X100高强度管线钢管组织性能及焊接性能研究_图文

1、试验与研究摘要:通过万能材料试验机及光学金相、SEM (扫描电子显微镜、TEM (透射电子显微镜等手段,研究了X100管线钢管的力学性能及组织构成。分析表明,钢管管体主要为粒状贝氏体及少量多边形铁素体混合组织,具有良好的强度和韧性;X100管线钢的热敏感性较大,在焊接热循环作用下过热区的组织更容易长大,造成热影响区发生软化和脆化,成为X100管线钢管的薄弱环节。同时研究了X100管线钢焊接接头采用低匹配的可能性。关键词:X100管线钢管;粒状贝氏体;强度;韧性中图分类号:TG142.12文献标志码:A 文章编号:1001-3938(201110-0016-04X100高强度管线钢管组织性能及焊

2、接性能研究张伟卫,李洋,李鹤,熊庆人,吉玲康(中国石油集团石油管工程技术研究院,西安710065Abstract:Mechanical property and structure of X100line pipe were studied with universal material testing machine ,OEM ,SEM and TEM.The results showed that the structure of X100line pipe body metal is formed by granular bainite and a little polygonal fe

3、rrite ,which possess good strength and toughness.But the thermal sensitivity of X100pipeline steel is high ,the structure of overheated zone is easier to grow big under welding thermal cycle ,which lead to softening and embrittlement in HAZ ,so it is a weak point for X100line pipe.Meanwhile ,the pos

4、sibility of adopting low match for X100pipeline steel welded joints was investigated.Key words:X100line pipe ;granular bainite ;strength ;toughnessStructure and Welding Performance Study onX100Line Pipe with High StrengthZHANG Wei -wei ,LI Yang ,LI He ,XIONG Qing -ren ,JI Ling -kang(CNPC Tubular Goo

5、ds Research Institute ,Xi an 710065,China 0前言近年来,能源结构的变化以及对能源需求的增长,极大地促进了长距离输送管线的发展。为提高输送效率,降低工程投资,长距离油气输送管线用钢向高钢级发展已成趋势。为满足未来长距离油气输送管线建设的发展需要,超高强度等级的X100和X120管线钢已在发展研制中12。国内外已经有许多关于X100管线钢试制成功的报道34,对X100管线钢的工程应用做了大量技术储备工作。本研究主要通过理化分析等试验手段研究了X100管线钢管的力学性能,并对高匹配和低匹配焊接对韧性的影响进行了分析,期望对X100钢管的生产研究及工业应用有借

6、鉴作用。1试验材料及方法1.1试验材料试验用X100管线钢管规格为准1016mm ×16.0mm ×12000mm 的直缝埋弧焊管。该管线钢设计采用了低C 、低Mo 、高Cr 的冶金设计,在保证材料性能的同时有效降低了经济成本。其主要化学成分见表1。焊管·第34卷第10期·2011年10月16··1.2力学性能及金相分析试验分别在距离焊缝180°管体和焊接接头上取管体横向圆棒试样和焊接接头矩形试样,按ASTMA3702009标准规定在MTS810-15和MTS810万能材料试验机上进行拉伸试验。圆棒拉伸试样标距内直径为8.9

7、mm ,标距长为35.6mm ;矩形试样为标距内长50mm 、宽38.1mm 的全壁厚试样。分别在距离焊缝90°管体横向、焊缝及HAZ 取10mm ×10mm ×55mm 的夏比冲击试样,在0下按ASTM A3702009标准规定在JBN -500冲击试验机上测量夏比冲击功。在焊缝上取全壁厚横截面试样,进行10kg 载荷维氏硬度试验,试验机型号为HSV -20。光学金相试样经粗磨、细磨、抛光,用2%的硝酸酒精溶液浸蚀后,用MEF4M 金相显微镜观察金相组织。SEM 试验在VEGA 型扫描电子显微镜上进行。TEM 试验从300m 的试样上机械减薄至50m ,然后在双

8、喷电解装置上以10%高氯酸+90%醋酸溶液进行双喷,在JEM 200CX 透射电子显微镜上观察。2试验结果分析2.1力学性能及金相组织分析表2、表3、图1和表4分别给出了试验用X100管线钢管的拉伸性能、冲击韧性及硬度试验结果。对比发现,1#钢管焊接接头抗拉强度比距焊缝180°横向管体母材低39MPa ;2#钢管焊接接头抗拉强度比距焊缝180°横向管体母材高35MPa 。两根钢管的焊缝和热影响区冲击功值均明显低于管体,但2#钢管的焊缝及热影响区韧性较差;焊接接头内、外焊道的热影响区硬度均明显低于管体母材及焊缝金属的硬度。表1试验用X100管线钢管的主要化学成分%w (C w

9、 (Si w (Mn w (P w (S w (Cr w (Mo w (Ni+Cu w (B w (V+Nb+Ti CE (Pcm CE (IIW 0.0590.231.96<0.01<0.0010.530.01<0.8<0.0040.0430.220.55表2试验用X100管线钢管的拉伸性能试验管号试样位置及方向试样类型抗拉强度R m /MPa 屈服强度/MPaR p0.2R t 0.5距焊缝180°横向圆棒877839831焊接接头矩形8382#距焊缝180°横向圆棒840745730焊接接头矩形 8751#表3试验用X100管线钢管的冲击韧性试

10、验管号试样位置及方向冲击功/J断口剪切面积/%1#90°管体横向25298焊缝179100热影响区176792#90°管体横向310100焊缝9768热影响区13594第34卷第10期张伟卫等:X100高强度管线钢管组织性能及焊接性能研究17··管号测试点冲击功/J12345678910111213141#289287 2892902862852932942912#270255263289291258261274262256298270254265表4管体维氏硬度试验结果(HV 10试验用X100管线钢管的光学显微组织如图2所示。两种X100钢管管体主要

11、为粒状贝氏体及少量多边形铁素体混合组织,且壁厚中心位置多边形铁素体组织含量略有增加,通过扫描电子显微镜观察(见图3可以看出,壁厚中心区组织比表面组织粗大,这主要与钢板生产过程中控制冷焊管2011年10月18··却工艺有关。受轧制力学的影响,终轧后钢板表面奥氏体组织较壁厚中心处更加细小,晶界增多,奥氏体内位错密度增加,提供了更多相变形核位置,提高了相变形核率,加速冷却时粒状贝氏体板条束有效晶粒得到细化。这种粒状贝氏体组织由取向相近的贝氏体铁素体板条组成,板条内部存在互相缠绕的位错,位错线常被细小析出所钉扎,具有一定的稳定性,使材料强韧性能得到同步提高,如图4所示。焊缝组织以细

12、小的晶内成核针状铁素体和粒状贝氏体为主,含有少量的多边形铁素体和珠光体。熔合区组织以粒状贝氏体为主,贝氏体的板条状倾向增加,但组织明显粗大,细晶区组织为较粗大的多边形铁素体和少量珠光体组织,说明X100的热敏感性较大,在焊接热循环作用下过热区的组织更容易长大,造成热影响区发生软化和脆化。优化高钢级管线钢焊接工艺参数,严格控制t 8/5在合理的范围,可以避免粗晶区的晶粒严重粗化,从而可以提高熔合线附近粗晶区的强度及断裂韧性5。2.2分析与讨论由以上试验结果可以看出,1#钢管采用低匹配焊接接头,焊接热影响区硬度较低,存在一定程度的软化现象。虽然焊缝和HAZ 的冲击韧性较母材有所下降,但仍具有较高的

13、夏比冲击功值。2#钢管采用高匹配焊接接头,焊缝和HAZ 的冲击韧性较母材严重下降。研究表明,低匹配焊接接头焊缝的断裂韧度要求值比等匹配以及高匹配焊接接头高,即高匹配焊接接头允许的临界缺陷尺寸更大一些。从这一点分析,在管线设计中,如果排除焊缝强度提高带来的氢脆冷裂纹、氢致开裂、应力腐蚀开裂敏感性增加以及焊接工艺制定、现场焊接施工难度增加等的负面影响6,采用高强匹配可以提高管道的极限承载能力,但对于管道的断裂韧性要求应降低。对于高强度X100管线钢管,在管体强度很高的情况下,要保证高匹配焊接接头非常困难。不仅需要开发更高强度的焊接材料,而且由于管体与焊缝强度过高而导致焊接性下降,以及管线敷设现场施

14、工效率下降,同时高强度的焊缝也使其氢致开裂及应力腐蚀开裂敏感性增加6,其韧性也将受到一定程度的损伤。对于X100管线,应研究采用低匹配焊接接头的可行性。国外已经成功地在X100输气管道上采用了低匹配设计方法,虽然对于管道尤其是焊缝韧性要求有所提高,但是由于减少了管道现场施工的难度,焊缝开裂倾向也有所降低,而且目前的管线钢管韧性大幅度提高,可以满足高钢级管道低匹配设计的性能要求。3结论(1钢管管体主要为粒状贝氏体及少量多边形铁素体混合组织。粒状贝氏体组织由取向相近的贝氏体铁素体板条组成,板条内部存在互相缠绕的位错,位错线常被细小析出所钉扎,具有一定的稳定性,使材料强韧性能得到同步提高。(2X10

15、0管线钢的热敏感性较大,在焊接热循环作用下过热区的组织更容易长大,造成热影响区发生软化和脆化。(3热影响区软化、焊趾处应力集中及部分熔合区的大尺寸夹杂物,导致裂纹首先在焊趾处萌生扩展,焊缝成为X100管线钢管的薄弱环节。(4优化高钢级管线钢焊接工艺参数,严格控制t 8/5在合理的范围,可以避免粗晶区的晶粒严重粗化,从而可以提高熔合线附近粗晶区的强度及断裂韧性。(5低匹配焊接接头焊缝的断裂韧度要求值比等匹配以及高匹配焊接接头的高,但是由于降低了焊接接头强度,减少了管道现场施工的难度,焊缝开裂倾向也有所降低,同时可以满足高钢级管线安全运营的要求,因此应研究采用低匹配焊接接头的可行性。(下转第43页

16、第34卷第10期张伟卫等:X100 高强度管线钢管组织性能及焊接性能研究19··5结论在高频焊管调型与焊接中,通过对接触和加热模式与对接面合缝状态关系的分析,采用调整焊接挤压辊上辊间隙和压下量的方法,能准确及时地保证钢管的板边焊接达到良好的焊接状态。(1当合缝呈I 形时,说明此时对接面在焊接过程中处于基本平行状态,不需要进行挤压辊压下调整;(2当合缝呈V 形时,说明此时对接面在焊接过程中,下部表面先接触,可以通过加大挤压辊上辊压下量达到I 形状态;(3当合缝呈倒V 形时,说明此时对接面在焊接过程中,上部表面先接触,可以通过减小挤压辊压下量达到I 形状态。参考文献1丁峰,吴东

17、晓.ERW 焊管成型变形研究及有限元分析J .焊管,2007(2:23-26.2孙佳.焊管多半径孔型设计J .焊管,2009(3:42-44.3曹国富.小直径厚壁高频焊管成型孔型改进J .焊管,2010(10:70-73.作者简介:朱斌燕(1982,男,河北省沧州市人,2004年毕业于河北工业大学,助理工程师,主要从事HFW 焊管成型与焊接工艺研究。收稿日期:2010-12-04编辑:罗刚参考文献:1潘家华.全球能源变换及管线钢的发展趋势J .焊管,2008,31(1:9-11.2GLOVER A.Application of Grade 550(X80and Grade690(X100in Arctic Climates C Proceedings of Pipe Dreamers Conference ,Yokohama :s.n.,2002:33-52.3HILLENBRAND H G ,BIERMANN K ,SCHWINN V.De -velopment and Production of Linepipe Steels in Grade X100and X120C Technical Conference ,Beijng :s.n.,2005:1