compositionsegregation,weldinclusions,weld

5、ingwirepurity,etc.Approvedbytheresearchconsequence,originalaustenitegrainsizehassignificanteffectonweldtoughness.AndgrainboundaryAlN,sulfideseparationarethemainreasonsofformingsmoothbrittlefractureonthewelds.Highmeltingoxideinclusionsintheweldsalsocouldcausethedecreaseofimpactvalue.Keywords:X80grade

6、pipelinestee;lsubmergedarcweldedpipe;weldtoughness0 前 言管线钢管的发展趋势是不断向高钢级、大直径、厚壁方向发展,以期最大限度减少用钢量,降低管道建设成本。2005年建成的西气东输一线采用了X70级 1016mm 14.6mm焊接钢管,输气压力10MPa。目前正在建设的西气东输二线采用X80级,输气压力12MPa管线钢管。有资料表明,全球目前已建成X80钢级输气管线总长约2200km,其中最长的620km,由美国Elpaso公司建设1我国西气东输二线全长7000多km,采用X80级管线钢焊管,是目前中国乃至全球X80级管线距离最长、管径最大的

7、天然气输送管道。该管线所用钢管以X80级 1219mm 18.4mm螺旋埋弧焊管为主。X80级管线钢采用超低碳、微合金化设计,适量添加Mn、Mo、Cr、Ni、Cu、T、iNb、V等合金元素,通过控轧控冷技术,实现以针状铁素体为主的组织控制。由于母材组织的细晶化,使得在强度提高的同时仍具有较高的韧性,以保证所要求的止。第32卷第6期 雷胜利等:X80级管线钢埋弧焊焊缝韧性波动研究 13裂韧性。但是对于这种高强度管线钢板的埋弧焊缝,在焊接过程中一个突出问题就是焊缝韧性的下降,针对X80级高钢级厚壁管线钢管埋弧焊接条件下出现的焊缝韧性波动,笔者采用SEM(扫描电子显微镜)、能谱分析对焊缝的微观组织、

8、冲击断口形貌、成分偏析、焊缝夹杂物以及焊接材料的影响等进行了研究分析。织如图1所示。由图可见,该组织以铁素体为主,其余为珠光体、粒状贝氏体、少量M-A组元以及碳化物。采用计点法进行定量金相估算,得出板厚1/4处铁素体的体积分数约为78%,其中先共析铁素体的体积分数约占8%,针状铁素体的体积分数约占70%;板厚1/2处铁素体的体积分数约为82%,其中先共析铁素体的体积分数约占4%,针状铁素体的体积分数约占78%,不规则分布的针状铁素体有所增加,珠光体的含量减少,局部区域有少量块状的先共析铁素体、黑白相间的珠光体以及带棱角的大块黑色M-A组元。采用TEM对母材进行微观分析,板厚1/4处和1/2处的

9、TEM照片如图2所示。由图可见,其组织由铁素体+珠光体+碳化物以及M-A组成,不同板厚方向晶界比较纯净,无明显杂质存在。在卷板头、中、尾不同部位取样,力学性能完全符合APISPEC5L标准规定,系列温度夏比冲击试验结果和DWTT试验结果如图3和图4所示。由图3可见,-20 夏比冲击功大于275J。1 X80级管线钢卷板的组织和性能国内X80级管线钢典型的化学成分见表1。为确保管线钢的焊接性,Ceq控制在0.43%以内。 表1 国内X80级管线钢典型的化学成分%w(C)w(Mo)w(V)w(Si)w(Ni)w(Ti)w(Mn)w(Cu)w(Al)w(P)w(Cr)Ceqw(S)w(Nb)X80级

10、管线钢板厚1/4处和1/2处的金相组14 焊 管 2009年7月# 焊接参数:内焊1丝,电流1470A、电压33V;内焊2丝,电流400A、电压33V;外焊1丝,电流1500A、电压34V;外焊2丝,电流480A、电压36V。焊接材料:X80级钢专用焊丝和焊剂。焊接速度:1.501.70m/min。按照上述工艺参数,在实验室进行平板对接焊接试验,焊缝几何形状较理想,焊缝宽度约20mm,熔深10mm左右。焊缝表面光滑,无咬边等缺陷。#3 焊缝冲击韧性对焊缝进行拉伸、弯曲、金相等检测,各项指标满足标准要求。焊缝的冲击试样取自焊缝厚度的上、中、下3个部位。试验结果发现,当焊接速度较低时,冲击值出现较

11、大波动,最高值188J、最低值48J,数据分散性较大。焊缝冲击试验结果见表2。表2试样编号(部位)01(上)02(中)03(下)-20 焊缝冲击试验结果焊缝冲击功/J单 值122,64,154,48,188176,130,66,142,13248,96,74,128,136平均值115129962 焊接工艺研究结果表明,焊接线能量对焊缝的力学性能有较大的影响。随着线能量的增加,屈服强度和抗拉强度均呈下降趋势,而线能量太大或太小均使焊缝韧性降低2 注:试样尺寸55mm 10mm 10mm。4 分析讨论4.1 断口分析对冲击值较低的试样进行断口分析,在缺口的底部观察到平行于缺口有一条平坦的光滑面,

12、见图5(a);在断口的中部,观察到有片石状的脆性解理区及二次裂纹,见图5(b)。经过反复试验研究,对于X80级钢18.4mm厚的热轧卷板,其埋弧焊接线能量应分别控制在内焊22kJ/cm、外焊25kJ/cm左右。坡口形式:X形,钝边为710mm,坡口角为70 /100 。图5 冲击试样的断口SEM 500第32卷第6期 雷胜利等:X80级管线钢埋弧焊焊缝韧性波动研究 15对试样的沿晶缩松即光滑面进行了能谱分析,结果见图6和表3,发现Al、Si、S、P等元素偏高。根据以上检测结果分析认为,冲击值低的原因之一是断口上沿柱状晶方向存在着脆性光滑面,这些光滑面是焊缝金属在结晶过程中A、lSi、S等元素或

13、化合物产生晶间析出,导致柱状晶晶界局部脆化而造成的。表3 断口上光滑面的能谱分析结果元素AlSiPSCaMnFe总量质量百分比/%原子百分比/%4.2 金相分析将冲击值高低不同的试样制作金相试样进行分析,结果见图7。由图可见,冲击值高的试样组织相对细小、均匀,冲击值低的试样组织相对粗大、不均匀。从光学显微镜下看到组织以针状体图6 冲击试验低值断口光滑面的能谱扫描曲线为主,并有少量的块状铁素体。图7 不同冲击值试样焊缝原始奥氏体组织对试样的原始奥氏体晶粒尺寸进行了定量金相分析,总结了焊缝原始奥氏体晶粒尺寸与焊缝冲击韧性的关系,见图8。可见,原始奥氏体晶粒尺寸对焊缝韧性有显著影响,原始奥氏体晶粒越

14、粗,焊缝韧性越低2,因此,细化焊缝原始奥氏体晶粒是改善焊缝韧性的有效手段之一。研究表明,焊缝原始奥氏体晶粒大小受以下因素影响: 焊接线能量,随着焊接线能量增大外焊缝柱状晶平均宽度增加,先共析铁素体数量增加,针状铁素体数量减少而尺寸增大;对重结晶的内焊缝组织,随着线能量增加粗晶区的原奥氏体晶粒更粗大,先共析铁素体尺寸长大数量增多,细晶区的铁素体晶粒尺寸也有所长大,珠光体数量明显增多3。 焊缝中适量加入T、iN、B,所生成的TiN在高温下部分未熔解在奥氏体晶粒内,而滞留在奥氏体晶界以阻止奥氏体晶粒长大,有利于晶内铁素体核心的增加,但Ti、N含量应有合适图8 焊缝晶粒尺寸与韧性关系的比例,一般不应超

15、过6 1;另外,在凝固过程416焊 管2009年7月中Ti保护B不被氧化,可形成BN,同时有一定量的B向奥氏体晶界偏析,降低了奥氏体晶界能量,不利于先共析铁素体的形核。4.3 焊缝金属再次受热对组织的影响X80级焊接钢管的焊接方法是双面双丝埋弧焊,先内焊后外焊,因此内焊缝受到外焊缝焊接时的再次加热,内焊缝的一部分是外焊热影响区(HAZ),受到再次热循环的作用,部分或全部对内焊缝产生影响,其中最主要的是外焊HAZ的中间临界区(ICHAZ)和亚临界区(SCHAZ)。内焊缝和内焊HAZ被再次加热后,内焊缝组织经历二次相变,粗晶区(GCHAZ)和中间临界区(ICHAZ)出现晶粒粗化。在此区域内,部分组

16、织被重新相变成奥氏体,导致局部富碳奥氏体的形成,而且通过熔解周围的碳使其进一步富集,最后在冷却时形成高碳的孪晶马氏体,其尺寸约为5 m,体积分数达5%5二相区,形成临界热影响区(ICHAZ),冷却后M-A组元增加,并且晶粒粗化;同时,峰值温度在1300 左右,形成晶粒粗化热影响区(GCHAZ),由此在焊缝中形成粗大晶粒,造成韧性下降。文献6研究表明,对于X80级管线钢的双面焊和多道焊接中,热影响区也存在局部脆化问题。焊缝金属再次受热后焊缝中原有的第二相可大部分熔解,在冷却过程中,经 - 转变后,若再次发生沉淀,可能以大块的形式析出,例如AlN在晶界析出,Ti(C、N)在晶内析出,都有呈块状形式

17、或其他粗大的碳化物析出,从而促使脆化,降低韧性。如在上述冲击值低的试样断口SEM观察和能谱分析中,光滑面存在Al含量偏析,质量百分比为0.18%。4.4 焊接参数及焊接材料对焊缝韧性的影响由于X80级 1219mm 18.4mm螺旋埋弧焊钢管的壁厚较厚,在双面埋弧焊接过程中,受板边形状及成型焊接参数变化的影响,焊缝中很容易产生气孔夹杂等,微小的夹杂物就会引起冲击韧性的大幅下降。焊缝冲击功为80J的试样断口SEM照片见图11,其中含有约60 m大小的夹杂物,而另一块不含夹杂物的焊缝试样的冲击功为200J。这种脆性马氏体是韧性降低的主要原因之一。首次焊(内焊缝)和第二次焊(外焊缝)的热影响区组织分

18、布示意见图9。焊缝再次加热的热循环曲线及组织分布范围见图10,可以看出,对于X80级钢,AC1 750 ,AC3 900 ,再加热温度TP=800 时处于 +图11 焊缝冲击功为80J的试样断口SEM照片焊剂成分中碱性氧化物含量较小,焊剂碱度较低,使焊接熔池脱氧不充分,这是造成焊缝韧性低的另一个主要原因。如果焊材的纯净度不高,存在氧化物夹渣,焊缝中也会出现夹渣或组织偏析。某X80钢用焊丝拉断后的断口SEM照片见图12,分析表明,焊丝中残留Al是正常X80级钢用焊丝的3倍。焊丝中不均匀分布的残留Al,会在焊缝中造成Al第32卷第6期 于国鹏等:Paris公式疲劳常数测定的有限元法 17强度、高韧

19、性管线钢。(2)焊缝组织中晶界外若存在Al、S、iCa、S、P等化合物及成分偏析,会造成冲击过程中沿晶断裂,降低了焊缝韧性。(3)焊缝金属在结晶过程中形成的柱状晶如果过于粗大,会引起焊缝韧性降低;同时,首次焊缝在受到再次焊接加热影响后,焊缝的部分区域会产生晶粒粗化以及组织脆化,导致焊缝韧性降低。(4)采用T、iMo、N等能细化晶粒的微量元素的焊丝和较高碱度的焊剂可提高焊缝韧性。图12 焊丝断口上的块状夹杂物 500的不均匀分布,在再次受热后以AlN形式在晶界块状析出,造成脆性相。用X射线能谱仪对图12中的非金属类夹渣进行定性、定量分析,Al质量分数为64%。分析结果见图13和表3。(5)焊丝、焊剂中的大块氧化物夹渣会造成焊缝夹杂和成分偏析,降低焊缝韧性。参考文献:1潘家华.全球能源变换及管线钢的发展趋势J.焊管,2008,31(1):9-11.2毕宗岳.X80厚壁管线钢不同焊接速度下焊缝韧性研究J.热加工工艺,2009,(3):1-4.3尹士科.焊接材料实用基础知识M.北京:化学工业出版社,2004:65-69.4许祖泽.新型微合金钢的焊接M.北京:机械工业出版社,2004:181-184.5BATTEAD,BOOTHBYPJ,ROTHW