X90和X100管线钢管HAZ夏比冲击韧性研究

刘振伟，田 鹏，王志太，孙 宏，李 涛，汪海燕，宗秋丽

（渤海装备华油钢管公司，河北 青县062650）

0 前 言

随着石油、天然气工业的发展，对管线钢的需求不断增加，采用高钢级、中等直径和厚壁的管线钢管，可以在降低施工成本与压缩造价的同时降低材料成本。国内X90和X100钢级管线钢管的研究与应用是我国管线钢管的发展趋势。国内钢厂为了提高高钢级管线钢的强度，普遍加入了相对较高的合金含量，但碳当量随之提高，降低了高钢级管线钢的焊接性能。对于高强度管线钢而言，强度并不是主要问题，粗晶区的脆化才是人们关注的焦点。近年来，许多人对低合金高强钢的焊接接头性能进行了大量的研究，对于焊接热影响区来说，有两个局部脆化区域，即单道焊的粗晶区和多道焊的临界粗晶区。相对于母材而言，粗晶区的韧性损失约为20%～30%，临界粗晶区的韧性损失甚至可达60%。本研究对X90和X100管线钢焊缝热影响区夏比冲击韧性进行了分析，从而为高钢级管线钢的生产和应用提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试样的化学成分见表1。试验采用X90和X100螺旋埋弧焊管，分别对应编号为A，B两种钢管。

表1 X90和X100管线钢化学成分%

1.2 试验方法

分别从A和B两种焊管中截取焊缝金相试样，经铣床、磨床磨平后，分别用砂纸和抛光机抛光，后将金相试样在3%硝酸酒精溶液中腐蚀3～5 s，酸蚀后的形貌如图1所示。

图1 试样酸蚀后的焊缝形貌

2 试验结果与分析

2.1 冲击性能

X90和X100螺旋埋弧焊管-10℃的夏比冲击性能见表2。

表2 X90和X100管线钢管-10℃夏比冲击性能

从表2可以看出，A钢管HAZ冲击功出现1个低值79 J；B钢管HAZ冲击功出现2个低值83 J和75 J。一般而言，引起HAZ韧性降低的因素有3种：粗晶脆化、组织脆化和粗晶热影响区两相区脆化，因此，有必要对焊缝及热影响区组织进行金相观察分析。

2.2 金相组织分析

选取X80螺旋埋弧焊管并编号为C，与X90和X100螺旋埋弧焊管作对比。利用奥林巴斯显微镜对3种焊管焊缝金相试样进行观察分析，其内焊热影响区组织如图2所示。

图2 3种钢管内焊热影响区组织

由图2可以看出，C钢管内焊缝热影响区组织以粒状贝氏体为主，有少量的贝氏体铁素体零星掺杂其中，无板条马氏体出现，属于正常的热影响区组织。A和B钢管内焊缝热影响区组织表现异常，有大量的板条马氏体组织出现，板条密排整齐并占据主导地位，只有少量的粒状贝氏体和贝氏体铁素体出现；外焊热影响区均以粒状贝氏体和贝氏体铁素体为主的组织结构，无板条马氏体出现，在同样的焊接条件下，两者唯一的区别是焊接规范和焊接工艺。在螺旋埋弧焊管焊接时，首先进行的工序是内焊，外焊工序是在内焊完成后进行的，内焊完成后仍然带有相对较高的余热，对后续的外焊起到了预热作用。在内、外焊焊接热输入量相同的条件下，外焊冷却速度较低，内焊冷却速度相对较快，这是内焊形成板条马氏体的外部因素；从内因看，与X80管线钢相比，X90和X100母材中加入了相对较高的Cr，Mo，Mn和Ni等合金元素，这些合金元素的加入提高了母材和热影响区的淬透性。

利用马氏体转变公式计算出X90和X100管线钢的马氏体转变温度分别为440℃和431℃，在该温度下板条马氏体转变倾向比较大，即该合金成分下的母材具有较高的淬透性。

从图2可以看出，BF和LM组织较为细密，不同位相的板条勾画出原始奥氏体晶界，在低的焊接热输入下，快速冷却造成的晶格畸变和内应力均对韧性造成影响。当冲击试样的刻槽位置大部分在内焊对应的热影响区的区域时，冲击韧性也表现出较低值。

2.3 硬度分析

采用载荷为HV-10 kg的硬度仪打点，对X90和X100管线钢管试样进行硬度测试，如图3所示。打点位置为靠近管体内外表面1 mm处，分别打33个点，点间距为1 mm，打点顺序为母材、热影响区、焊缝、热影响区、母材。由于沿途经过HAZ较小，不能准确反映HAZ的硬度值，则本试验在HAZ多打5个点，最后以这5个点的平均值作为HAZ的硬度值。图4硬度分布为图3中对应位置每相邻两点的平均值。可以看出，X90内焊对应热影响区平均硬度为272HV10，X100内焊对应热影响区平均硬度为298HV10，X80内焊对应热影响区平均硬度为250HV10。X90和X100钢管HAZ出现硬化现象，这与金相组织中观察到的板条马氏体有关。

图3 试样硬度打点位置示意图

图4 3种钢管内焊硬度分布情况

2.4 后续回火处理

鉴于热影响区冲击值相对较低的情况，对热影响区进行热处理，从而研究出一套既能提高热影响区冲击韧性，又能满足生产的合理生产工艺。对热影响区冲击功较低的钢管取样并进行两种回火工艺，具体是：①在鼓风式干燥箱300℃回火保温20 min；②200℃回火保温20 min。表3为试验钢管300℃回火前后性能对比。

表3 试验钢管300℃回火前后的性能对比

从表3可见，HAZ冲击功回火后均有不同程度的提高，A钢管HAZ平均冲击功提高35 J，B钢管HAZ平均冲击功提高83 J，且均无低值出现。200℃回火前后钢管性能对比见表4。

表4 试验钢管200℃回火前后性能对比

从表4可以看出，200℃回火热处理后A钢管HAZ平均冲击功提高了111 J；B钢管HAZ平均冲击功提高了60 J，基本消除了单值过低的现象。

图5中对比了不同温度回火前后钢管冲击韧性的变化情况。对于A钢管而言，热处理后焊缝冲击功有所降低，HAZ冲击功有所提高；对于B钢管而言，热处理后焊缝和HAZ韧性均有不同程度的提升，其中HAZ冲击功提升更为明显，这说明更高钢级管线钢焊接接头部位受热处理影响较为显著，为了提高高钢级焊管焊接接头的冲击韧性，有必要进行焊后热处理。

图5 不同温度回火前后的冲击性能对比

由以上分析可知，实际生产中可以在外焊工艺完成后增加热处理工序，对焊缝进行300℃左右热处理，消除组织内应力，从根本上解决因板条马氏体组织引起的冲击韧性较低的问题。从另一个角度来讲，也同时解决了焊接接头的拘束应力集中问题，从而改善焊接接头的冲击韧性。

3 结 论

硬脆的板条马氏体相的出现严重降低了热影响区冲击韧性，原因可以概括为2种：

（1）较高的合金含量提高了HAZ母材的淬透性，给马氏体的形成创造了内在条件；

（2）内焊相对较低的焊接热输入量，较低的焊接电流和较高的焊接速度将导致热输入量处于较低的水平，从而导致热影响区t8/5之后温度梯度较大，冷速较快，为马氏体的形成创造了外部条件，通过热处理能有效地降低甚至消除淬硬组织对热影响区冲击韧性的影响。

4 建 议

（1）针对高钢级管线钢的焊接，由于合金含量普遍偏高，需改变现有的焊接工艺，如焊后追加一套针对焊缝的回火处理工序，能有效解决高钢级管线钢焊接热影响区脆化问题。

（2）降低管线钢的合金含量，从而降低因碳当量过高引起的热影响区淬硬倾向。

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