深水钻井隔水管用X80钢的焊接性能特点及焊接方法

贺龙威1，衣东旭1，谢 伟1，；崔国庆1，李 伟1，赵鹏志2

（1.海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛，2665202.海洋石油工程（珠海）有限公司，广东珠海，214408）

0 引言

X80钢成分设计的思路是低碳微合金化，以低碳的Mn-Nb-Ti系或Mn-Nb-V（Ti）系为主，适量添加Ni、Mo、Cu等合金元素［1］（见表1），典型的碳含量为0.04%～0.08%，有些X80管线钢含碳量达到0.02%的超低碳水平，微合金化元素主要指Ti、Nb和V等强烈碳氮合化物形成元素。X80管线钢的典型组织为针状铁素体（如图1所示），针状铁素体在组织中成板条束形态，板条束由相互平行的板条组成，通过细晶强化、位错强化、相变强化和沉淀强化来提高强度和改善韧性［2］。

表1 X80钢化学成分（wt，%）

1 X80钢热影响区脆化

经历焊接热循环后，X80热影响区性能会恶化，特别是韧性显著降低，发生局部脆化。X80热影响粗晶区和多层多道焊的再热临界粗晶区都会发生局部脆化，韧性相对母材下降。粗晶区脆化的主要原因是在焊接热循环的作用下晶粒粗化、形成脆性组织和引起脆化的马氏体-奥氏体（M-A）组元；临界粗晶区脆化的主要原因是在二次热循环的作用下形成粗大、富碳的M-A组元和组织遗传。

图1 X80钢金相组织图

1.1 粗晶脆化

粗晶区因晶粒长大而引起脆化是很多不易淬火钢焊接时不可避免的问题，对控扎态的X80钢也是常发生的（如图2所示）。当材料加热超过一定温度，随着加热温度升高和保温时间延长，晶粒遵循一定的规律长大。根据金属学原理，晶粒长大是相互吞并、晶界迁移的过程。在焊接连续加热与冷却过程中，晶粒长大具有热惯性，即晶粒不仅在加热时长大，而且冷却时也长大，冷却阶段晶粒长大占全部晶粒长大的20%左右［3］。奥氏体晶粒大小随着高温停留时间tH和冷却时间t8／5变化而变化，随着二者的延长，晶粒尺寸显著增加。为了限制晶粒粗化，应严格控制tH和t8／5。调整线能量及预热温度都可改变t8／5，而为了控制tH，主要是调整线能量，预热温度影响很小。采用小线能量和适当的预热温度获得理想热循环，这样可以在一定程度上防止晶粒长大［4］。

晶粒长大严重恶化材料韧性，通常情况，晶粒越粗，则韧脆转变温度越高。根据N.J.petch的研究，材料脆性断裂应力随晶粒尺寸的增大而减小。

1.2 组织脆化

X80钢焊接粗晶区主要由板条束状贝氏体和粒状贝氏体组成［5］，二者都为奥氏体中温转变产物。板条束状贝氏体的韧性主要取决于板条束的大小，如果板条束粗大、平行，板条束界平直，甚至穿越整个原始奥氏体晶粒，促进裂纹的扩展，将使材料的韧性降低。

图2 粗晶区显微组织

1.3 M-A组元脆化

一般情况下，粒状贝氏体的韧性取决于贝氏体铁素体及“岛状”组织这两部分，这里的“岛状”组织可能是马氏体、M-A组元、碳化物或以上几种产物共存，在X80钢中常为M-A组元［6］。M-A组元存在于贝氏体组织的铁素体基体上或铁素体板条之间，M-A组元的形状、尺寸对粒状贝氏体的韧性有很大影响［7］。条状的M-A组元与其它形状相比更容易诱发裂纹［8］，韧性较差。当MA组元的平均弦长大于2μm时，就达到格里菲斯裂纹的临界尺寸［9］，会损坏材料的韧性。当M-A组元数量较少，以细小弥散分布于铁素体基体上，可以同时提高材料的韧性和强度。通常认为，当钢中具有粒状贝氏体时，韧性很差，是一种有害组织。

M-A组元一般是局部富碳奥氏体在中等冷却速度下形成的高碳马氏体与残余奥氏体的混合物，由铁素体包围着的岛状富碳奥氏体区低温时，一部分转变为马氏体，另一部分保持为残余奥氏体，即形成M-A组元。热影响区存在M-A组元时，脆性增加，其原因在于富碳残余奥氏体在焊接连续冷却条件下易形成孪晶马氏体，并在界面上产生微裂纹，沿M-A组元的边界扩展［10］。

M-A组元的形成主要受化学成分和冷却条件的影响，奥氏体的含碳量高，冷却速度较快时，奥氏体将转变成孪晶马氏体，冷却速度较慢时奥氏体会分解为铁素体和Fe3C，只有在中等冷速下易于形成M-A组元。材料的合金化程度也会影响M-A组元的形成，合金化程度较高时，奥氏体稳定性较大，因而不易形成M-A组元［11］。

研究表明，M-A组元的形状、数量、尺寸和分布是韧性的决定因素。随M-A组元体积分数的减少，间距的增加，韧性提高。条状M-A组元与其它形状相比更容易诱发裂纹和促进裂纹扩展，损坏材料韧性［12］。MA组元的平均弦长是引起脆化的重要因素，一般认为M-A组元尺寸大于2μm时，达到格里菲斯临界裂纹尺寸，使材料脆化。

1.4 组织遗传脆化

当二次热循环的峰值温度处于相变重结晶区时，一次粗晶区组织发生了重结晶，但其晶粒并未细化，表现为组织遗传。一次焊接热循环粗晶区的非平衡组织与母相保持一定的位向关系，当这些非平衡组织经受AC3至1 100℃温度区间的二次热循环时，新生奥氏体的形核和长大有一定取向，使新生的奥氏体继承了一次热循环的粗大组织，虽然发生了相变重结晶，但组织并未得到细化，可以看到清晰的奥氏体边界效应，这是组织遗传现象的表现。

2 X80钢热影响区软化

经过焊接热循环后，X80钢热影响区发生软化，最低硬度出现在临界热影响区和亚临界热影响区［13］。其原因是，在焊接热循环作用下，不仅晶粒粗化，而且在热影响区发生相变，再结晶，晶粒回复以及第二相质点溶解、粗化。X80级及以上级别的管线钢，HAZ的软化则比较明显，线能量越大，热影响区硬度就越低，软化现象就越严重［14］，特别是大线能量的多丝埋弧焊焊接纵向焊缝或螺旋焊缝时，应该引起重视。拉伸强度和软化区相对宽度H0／t0（H0为软化区宽度，t0为板厚）有很大关系，当H0／t0＜0.2时，尽管存在软化区，接头的拉伸强度都高于母材强度，如果H0／t0＞0.3时，接头的拉伸强度低于母材强度的95%。熔化极气体保护电弧自动焊的软化宽度小于焊条电弧焊的软化宽度。减小焊接线能量可以减小软化程度和宽度，但是随着Mn、Mo、Nb和Ni等沉淀强化元素含量的增加，使焊接热影响区有软化的倾向。

3 X80钢焊接工艺方法

随着管线钢强度级别的提高，焊缝金属与母材的匹配就变得困难，在焊接方法与设备选择方面也变得困难。对于X80钢焊接，常用的焊接方法有焊条电弧焊（SMAW）、熔化极气体保护焊（GMAW）、药芯焊丝半自动焊（FCAW）和埋弧焊（SAW），前三种焊接方法常用于现场环焊缝焊接，埋弧焊主要用于制管焊接，如直缝埋弧焊管和螺旋埋弧焊管。

SMAW灵活简便、适应性强，同时由于焊条工艺性能的不断改进，其熔敷效率、力学性能仍能满足当今工程建设的需要，在许多场合下是自动焊方法所不可替代的。现场焊接时，SMAW采用纤维素型焊条打底，抗风性能好，操作适应性强，能保证良好的根部焊透，焊接速度快、凝固快、脱渣性好。纤维素型焊条可与自保护药芯焊丝半自动焊工艺相匹配，也可用于自动焊工艺的根部焊接［15］。

GMAW在焊缝金属和母材强度匹配方面比SMAW更具优势，而且效率高，易与自动超声波监测系统配合［16］。采用脉冲GMAW工艺除了能获得较高的焊缝强度之外，还能减小飞溅和变形。

药芯焊丝与实芯焊丝相比具有熔敷速度快、焊接质量好、经济效益高以及对各种管材的适应性强等优点。因此，药芯焊丝半自动焊作为一种重要的管道现场焊接方法在X80钢管道环焊缝的现场焊接中也得到了广泛应用。

4 结论

详细分析了X80钢的焊接热影响区性能变化特点，X80钢焊接时热影响区会出现脆化和软化。热影响区脆化主要机理是粗晶脆化、组织脆化、M-A脆化和组织遗传引起的脆化。热影响区软化是由于在焊接热循环作用下，不仅晶粒粗化，而且在热影响区发生相变，再结晶，晶粒回复以及第二相质点溶解、粗化。针对X80钢焊接性特点和工艺特征，推荐焊接X80钢的常用工艺方法有焊条电弧焊（SMAW）、熔化极气体保护焊（GMAW）、药芯焊丝半自动焊（FCAW）和埋弧焊（SAW），前三种焊接方法常用于现场环焊缝焊接，埋弧焊主要用于制管焊接。

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