X90M钢板对接接头性能测试与分析

于 磊，李志宏，莫诚生，王登树，檀才保

（1.安徽省特种设备检测院，合肥 230051；2.合肥紫金钢管有限公司，合肥230051）

X90M钢板对接接头性能测试与分析

于 磊1，李志宏1，莫诚生1，王登树2，檀才保1

（1.安徽省特种设备检测院，合肥 230051；2.合肥紫金钢管有限公司，合肥230051）

对管线钢用X90M钢板自动埋弧焊对接接头进行了力学性能测试、微观组织观察、SEM扫描等试验。分析得出焊缝组织主要由针状铁素体和粒状贝氏体组成，热影响区除粒状贝氏体外，还有少量块状铁素体。硬度测试结果表明，热影响区并不存在明显软化现象，焊缝和热影响区的冲击吸收能量均对温度较为敏感，但焊缝中纵横交错分布的针状铁素体和柱状晶状态导致其韧性比热影响区稍差。0℃下的母材和热影响区冲击断口形貌呈韧窝形状，而焊缝断口形貌则为准解理特征。

焊接；X90M；焊缝；热影响区；拉伸性能；冲击韧性；断口形貌

目前我国西气东输三线工程管线钢等级最高用到X80级[1]，但随着石油和天然气能源的不断发展，推动着管线钢不断向更高强度、更高等级发展。为适应未来油气输送管线长距离、大直径、高压力、高安全性的需求，我国X90钢级以上管线钢的研制[2]和生产将会越来越受到重视。

石油天然气管线用钢不仅仅要求管线钢本身具有优良的性能，而且要具有良好的焊接性能[3-7]。对管线钢用X90M钢板对接接头性能的分析研究，将为X90M管线钢管的埋弧自动焊提供重要的试验基础数据。

1 试验用钢板化学成分及力学性能

试验用X90M管线钢板属于控轧控冷型多元素合金强化低碳锰钢[8]，用全定量直读式光谱仪器测试试验用钢板的主要化学成分，结果见表1。由表1可见，该试验用钢的化学成分相对于X80M进一步增加了Mn和Mo等含量以提高其强度，增加了Ni含量则有效提高了其韧性。试验用钢板的主要力学性能指标包括屈服强度、抗拉强度、延伸率及在－20℃下的横向冲击功，检测结果见表2。

表1 X90M钢板主要化学成分 %

表2 X90M钢板主要力学性能

2 试验材料及焊接工艺参数

试验用X90M钢板为国内某大型钢厂所生产，厚度16.3mm。试样开带钝边的X形坡口，内外坡口角度均为88°，具体尺寸如图1所示。焊接时，先从外焊缝内坡口处用CO2气体保护焊进行焊接固定，再进行内焊缝的焊接，最后是外焊缝的焊接，内外焊缝均采用直列式三丝埋弧焊接。焊丝选用国内某知名焊材制造公司研制的焊丝，直径为4.0 mm。试验X90M钢板直缝埋弧焊主要工艺参数见表3，焊接接头实物照片如图2所示。

图1 X90M钢板埋弧焊焊接坡口形状及尺寸

表3 试验用X90M钢板直缝埋弧焊主要工艺参数

图2 X90M钢板埋弧焊焊接接头实物照片

3 焊接接头观察、测试与断口形貌扫描

3.1 射线照相检测

焊接接头经36 h冷却后，按照JB/T 4730.2—2005标准对其全长进行射线照相检测，检测结果如图3所示。从照相底片上看，未发现任何缺陷影像，且接头成像致密均匀，清晰度较高。

图3 X90M钢板埋弧焊焊接接头射线检测结果

3.2 焊接接头拉伸和弯曲性能

拉伸与弯曲试验所用设备均为万能试验机。截取两个横向全壁厚矩形试样，尺寸为50 mm× 38.1 mm。焊接接头拉伸后的断口形貌如图4所示。图4中1#试样拉伸断口位于熔合线以外，抗拉强度714 MPa；2#试样拉伸断口位于母材位置，抗拉强度727MPa。2#试样拉伸曲线如图5所示。

图4 焊接接头拉伸试验结果

图5 焊接接头2#试样拉伸曲线

分别截取一个面弯和背弯试样，两个试样经180o弯曲后未发现任何裂痕，结果如图6所示。由图6可以看出，两个试样焊接接头的塑性良好。

图6 焊接接头弯曲试验结果

3.3 微观组织观察

对包含焊接接头的小尺寸试样进行打磨、抛光等，并采用4%硝酸酒精溶液侵蚀试样，在显微镜下观察显微组织，结果如图7所示。

图7 X90M母材与焊接接头的显微组织

由图7可以看出，X90M母材的组织主要为粒状贝氏体。焊丝中Mo的质量分数为0.3%，焊缝中的Mo能显著促进针状铁素体的形成[9]。焊缝处的组织主要为针状铁素体和少量粒状贝氏体，形貌呈纵横交错分布；热影响区以粒状贝氏体为主，兼有少量块状铁素体及少量M/A组元，热影响区中熔合区晶粒最为粗大；从熔合区过渡到母材区域晶粒逐渐变细。

3.4 硬度试验

先用10%硝酸酒精腐蚀出试样轮廓，使肉眼能明显区分出焊缝、热影响区与母材，如图8所示。再将试样放在维氏硬度计上使用10 kN力测定，硬度检测打点位置如图9所示，硬度检测结果见表4。

图8 X90M焊接接头实物照片

图9 X90M焊接接头硬度检测打点位置示意图

表4 X90M焊接接头硬度检测结果

从表4可以看出，焊缝部位硬度最高值为264HV10，最小值为235HV10，平均值为249 HV10；母材部位硬度分布较为均匀，平均值为236HV10；热影响区硬度最高值为235HV10，最低为210HV10，平均值为223 HV10，硬度最大值与最小值相差25 HV10。说明热影响区存在部分硬化与软化区域，而软化与热影响区中少量的多边形铁素体组织有关，但该软化现象并不明显，整体硬度值都在可接受范围内。

3.5 V形缺口夏比冲击试验

在不同温度下分别对X90M焊接接头的母材、焊缝、热影响区进行冲击试验。试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，V形缺口，3个试样为一组。冲击试验结果见表5，其平均值曲线如图10所示。

表5 不同温度下X90M焊接接头冲击试验结果

图10 不同温度下X90M焊接接头冲击功均值曲线

从图10可以看出，相同温度下的母材冲击功均值远大于焊缝和热影响区，这是由于母材中含有更多Ni，且粒状贝氏体具有较高位错密度；热影响区的粒状贝氏体相对母材来说更为粗大，且相关研究表明，热影响区的冲击断口裂纹扩展方向主要为沿晶开裂[10]，所以相对来讲，热影响区的冲击功数值低于母材；焊缝有大量针状铁素体组织，所以其韧性也较好，但由于针状铁素体呈现纵横交错分布，所以和热影响区相比其冲击功稍低。只是在－50℃时焊缝和热影响区冲击功值接近，但随着温度的升高，差值有所增大，这与焊缝中含有较多纵横交错的针状铁素体有关；热影响区中的块状铁素体和少量的M/A组元虽然一定程度上降低了韧性水平，但这些组织毕竟是少量的；不论是焊缝还是热影响区的冲击功都对温度较为敏感。

3.6 冲击断口扫描电镜观察

用JSM-6490/LV扫描电子显微镜分别对0℃时的母材（冲击功310.2 J）、热影响区（冲击功230.4 J）、焊缝 （冲击功133.5 J）的冲击断口试样进行了SEM扫描，结果如图11所示。

图11 0℃时X90M焊接接头冲击断口SEM扫描结果

从图11可以看出，焊缝的断口形貌既有韧窝特征，也有撕裂的河流花样特征，属于混合断裂形貌，呈现准解理特征；热影响区和母材的断口则都呈剪切韧窝特征，说明热影响区和母材在剪切冲击力作用下发生了很强的塑性变形后才导致最终断裂。

4 结 论

X90M两个焊接接头横向拉伸试样的抗拉强度分别为714 MPa和727 MPa，稍高于母材，断口分别位于热影响区和母材，而且从断口形貌看，有明显的剪切唇和纤维区，为宏观塑断；弯曲试样经180o弯曲后，弯曲面未发现任何长度的裂纹或裂缝，表明焊接接头的塑性良好；焊缝硬度平均值最高，母材硬度分布较为均匀，HAZ硬度最高值为235 HV10，最低仅为210 HV10，但并不存在明显软化现象；不论是焊缝还是热影响区的冲击功都对温度较为敏感；0℃下焊缝的断口形貌呈现准解理特征，而热影响区和母材的断口则都呈韧窝形貌。

［1］王茂堂，何莹，王丽，等.西气东输二线 X80级管线钢的开发和应用[J].电焊机，2009，39（5）：6-14.

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The Performance Test and Analysis of the Butt Joint About X90M Steel Plate

YU Lei1,LI Zhihong1,MO Chengsheng1,WANG Dengshu2,TAN Caibao1
(1.Anhui Special Equipment Inspection Institute,Hefei 230051,China;
2.Hefei Zijin Steel Pipe Co.,Ltd.,Hefei 230051,China)

In this paper,it carried out the mechanical properties test,microstructure observation and SEM scan test for the welded joint of automatic submerged arc welding about X90M pipeline steel plate.The tests showed that the weld microstructure is mainly composed of acicular ferrite and granular bainite，the heat affected zone(HAZ)includes granular bainite and a small amount of blocky ferrite.The hardness test results showed that no obvious softening phenomenon exist in HAZ, the impact absorbed energy of the weld and HAZ are more sensitive to temperature,but the cross distribution of acicular ferrite in the weld and the columnar crystal state leads to the toughness is a bit poor to HAZ.The impact fracture appearance of the base metal and HAZ below 0℃display the dimple shape,and the weld fracture morphology is quasi cleavage feature.

welding;X90M；weld;heat affected zone；tensile property;impact property;fracture appearance

TG407

A

1001－3938（2015）08-0011-05

于磊（1983—），男，工程硕士，工程师，现从事压力管道、压力容器检验检测及技术开发等工作，拥有管道检验师、无损检测高级等多项专业资质。

2015-04-25

谢淑霞