X90管线钢焊接热影响区热模拟试验研究

马爱清，刘宇，张建华，刘宇

1.中国石油天然气管道科学研究院，河北廊坊065000

2.中油管道建设工程有限公司，河北廊坊065000

3.中国石油天然气管道局第四工程分公司，河北廊坊065000

X90管线钢焊接热影响区热模拟试验研究

马爱清1，刘宇1，张建华2，刘宇3

1.中国石油天然气管道科学研究院，河北廊坊065000

2.中油管道建设工程有限公司，河北廊坊065000

3.中国石油天然气管道局第四工程分公司，河北廊坊065000

文章介绍了采用Gleeble 1500热模拟试验机研究X90管线钢连续冷却过程中的相变规律，采用金相法与热膨胀法相结合的方法进行研究测量并绘制出CCT曲线。试验结果表明，随着冷却速度的增加，X90管线钢的硬度逐渐增加，当冷却速度达到40℃/s时，金相组织中出现马氏体，硬度增加迅速。不同的冷却速度会得到不同的金相组织，当冷却速度小于2℃/s时，有铁素体生成；当冷却速度处于0.1～5℃/s之间时，会有少量的珠光体产生；当冷却速度处于0.5～40℃/s之间时，形成了贝氏体；当冷却速度大于40℃/s时，产生了马氏体。

X90管线钢；CCT曲线；金相组织；硬度；测定

0 引言

随着石油行业的不断发展和石油需求量的不断增长，对石油管道的输送能力也提出了更高的要求。管道建设要求管道焊接接头具有良好的强度与韧性，接头的焊接质量决定了管道的服役时间，因此需要研究焊接接头的薄弱环节，以提高接头焊接质量。通过对焊接接头热影响区进行热模拟试验，研究了焊接过程中热影响区在不同冷却速度下的金相组织，并绘制出CCT曲线。根据绘制的曲线，可控制焊接过程中的热输入量以得到实际需要的金相组织。

1 试验过程

本次试验用试件为X90管线钢制成的φ 6 mm× 120 mm的圆棒，其主要化学成分见表1。在Gleeble 1500热模拟试验机上进行热模拟试验。先以100℃/s的速度将试件加热到1 350℃，保温1 s，然后分别以0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、20、40、60℃/s的速度冷却至室温。对热模拟处理后的试件进行取样、镶嵌、磨抛处理后，在4%HNO3酒精溶液中进行处理，而后观察金相组织，测试试件表面硬度，最后结合热模拟工艺绘制CCT曲线。

表1 X90管线钢主要化学成分/%

2 试验数据与分析

2.1 CCT曲线的绘制与金相组织特征

将热模拟试验得到的数据处理后，绘制成CCT曲线，见图1。金相组织特征见图2～11。

图1 X90管线钢CCT曲线

图2 冷却速度0.1℃/s的金相组织

图3 冷却速度0.2℃/s的金相组织

图4 冷却速度0.5℃/s的金相组织

图5 冷却速度1℃/s的金相组织

图6 冷却速度2℃/s的金相组织

图7 冷却速度5℃/s的金相组织

图8 冷却速度10℃/s的金相组织

图9 冷却速度20℃/s的金相组织

图10 冷却速度40℃/s的金相组织

图11 冷却速度60℃/s的金相组织

结合CCT曲线与金相照片可以观察出：

（1）当冷却速度为0.1～2℃/s时，金相组织中有块状铁素体存在，但随着冷却速度的增加，块状铁素体逐渐减少。其原因是试件钢材为低碳微合金钢，在冷却速度比较慢的情况下，有利于铁素体的扩散性转变。

（2）当冷却速度为0.1～0.5℃/s时，金相组织中有针状铁素体存在。

（3）当冷却速度为0.1～5℃/s时，金相组织中会产生少量的珠光体，由于试件钢材为亚共析钢，碳含量低，因此首先生成的铁素体会成为共析成分，进而产生珠光体。

（4）当冷却速度为0.5～10℃/s时，生成了粒状贝氏体，随着冷却速度的增加粒状贝氏体减少。

（5）当冷却速度达到5～40℃/s时，生成了板条贝氏体。

（6）当冷却速度达到20～60℃/s时，相变产生了马氏体。

2.2 表面硬度测试结果

从图12中可以看出，当冷却速度为0.1～20℃/s时，硬度随着冷却速度的增加而增加；当冷却速度达到40℃/s时，硬度的增加量突然迅速增大，这是因为生成了马氏体，增加了硬度；而后硬度又平缓增加，这说明马氏体的生成量在增加，因为没有其他比马氏体更硬的金相组织。

从图13中看出，母材硬度为225～240 HV10，焊缝硬度为255 HV10。为遵循“高强匹配”原则以保证焊接接头的强度，母材硬度应该至少为225 HV10，此时对应的冷却速度在10℃/s以上；结合CCT曲线，可看到当冷却速度达到20℃/s时出现板条贝氏体，板条贝氏体的综合力学性能比较好。所以为了既保证足够的强度又保证韧性，在焊接过程中应控制冷却速度在10～20℃/s范围内。

图13 X90管线钢焊接接头硬度分布

3 结论

（1）当冷却速度小于2℃/s时，X90管线钢焊接热影响区金相组织中将有铁素体存在；当冷却速度达到0.1～5℃/s时，金相组织中将产生少量的珠光体；当冷却速度为0.5～40℃/s时，金相组织中将形成贝氏体；当冷却速度大于40℃/s，金相组织中将形成马氏体。

（2）为了得到良好的X90管线钢焊接热影响区金相组织与性能，根据绘制的CCT曲线，推荐在焊接过程中将冷却速度控制在10～20℃/s范围内。

（3）X90管线钢焊接热影响区表面硬度随着冷却速度的提高而增加，其硬度值约处于170～311 HV10之间。

[1]付瑞东，逯允海，杨永强，等.2.25Cr-1Mo-0.25V耐热钢焊接热影响区热模拟试验研究[J].材料热处理学报，2007，28（1）：66-74.

[2]冯红超，苟亚娟，张耀斌，等.HQ785钢CCT曲线测定及显微组织研究[J].热处理技术与装备，2010，31（4）：40-42.

[3]左碧强，王岩，米振莉，等.管线钢X80的CCT曲线研究[J].材料热处理技术，2010，39（4）：12-14.

ThermalSimulation Test Research on Heat Affect Zone ofPipeline SteelX90

Ma Aiqing1，Liu Yu1，Zhang Jianhua2，Liu Yu3
1.China Petroleum Pipeline Scientific Research Institute，Langfang 065000，China
2.China Petroleum Pipeline Construction Engineering Co.，Ltd.，Langfang 065000，China
3.No.4 Engineering Company of China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang 065000，China

The phase transformation rule of pipeline steel X90 in continuous cooling course is researched by the thermal simulation testing machine Gleeble 1500.The CCT curves are derived by combining the metallographic method with the thermalexpansion method.The experimentalresults show that with the increase of cooling rate，the hardness of pipeline steel X90 increases gradually；when the cooling rate reaches 40℃/s，martensite is generated and the hardness increases rapidly.Different cooling rates will get different metallographic organizations；when the cooling rate is less than 2℃/s，ferrite is generated；when the cooling rate is between 0.1℃/s and 5℃/s，a small amount of pearlite is generated；when the cooling rate is between 0.5℃/s and 40℃/s，bainite is generated；when the cooling rate is more than 40℃/s，martensite is generated.

pipeline steelX90；CCTcurve；metallographic organization；hardness；measurement

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.008

马爱清（1988-），女，辽宁大石桥人，2012年毕业于辽宁石油化工大学金属材料专业，现从事石油天然气管道科研工作。

2014-02-24