X80级φ1 219 mm×18.4 mm 螺旋缝埋弧焊管焊缝组织与性能

张 磊，符利兵，田 磊，宋红兵

（1.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101；2.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；3.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡721008）

近些年，我国油气输送管道事业正处在大规模建设阶段，对管道焊接质量及焊缝塑韧性的可靠性要求较高，尤其在高寒地带、地震频发地区，对输送管道的低温韧性和韧脆转变特性提出了更高要求[1-2]。管线钢和焊缝的韧脆转变温度严重影响管道的低温韧性，是衡量材料韧脆性转变倾向的重要指标，直接决定材料的使用条件和应用范围[3-4]，因此，在管道的服役中，势必要对其韧脆转变温度进行深入研究。

高强韧性是管道材料的最基本和最重要的要求，在提高强度的同时，必须保证钢材的韧性高于最低止裂韧性，为防止输气管线爆裂，要求钢管始终处于韧性状态工作，即钢材韧脆转变温度应低于钢管的工作温度[5]。在工程生产、结构设计及安全评定方面，冲击韧性和断裂韧度是管线材料韧性衡量指标。国内外关于管线钢冲击韧性的研究主要集中在微观组织对韧性的影响方面，关于高钢级管线钢冲击韧性及韧脆转变温度影响因素的报道甚少，本研究探讨了一种X80管线钢在不同温度下的冲击韧性及焊缝显微硬度分布特征，确定了该钢的韧脆转变温度和显微硬度变化特征，为X80级φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管批量化生产提供理论参考。

1 试验材料和方法

试验用X80级φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管的化学成分见表1。在钢管焊缝处取样，系列冲击试验按GB/T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，采用10mm×10mm×55 mm 夏比V形缺口冲击试样，V形缺口夹角45°，在NAI500F摆锤式冲击试验机上进行。低温控温介质采用无水乙醇和液氮混合物，试样在规定温度溶液中保温时间≥5 min，保证试样表面与内部温度一致，用低温热电偶测量温度，系列试验温度为-60℃，-40℃，-20℃，-10℃，0℃和20℃。用司特尔Durascan-70型显微维氏硬度计测试焊缝处显微硬度，加载载荷量10 kg，硬度测试点顺序及位置如图1所示。焊缝和HAZ组织形貌采用Olympus GX71型金相显微镜观察，腐蚀剂为4%硝酸酒精溶液。

表1 试验用X80级φ1 219 mm×18.4 mm螺旋缝埋弧焊管的主要化学成分 %

图1 硬度测试点顺序及位置

2 试验结果及讨论

2.1 焊缝中心及HAZ系列冲击韧性

焊缝中心以及HAZ试样在-60℃，-40℃，-20℃，-10℃，0℃和20℃的试验温度下冲击吸收功和剪切断面率见表2。从表2可以发现，焊缝中心在-60℃下冲击吸收功平均值为43 J，但是在20℃时冲击吸收功平均值为86 J；HAZ无论在低温-60℃还是常温20℃下，其冲击吸收功平均值均在250 J以上，说明管道原料的冲击韧性较好并且稳定。图2中给出了焊缝中心和HAZ的系列冲击吸收功和剪切面积及其拟合曲线。从图2可以看出，在整个试验温度范围内，随着温度降低，冲击吸收功均有下降，特别是焊缝中心试样，冲击吸收功在-60～-20℃的试验温度区间内急剧减小，而HAZ试样冲击吸收功则较为稳定，略有降低，其降幅为13.5%。焊缝中心试样的剪切面积随着温度降低而减小的趋势比较明显，在-60～-20℃的试验温度区间内平均剪切面积由65%急剧减小到了43%。而HAZ冲击试样的剪切断面率的变化趋势则较为平稳，在-60～20℃温度范围内剪切面积均达到了100%，拟合曲线则呈现水平趋势。以冲击试样剪切面积50%时判定焊缝中心韧脆转变温度FATT50为-40℃，而HAZ试样在试验温度范围内没有出现韧脆转变现象。HAZ处的冲击韧性优劣主要取决于焊接热输入的高低。当焊接参数设置合理时可精确控制焊接热输入，即能实现对HAZ冲击韧性的控制。

表2 X80级φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管系列夏比冲击试验结果

图2 温度对冲击吸收功和剪切面积的影响

2.2 焊缝显微硬度

焊缝处硬度测试点如图1所示，图1中自上而下依次有外、中和内3条测试线，在中间焊缝区域，外线上的点处在外焊缝上，内线上的点处在内焊缝上。硬度测试结果见表3。试样3条测试线上硬度变化曲线见图3。由图3可以发现，在同一测试线上X80级φ1 219 mm×18.4 mm焊管焊缝金相试样的硬度变化均呈现先增大、后减小、再增大的交替发展趋势，且焊缝中心处硬度大于HAZ和母材。在焊缝熔敷金属区域，内焊缝区域维氏硬度值明显高于外焊缝区域。

表3 X80级φ1 219 mm×18.4 mm螺旋埋弧焊管焊接接头维氏硬度检测结果

焊缝中心处硬度较高的原因主要是由于焊丝和焊剂中微合金元素在焊接中扩散不充分，分布不均匀，产生了微合金元素的富集区，并在此区域生成多种硬质相的化合物或氧化物(包括Al2O3，MgO，Ti2O3，MnO和SiO2等)[6-7]，造成其显微硬度的突高。而内焊缝区域硬度高于外焊缝区域主要是由于内焊余热和焊接热循环双重作用所致[8]。因此，在工艺制定时需考虑焊丝和焊剂的合理匹配，并使用恰当的焊接参数达到热输入的精确控制，实现焊缝的低硬度和高韧性。

图3 硬度变化曲线

2.3 焊缝微观组织特征

图 4给出了 X80级 φ1 219 mm×18.4 mm焊管焊缝横截面宏观形貌，内、外焊缝区及HAZ的光学显微组织。图4（a）所示的是X80级φ1 219 mm×18.4 mm焊管焊缝的横截面宏观照，图4（b）是外焊缝区显微组织，图4（c）是内焊缝区显微组织，图4（d）是HAZ显微组织。通过图4（a）可知，焊接接头处内、外焊无错边现象，且内、外焊重合量达到3.5 mm，形貌平滑规整。图4（b）中外焊缝区为针状铁素体+少量准多边形铁素体组织。图4（c）中内焊缝区为多边形铁素体+少量针状铁素体组织，晶粒尺寸较外焊缝区粗大。而图4（d）中HAZ为粗大且均匀性差的粒状贝氏体组织，且晶界清晰可见。内焊缝区组织粗大的原因主要由内焊余热和焊接热循环双重作用所致[8]，HAZ微观组织粗大的原因也是如此。因此，适当降低内焊余热和精确控制焊接热输入可以有效改善内焊缝组织特征，进而可改善焊缝冲击韧性。

图4 焊接接头宏观形貌及区域组织

细小且分布均匀的组织结构，能有效延长裂纹扩展路径，增大裂纹扩展阻力，对提高韧性有交大作用[6]。因此，有效控制内焊余热（适当调整内、外焊之间的螺距）和焊接热输入对细化焊缝及HAZ微观组织提高其韧性有重要作用。

3 结 论

（1） X80级 φ1 219 mm×18.4 mm 螺旋埋弧焊管焊缝中心冲击韧性受温度变化影响显著。在-60～20℃范围内有明显的韧脆转变现象，且韧脆转变温度为-40℃。而HAZ在试验温度范围内无韧脆转变现象出现，且冲击韧性优良。说明焊接参数设置合理可行。

（2）焊缝中心处由于焊丝和焊剂中微合金元素在焊接中扩散不充分，分布不均匀，易产生微合金元素的富集，生成多种硬质相的化合物或氧化物，造成其显微硬度的升高。而造成内焊缝区硬度较高的原因主要是内焊余热和焊接热循环作用所致。

（3）焊缝内、外焊成形平滑规整，无错边。外焊缝区为针状铁素体+少量准多边形铁素体组织；内焊缝区为多边形铁素体+少量针状铁素体组织，晶粒尺寸较外焊缝区粗大； HAZ为粗大且均匀性差的粒状贝氏体组织，且晶界清晰可见。

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