X80钢管线焊接接头组织性能研究

X80钢管线焊接接头组织性能研究

何南华,毕晓静 (中石化江汉油建工程有限公司,湖北潜江433123)(中石油长庆油田分公司第二采气厂,陕西榆林719000)

以一种海洋用X80管线钢为研究对象,采用焊接工艺试验、力学性能测试及显微分析技术研究了药芯自保护焊工艺下X80管线钢焊接接头的性能和热影响区的组织变化规律。实际应用表明,采用设计的药芯自保护电弧焊工艺参数对X80管线钢进行焊接,可以得到合格的焊接接头。

X80管线钢;药芯自保护焊;焊接接头;组织性能

世界范围内天然气需求的快速增长和全球性天然气市场的形成对高级管线钢的发展起到了重要的推进作用。一般认为,管线钢每提高一个级别,可使管道造价降低5%～15%。因此,X80级管线钢已成为我国陆地上长距离油气输送管道的首选材料[1-3]。但在海洋管道的建设中,目前使用的最高钢级仍为X70钢级,X80还未得到应用。为此,笔者采用药芯自保护焊的焊接方法,针对一种海洋用X80管线钢管的环焊缝焊接进行工艺试验,并对焊接接头进行力学性能试验和金相组织分析,旨在为海洋用X80级管线钢在现场的焊接应用奠定基础。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为X80管线钢,其化学成分和常规力学性能如表1和表2所示。

表1 X80钢的化学成分

表2 X80钢的常规力学性能

1.2 焊接工艺试验

根据以往的经验,设计了焊接工艺参数(见表3)。焊接坡口的尺寸及焊道分布如图1所示。并按照工艺参数进行了试件的焊接。

表3 药芯自保护焊焊接工艺参数

1.3 力学性能测试

根据API1104-2005标准的相关要求在焊接试件上截取力学性能测试试样。其中:强度测试试样3根,由∅18mm×150mm的毛坯样加工成标距为∅12.5mm×70mm的比例拉伸试样;夏比V型冲击韧性测试试样3组,分别在试件的母材部位、焊接热影响区部位和焊缝中心部位截取,每个部位截取3个试样,加工成10mm×10mm×55mm的标准的夏比V型试样,V型缺口沿试样的板厚方向加工。试验设备选用和试验温度均按照标准要求进行。图2为从试件上截取下的焊接接头维氏硬度测试点位置。

图1 焊接坡口尺寸和焊接道次

1.4 金相组织分析

在试件上截取金相组织分析试样,经过磨制、抛光、4%的硝酸酒精溶液腐蚀后,在扫描电子显微镜和透射电子显微镜下进行组织形貌观察。

2 试验结果及分析

图2 焊接接头维氏硬度测试点位置

2.1 维氏硬度

表4为测试得到的焊接接头上各点的维氏硬度值。从表4可以看出,采用药芯自保护方法焊接得到的X80焊接接头各区域的维氏硬度均低于API5L标准要求的上限值(280),合格。

2.2 冲击韧性和强度

从冲击韧性和强度的试验结果(见表5)可以看出,采用药芯自保护方法焊接得到的X80焊接接头的冲击韧性和强度均满足标准(280)的要求,合格。

表4_各测试点的维氏硬度值

表5 冲击韧性和强度的测试结果_____

2.3 金相组织

在力学性能满足要求的情况下,进一步对焊接接头各区域的金相组织进行分析。从焊接接头不同区域的扫描电子显微组织形貌(见图3)可以看出,在经历了不同的焊接热循环作用后,焊接接头各区域呈现出不同的组织结构特征。

试验钢母材(见图3(a))的显微组织为粒状贝氏体,工程上习惯称之为针状铁素体。针状铁素体在具有较高强度的同时,又具备了良好的冲击韧性,因而在管道工程上得到了广泛的应用。该优良的性能特点是由其微观组织结构决定的。从针状铁素体的TEM形貌(见图4)可以看出,在一个原奥氏体晶粒内可形成多个不同的取向、具有大角度晶界的板条束。由于针状铁素体尺寸参差不齐,彼此交错分布,使材料具有较小的有效晶粒尺寸,促使材料强度的提高[4]。通过研究还发现,在针状铁素体内还具有细小的亚结构和高密度的位错(见图5)。由于体心立方结构层错能高,位错不易分解而容易发生交滑移,因而亚晶内的位错具有良好的运动能力,使得材料的变形能力得到提高。正是由于针状铁素体的这种亚晶结构和内部较高密度的可动位错,从而使针状铁素体具有良好的强韧性[4]。

试验钢焊缝的显微组织(见图3(b))以细小的晶内针状铁素体为主,辅以一定量的粗大的先共析铁素体。晶内针状铁素体为具有一定长宽比的铁素体片相互交错,宛如筐篮的编织结构,是管线钢焊缝组织中经常可见的组织形态[3]。该晶内针状铁素体由于其细小和特殊的组织结构,因而具有较高的强度和一定的韧性[5]。

从图3(c)可以看出,在焊接热影响区的粗晶区,组织以粗大的粒状贝氏体为主,伴有少量贝氏体铁素体。原奥氏体晶粒的晶界清晰,粗大的板条贯穿奥氏体晶粒甚至穿过晶界,板条之间的缝隙为裂纹扩展提供了便利,因而该区的韧性损失最为严重。

当热循环峰值温度下降到950～1100℃温度范围时(见图3(d)),形成了细晶区。此时粒状贝氏体在加热和冷却过程中发生完全重结晶,晶粒得到了细化,且大小较为一致,因而韧性得到了恢复,通常可以接近母材的韧性水平。

图3 焊接接头不同区域的扫描电子显微形貌

图4 针状铁素体TEM形貌

图5 针状铁素体中的位错亚结构

随着热循环温度的进一步降低(＜950℃),母材中的粒状贝氏体发生部分重结晶,因此最终得到的组织中晶粒大小不一致;同时由于该温度处于(α+γ)的两相区温度范围,容易形成粗大的M-A组元[4-5]。在以上2种因素的共同作用下,导致该区域的冲击韧性较母材有较大幅度的下降(可达到20% ～30%),成为焊接热影响区中的一个谷底。

3 结论

1)采用药芯自保护焊方法,在设计的工艺条件下焊接X80管线钢,可以得到合格的焊接接头。

2)X80管线钢和X80焊接接头的显微组织为针状铁素体和晶内针状铁素体。针状铁素体的多位向形态,细小的晶粒尺寸、高密度的位错组态等组织特征,赋予X80管线钢和X80焊接接头高的强韧性。

[1]张斌,钱成文,王玉梅,等.国内外高钢级管线钢的发展与应用[J].石油工程建设,2012,38(1):1-4.

[2]李鹤林.天然气输送钢管研究与应用中的几个热点问题[J].中国机械工程,2001,12(3):349-352.

[3]高惠临.管线钢与管线钢管[M].北京:中国石化出版社,2012.

[4]张骁勇,高惠临,毕宗岳,等.焊接热循环对X80焊管焊缝组织与性能的影响[J].材料科学与工艺,2009,17(S2):159-163.

[5]张婷婷.高强度管线钢焊接热影响区组织与性能研究[D].北京:燕山大学,2009.

[编辑]辛长静

TG457.6

A

1673-1409(2014)19-0066-03

2014-03-27

何南华(1971-),男,高级工程师,现主要从事油田地面建设管理方面的研究工作。