X100焊管的组织性能*

2014-01-23包志刚毕宗岳刘海璋赵红波张万鹏

焊管 2014年7期

包志刚，毕宗岳，牛辉，刘海璋，赵红波，张万鹏，刘斌

（1.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西宝鸡 721008；2.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西宝鸡721008）

预计在未来10年内我国还将建设长输管线 10～20万km的油气管道[1]。油气输送管道必然向着高强度、大壁厚、大直径及大输量方向发展[2－3]，高强度管线钢管节省更多的钢材[4]。

早在1985年日本就开始研究X100管线钢[5]。我国对X100管线钢的研究虽然起步较晚，但发展较快。近年来，X100 钢材[6－8]和钢管[9－10]成为研究的热点。国内相关单位研究的X100管线钢的微观组织由针状铁素体、粒状贝氏体和M/A岛组成[11]。粒状贝氏体主要存在于铁素体边界；铁三碳存在于铁素体板条；组织以针状铁素体为主，也存在少量条状铁素体，同时位错密度很高[12]。

通过艰苦攻关和不懈努力，宝鸡石油钢管有限责任公司成功研制出了φ1 219 mm、壁厚15.3 mm的X100螺旋埋弧焊管，随后又进行了φ1 219 mm、壁厚14.8 mm的X100螺旋焊管和φ1 219 mm、壁厚 14.8 mm/17.8 mm的 X100直缝焊管的单炉试制。

表1 试验用钢的化学成分

1 试验材料及方法

试验材料采用低C+中/高Mn+Nb+Mo合金化设计[13]，取自国内3家不同的钢厂，编号分别为1#钢、2#钢和3#钢。材料的化学成分见表1。

拉伸试样取自距焊缝180°位置横向，拉伸试样标距内尺寸为8.9 mm，采用WES－1000液压万能试验机（100 t）进行拉伸试验。结果表明[14]，距焊缝90°位置冲击性能最差，因此冲击试样在距焊缝90°位置横向取样。冲击试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，试验温度为-10℃，冲击系列温度试验为20℃，0℃，-10℃，-20℃，-40℃和-60℃。冲击试验采用JB800型冲击试验机。采用奥林巴士PMG3金相显微镜对金相组织进行观察。

2 试验结果及分析

2.1 金相组织

3种钢母材的金相组织如图1所示，其组织均为粒状贝氏体（GB）+针状铁素体（AF），马氏体/奥氏体（M/A）组元为圆形细小且弥散分布。1#钢与3#钢组织较细小，3#钢组织最细；1#钢与3#钢中GB较多，AF较少，3#钢M/A岛含量也要多于1#钢；2#钢组织粗大，具有发达的AF。

图1 3种钢母材的金相组织

图2 3种钢焊缝的金相组织

3种钢焊缝的金相组织如图2所示，其组织均为针状铁素体（AF）+少量先共析铁素体（PF），1#钢中的针状铁素体更加细密；2#钢组织最大，针状铁素体晶粒之间呈大角晶界；3#钢组织中PF较多，组织较2#钢更细。3种钢HAZ的金相组织如图3所示，其组织均为粒状贝氏体（GB）组织，能清晰看到原奥氏体晶界。大部分的M/A细小岛弥散分布，少部分M/A岛呈岛链分布，2#钢的弥散分布M/A较多。

图3 3种钢HAZ的金相组织

2.2 力学性能

拉伸试验结果如图4所示。可以看出1#钢的屈服强度Rp0.2和拉伸强度Rm要低于2#钢和3#钢，但是焊缝抗拉强度Rm从高到低为1#钢、2#钢、3#钢。

图4 3种钢制管后的拉伸性能

图5 3种钢制管后的母材冲击功

冲击功系列温度试验结果的总体趋势为：随着试验温度的降低，冲击功下降。但是钢种和取样位置不同，冲击功随着试验温度变化的趋势不同。3种钢制管后母材的冲击功如图5所示。从图5可以看出，1#钢和2#钢的韧脆转变温度在-20℃左右，经过韧脆转变温度后，随着试验温度的降低冲击功下降缓慢，当试验温度为-60℃时，仍有很高的冲击功，平均值分别为223 J和207 J；试验温度高于-20℃时，2#钢的冲击功平均值要高于1#钢；验温度为-40℃时，虽然2#钢的冲击功要高于1#钢，但是其数值离散；验温度为-60℃时，2#钢的冲击功平均值要低于1#钢，且数值离散。3#钢的韧脆转变温度在0℃左右，经过韧脆转变温度后，随着试验温度的降低冲击功急剧下降，试验温度为-60℃时冲击功的平均值只有42 J。

3种钢制管后焊缝的冲击功如图6所示。从图6可以看出，各种钢变化曲势基本相同，韧脆转变温度都在-20℃左右，冲击功值接近。3种钢的冲击功值从高到低顺序为2#钢、3#钢、1#钢。

图6 3种钢制管后的焊缝冲击功

3种钢制管后HAZ的冲击功如图7所示。可以看出，当试验温度高于-20℃时，3种钢的冲击功值基本接近，2#钢韧脆转变温度在-20℃左右；1#钢和3#钢的韧脆转变温度在-40℃左右。1#钢随着试验温度下降冲击功下降缓慢；3#钢经过韧脆转变曲线后冲击功随着试验温度的下降急剧下降。

图7 3种钢制管后的HAZ冲击功

3 分析讨论

母材组织均为GB+AF，M/A岛为圆形细小且弥散分布。1#钢与3#钢组织细小，3#钢组织最细；1#钢与3#钢中GB较多，AF较少且多处于形核阶段，3#钢M/A岛含量要多于1#钢。2#钢组织粗大，具有发达的AF。发达的AF组织中，其位错强化起决定性作用，AF组织中的大角晶界和亚境界可以阻碍裂纹扩展；弥撒细小的M/A岛，作为材料中的脆硬相的同时也阻碍裂纹的扩展。因此AF组织和弥撒细小的M/A岛都可使材料在保证高强度的同时获得很好的冲击韧性。1#钢中的Ni含量较高有利于位错的交滑移，提高钢的低温冲击韧性[15]；2#钢有更多AF，同样在低温冲击试验中表现很好焊缝组织都为AF+PF。1#钢较细的组织较细为和较多细小弥散的M/A岛，因此有着较高的强度。2#组织较粗，但含有大角晶界使得其拥有与1#和3#钢焊缝组织相近的冲击韧性。3种钢的焊接热影响区的组织都为贝氏体组织。贝氏体铁素体呈板条状，在板条间分布着有棒状M/A岛组元[16]。GB的原奥氏体晶粒度和M/A岛的比例、大小、形状、分布决定性能。2#钢含有较多细小弥散的M/A岛组织，原奥氏体晶粒较大，强度上没有突出的表现，冲击韧性稍好，而较多的M/A岛使得韧脆转弯温度上升。1#钢和3#钢组织基本相近，其性能相近，仅在试验温度为-60℃条件下，3#钢的冲击吸收功迅速下降，同样可以用Ni含量较低解释。