基于应变设计的X70钢管软化及脆化研究

靳海成，张金喜，王国兵，冯大勇

（1.中国石油天然气管道科学研究院有限公司，河北 廊坊065000；2.中国石油管道局工程有限公司国际事业部，河北 廊坊065000；3.中国石油管道局工程有限公司第五分公司，河北 廊坊065000）

基于应变设计的X70钢管软化及脆化研究

靳海成1，张金喜2，王国兵3，冯大勇1

（1.中国石油天然气管道科学研究院有限公司，河北 廊坊065000；2.中国石油管道局工程有限公司国际事业部，河北 廊坊065000；3.中国石油管道局工程有限公司第五分公司，河北 廊坊065000）

为了研究基于应变设计的X70钢管在焊接热循环作用下热影响区软化和脆化现象，采用焊接热模拟试验、系列温度冲击试验及硬度检测等方法，分析了焊接接头热影响区组织形成、低温冲击韧性和软化程度大小的影响因素。研究结果表明，X70大变形钢焊接热影响区的脆化现象不明显，但存在不同程度的软化现象，填充层硬度最大降低10%，盖面层硬度最大降低11.6%。通过对焊缝的补强覆盖焊接增大了焊缝余高的宽度和高度，解决了焊缝热影响区的软化的问题。

焊接；X70钢管；基于应变设计；大变形钢；焊缝；软化；脆化

长输管线在建设过程中往往途经滑坡、地质沉降及冻土等环境恶劣地区。在这些区域敷设管道，地质运动会导致管道发生大的变形，因此，要求钢管应具有足够大的抗变形能力来承受整体和局部的变形。基于应变设计的大变形钢管具有较低的屈强比及大的塑性变形能力，能适应环境恶劣地区的要求。因此，长距离管线采用高强度大变形钢管是一种有效的措施。但高强度大变形管线钢管在焊接热循环作用下，热影响区可能会存在不同程度的软化和脆化现象，降低了大变形钢的均匀变形能力，本研究针对这一现象进行了研究。

1 焊接接头脆化研究

为了保证大的均匀延伸率，基于应变设计的X70大变形钢管设计为双相组织（铁素体+贝氏体）其微观形貌如图1所示。母材热影响区上各点距焊缝的远近不同，受到的焊接热循环不同，就会出现不同的组织，具有不同的性能。对于盖面层的单道焊，根据峰值温度，HAZ可划分为粗晶区 （GCHAZ）、细晶区（GRHAZ）、中间临界区（ICHAZ）和亚临界区（SCHAZ）4 个区域。

图1 X70大变形钢管显微组织照片

对于多道焊，第二道焊缝的HAZ与第一道焊缝的HAZ相互重叠，在第一道焊缝的HAZ中形成部分或完全再热区。再热粗晶区大致可分为4个区域：未变粗晶热影响区（UACGHAZ）、亚临界再热粗晶区（SCCGHAZ）、中间临界再热粗晶区（ICGCHAZ ）和亚临界粗晶区（SCGHAZ）。

本研究采用焊接热模拟技术，通过对环焊焊接接头不同区域组织分析，发现焊接热影响区的CGHAZ和ICGCHAZ性能相对较差。通过热模拟试验分析大变形钢多层焊时焊接热输入对材料的组织和低温性能的影响，从而为优化焊接工艺参数，提高焊接接头的低温韧性，保证基于应变设计大变形钢管的安全运行提供参考依据。

热模拟试验峰值温度为1 350℃时，GCHAZ在t8/5=5 s和t8/5=10 s条件下的系列温度夏比冲击试验结果见表1。从表1可以看出，t8/5=5 s条件下，－40℃时，粗晶热影响区具有较好的冲击韧性，但－60℃时，冲击韧性明显下降。t8/5=10 s条件下，－20℃时，焊接热影响区仍具有较好的冲击韧性，但－40℃时，冲击韧性明显下降，但仍然较高。

表1 GCHAZ不同t8/5条件下的系列温度夏比冲击试验结果

GCHAZ在 t8/5=5 s和t8/5=10 s条件下显微组织照片如图2所示。从图2可以看出，t8/5=5 s时，其组织为粒状贝氏体；t8/5=10 s时，其组织为铁素体+粒状贝氏体，且晶粒明显长大。

图2 GCHAZ在不同t8/5下的显微组织照片

不同t8/5条件下，系列温度冲击试验结果表明，－40℃以上时热影响区均具有较高的冲击韧性，可见X70大变形钢的焊接热影响区脆化现象不严重。

2 焊接接头软化研究

大变形钢管在焊接过程热作用下，焊接热影响区存在不同程度的软化现象，焊接接头的软化造成焊缝在受到拉应力作用时，软化区很容易出现集中变形，并在变形区发生断裂，从而降低了大变形钢管的均匀变形能力。

焊接热影响区的软化程度多用软化系数表示，可通过硬度降低的百分比来测定。因此，焊接接头的软化程度可以采用系列硬度法来检测。不同焊接工艺条件下的系列硬度分布如图3所示，不同制管厂的软化工艺及不同焊层的硬度降低比见表2。

图3 不同焊接工艺条件下的系列硬度分布

表2 焊接接头的软化工艺及不同焊层的硬度降低比

由表2和图3可知，1#和2#试样为同一制管厂、不同焊接工艺下的焊接试样，系列硬度试验结果见图 3（a）～图 3（f）。 可见， 1#工艺根焊层热影响区硬度降低22.7%，填充层降低6.7%，盖面层降低6.6%；2#工艺根焊层降低11.1%、填充层降低6.6%，盖面层降低不明显。对比来看，1#工艺的软化更为严重。从焊接工艺角度分析，1#工艺为半自动焊工艺，其焊接热输入整体比2#工艺的焊条电弧焊工艺大，其软化也相对更为严重。

1#试样、3#试样和4#试样为不同制管厂、相同焊接工艺下的焊接试样，系列硬度试验结果见图 3（a）～图 3（c）和图 3（g）～图 3（l）。 对比表 2中3种钢管不同焊层的硬度降低比例，可以看出，A厂和C厂钢管的软化较为严重，B厂钢管相对较轻。在焊接工艺一定的条件下，焊接接头的软化与钢管本身的合金体系、显微组织、晶粒尺寸、轧制工艺等有关，因此，从工程应用的角度看，钢管的生产应从合金体系的设计及轧制工艺等全过程考虑焊接接头热影响区软化的情况，通过合金体系及轧制工艺减少钢对焊接热的敏感性。

通过系列硬度试验结果可以看出，不同焊接工艺下、不同钢厂的大变形钢管，其热影响区均存在一定的软化现象，这会造成在软化区出现集中变形，进而影响大变形钢管的整体均匀变形。

一组拉伸试样的照片如图4所示，由图4可见，焊接接头的断裂位置均在软化区内。

图4 软化区断裂的拉伸试样

为了解决软化问题，开展了几何补强的相关研究。几何补强覆盖焊接法就是通过对焊接余高进行加宽和加高，改变软化区的形状和尺寸，如图5所示。

图5 几何补强覆盖焊接法示意图

对软化区进行补强覆盖焊接后，盖面焊缝增宽T/2，焊缝高度为h1=T/S。T为管道壁厚，h1为焊后焊缝高度，S为软化系数。

对软化区进行补强覆盖焊接后，可以提升焊接接头的抗断裂能力，实现焊接接头的高强匹配。通过补强覆盖焊接可以实现自保护半自动焊工艺在大变形钢管焊接中的应用，提高现场的施工效率。

3 结 论

（1）基于应变设计的X70大变形钢管组织为铁素体+贝氏体，经过t8/5=5 s的热循环后，组织为粒状贝氏体，t8/5=10 s的组织为铁素体+贝氏体。－40℃时，仍具有较高的冲击功，其脆化并不严重。

（2）系列硬度试验表明，X70大变形钢管环焊接头存在一定的软化现象，填充层硬度最大降低10%，盖面层硬度最大降低11.6%；几何补强覆盖法能够解决拉伸断裂在软化区的问题，提升了焊接接头抗变形能力。

[1]靳海成，王俊红，郭静薇，等.基于应变设计的X80钢管环焊技术研究[J].焊接，2012（4）：57-59.

[2]熊林玉，杜则裕，董丽红，等.高强度X80钢管道的焊接[J].石油工程建设，2004，32（2）：31-34．

[3]薛小怀，杨淑芳，吴鲁海，等.X80管线钢的研究进展[J].上海金属，2004，26（2）：45-49．

[4]卿颖，杨眉，晏利君，等.应变时效对X70大变形钢冷弯拉伸性能和组织的影响[J].材料热处理学报，2014，35（12）：155-159.

[5]樊学华，李向阳，董磊，等.国内抗大变形管线钢研究及应用进展[J].油气储运，2015，34（3）：236-240.

[6]牛靖，陈宏远，刘甲，等.X70大变形钢焊接接头热影响区软化及其影响研究[J].热加工工艺，2016（21）：176-179.

[7]汤忖江，尚成嘉，关海龙，等.大变形管线钢中F/B多相组织应变硬化行为和应力比研究[J].材料研究学报，2016（6）：409-417.

[8]马晶，张骁勇，高惠临.B＋M/A复相组织X80大变形管线钢的预应变脆化[J].机械工程材料，2016（12）：26-31.[9]王伟，严伟，胡平，等.抗大变形管线钢的研究进展[J].钢铁研究学报，2011，23（2）：1-7.

[10]王国丽，韩景宽，赵忠德，等.基于应变设计方法在管道工程建设中的应用研究[J].石油规划设计，2011，22（5）：1-6.

Study on the Softening and Embrittlement of Strain-based Design X70 Steel Pipe

JIN Haicheng1， ZHANG Jinxi2， WANG Guobing3， FENG Dayong1
（1.China Petroleum and Natural Gas Pipeline Science Research Institute Co.,Ltd.,Langfang 065000， Hebei，China；2.International Business Division of China Petroleum Pipeline Bureau Engineering Co.,Ltd.,Langfang 065000，Hebei，China；3.No.5 Branch Company of China Petroleum Pipeline Bureau Engineering Co.,Ltd.,Langfang 065000，Hebei，China）

In order to find the reason of softening and embrittlement of strain-based design X70 steel pipe,using the methods of welding thermal simulation test,series temperature impact test,hardness measurement and so on,it analyzed the heat affected zone microstructure formation of welded joint,low temperature impact toughness and the influence factors of softening degree.The research results indicated that the embrittlement of the thermal influence zone of X70 large deformation steel welding heat affected zone was not obvious,but existed different degrees softening phenomenon,the hardness of the filling layer was reduced by 10%,and the hardness of the cover layer decreased by 11.6%.The width and height of welds were increased by the welding of weld reinforcement,which solved the softening problem of weld heat affected area.

welding； X70 steel pipe； strain-based design；large deformation steel； weld； softening； embrittlement

TG407

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.09.003

靳海成（1977—），男，高级工程师，主要从事长输管道与储罐工程焊接技术研究、焊接工艺及设备评价、材料性能测试工作。

2017-05-04

编辑：李红丽