x80管线钢及其焊管接头的力学性能和组织研究

x80管线钢及其焊管接头的力学性能和组织研究

原油通过管道供应的特点是安全、可靠、经济和不断性，而其他运输方式的特点是没有法律限制。随着长距离、大管径、高压输送和极地、海洋油、气输送管线的建设和使用，对管线钢尤其是管线管的要求也越来越严格。为了确保输送管线建设的经济性、运行的安全性和可靠性，不仅要求管线钢本身具有优良的韧性，而且也要求管线管具有优良的韧性。由于焊接过程本身固有的特点，往往使得管线管焊接接头的韧性比管线钢的韧性更难控制，这成为输送管线的薄弱环节，最大限度地控制和提高接头的低温韧性是管道工作者需要迫切解决的问题之一。X80管线钢是经控轧及加速冷却的低碳微合金钢，是本世纪输气主管线的主导钢材，对X80管线钢及其接头的低温韧性和显微组织进行研究，不仅具有重大的工程意义，而且也为该钢种的进一步推广应用提供必要的数据。1试验材料和试验方法1.1化学成分及焊接顺序试验材料为国产X80高性能管线钢经双面螺旋埋弧焊制成的焊管，规格为ue788610mm×7.9mm，其化学成分及力学性能见表1。焊接顺序为先内焊，再外焊，外焊为双丝焊接，用H08MnMoTiB焊丝，焊剂为SJ101-G。焊接工艺参数见表2。1.2试验条件及试验设备X80管线钢及其埋弧焊管接头的示波冲击韧性试验，按GB/T229—1994标准和GB/T2650—1989标准，采用规格为55mm×10mm×5mm的V形缺口冲击试样，在JBC-300电子测力冲击试验机上进行。母材沿钢板横向取样，试样位于板厚中部（板厚方向两面加工），缺口沿板厚方向，见图1a。接头试样位于壁厚中部（沿壁厚方向两面加工，加工前压平焊缝）沿垂直焊缝方向取样。焊缝试样缺口沿壁厚方向，缺口在焊缝中心，如图1b。焊接热影响区试样缺口也沿壁厚方向，缺口位置分2种情况：一种缺口位置在内焊和外焊熔合线交点处，如图1c所示，称为热影响区1；另一种缺口位置在距离内焊和外焊熔合线交点1.5mm处，如图1d所示，称为热影响区2。试验采用酒精液氮冷却介质，水为加热介质。试验温度分别为40,20,0，-20，-40，-60及-80℃。试样在介质中保温约10min，试样从介质中取出至冲断时间为3～5s。每个试验温度均采用3件试样。按GB/T2654—1989，在HV-120型维氏硬度计上进行X80埋弧焊管接头的硬度测试，载荷为50N。光学金相分析在Axiovret-405M型显微镜上进行，透射电子显微分析在JEX-200CX型透射电镜上进行，断口分析在JSM-840型扫描电镜上进行。2试验结果与分析2.1热影响区与焊缝金属韧性差异X80管线钢母材、焊缝和热影响区系列温度示波冲击试验结果如图2和图3所示。由图2可以看出，X80管线钢及其埋弧焊管接头不同区域具有不同的韧性值，在各个试验温度下均具有焊缝金属韧性值最高，母材次之，焊接热影响区最低的特点。其中焊缝金属韧性值与母材的相当，而焊接热影响区与母材相比降低幅度较大，特别是-60℃及其以下温度，其韧性值降低幅度达71%～94%，属于焊接接头韧性低谷区。由图3可以看出，在各个试验温度下，一方面母材、焊缝和焊接热影响区均具有萌生功Ei小于裂纹扩展功Ep的特点；另一方面在每个试验温度下，热影响区Ep/Ei,Ep/Et均最小。Ep/Ei的大小反映了材料的韧脆断状态，Ep/Ei越大，表明材料韧性越好，材料韧性断裂的倾向越大；反之，则脆性较大且材料倾向于脆性断裂，并且Ep/Ei越小，材料的脆性倾向越大。裂纹扩展功Ep与在冲击断裂过程中消耗的总能量Et之比，也反映了材料的韧脆程度，Ep/Et越小，材料的脆性越大。这也进一步证明了焊接热影响区是接头韧性的危险区域。2.2fatt的确定FATT是评价管线钢及其接头低温韧性和确定管道使用温度的重要依据。一般确定韧脆转变温度可有以下4种准则，一是用Et/2所对应的温度Te作为FATT；二是用Ep/2所对应的温度Tp作为FATT；三是用经验统计所规定的管道最低必须冲击值27J所对应的温度T27作为FATT；四是用冲击试样纤维状断口的百分比为50%所对应的温度FATT50作为FATT，依据不同准则所确定的FATT见表2。可以看出，在试验条件下，焊缝金属的韧脆转变温度较低，母材与之相当，焊接热影响区最高，这与冲击吸收功和断口形貌相吻合，母材在-80℃的冲击断口形貌仍以韧窝为主。2.3硬度和发合剂对粗晶区硬度的影响螺旋埋弧焊管接头硬度分布曲线如图4所示。可以看出，在整个焊管接头中热影响区内粗晶区的硬度值最高，其最大值HVmax为272。远离粗晶区硬度降低，并逐渐接近母材金属的硬度，焊缝的硬度值与母材相当。2.4焊接热影响区组织X80管线钢及其接头的金相显微组织如图5所示。由图可以看出，X80管线钢及其接头处焊缝的显微组织以针状铁素体为主，如图5d。由于针状铁素体具有尺寸较小、交叉分布、大角度晶界、存在亚结构和高密度可动位错的组织结构特点，使得试验钢及其焊管接头焊缝具有较好的韧性。同时，埋弧焊管焊接过程中所采用的H08MnMoTiB高韧性焊丝和合理的焊接工艺参数使得焊缝组织得到细化，也是焊缝韧性较高的主要原因。接头热影响区粗晶区组织以粒状贝氏体为主，还有少量板条贝氏体+多边铁素体，有效晶粒尺寸有所增大，在板条间或铁素体的基体上存在M-A岛，并且随着焊接热输入的不断增加，板条铁素体的特征越来越不明显，M-A岛的尺寸、形态和分布也逐步发生变化：首先是其尺寸逐渐增大，形态由细短条状转变成长条状或大块状；其次是分布也由晶界向晶内延伸，而且数量也有所增加，如图5e,f所示。一般认为，这种贝氏体会促使粗晶区韧性降低，M-A岛状组织易成为裂纹源和裂纹扩展的通道，且组织越粗大，数量越多，对韧性的损害程度越大。3试验条件分析(1)X80管线钢的组织特征为针状铁素体+少量多边形铁素体，-80℃时的冲击断口仍以韧窝状为主，韧脆转变温度达-80℃以下。(2）在X80管线钢埋弧焊管焊接过程中由于采用了高韧性焊丝H08MnMoTiB和合理的焊接工艺参数，焊缝组织以细小的针状铁素体为主，具有较高韧性，且优于母材。(3）焊管热影响区中粗晶区因受高温引起的晶粒长大和易形成脆性组织而具有最低的韧性，与