外加纳米氧化镁对X80管线钢焊接热影响区组织及性能影响

王岭 陶威武 刘杨

摘 要：融制钢材时加入外加纳米MgO，通过外加纳米MgO诱导针状铁素体形核、长大从而分割原奥氏体晶粒，达到降低有效晶粒尺寸的目的，由此提升焊接热影响区韧性与强度，使得整个管线的质量得到提高。

关键词：X80管线;夹杂物;焊接热影响区

1 概述

国际管道工程发展主要体现在两个方向，一是通过提升管线口径并提升输送过程的压强来提高传输效率。二是研发更高级别的管材并使之得到应用[1]。不论从世界还是我国的角度来说高级别管线钢的研发和应用都得到了非常大的发展，起初我国对比其他技术完善国家相差程度十分明显，但通过我国相关人员的刻苦研发以及我国多项重大工程的支持使得我国在管道钢技术上得到了十分大的突破。我国在管线钢的研发与应用上都达到了世界其他先进国家的水平，而且在有些方面甚至进行了弯道超车一跃成为世界上技术最先进的国家。在所有高级别管线X80管线钢目前来讲应用范围最广，生产和运维也十分成熟。应加大对研发的投入来更好的提升X80钢级管线[2]。而在管线运用过程中两管线焊接接头部位的性能最差。因此，提升两管线焊接接头性能为大势所趋。

2 实验步骤

第一步先将所用原料也就是Mo、Fe粉与纳米MgO微米级按质量比为42：6：1进行均匀混合。将上一步完成的物料用玛瑙研钵继续研碎，研碎后再进行混合。将混合好的物料分别按照占熔炼钢0.01%wt、0.02%wt、0.05%进行分块称重。接着对X80管线钢原料进行熔炼，经上述步骤后将制成三组质量均为5kg且MgO含量分别为0.01%wt、0.02%wt、0.05%wt的铸态钢锭。最后进行轧制，轧制参数如表1，最后把上述原料轧成管线钢板，每块厚度为11mm，轧制成6块。

本实验采用50kJ/cm和80kJ/cm两种焊接输入能量来模拟双丝和多丝焊接，并利用ANSYS模拟软件计算不同焊接热输入量条件下焊接热循环曲线，并确定相关参数如下：

第一组：焊接线能量E定位50kJ/cm，峰值温度θm定为1300℃。预热温度定位100℃，加热速度为200℃/s。即加热时间为6s，然后在1300℃温度上保温8s，在冷却时，t8/5冷却时间设定为90s，由500℃随炉逐渐冷却至室温。第二组：焊接线能量E定位80kJ/cm，θm峰值温度定为1320℃。预热温度定位100℃，加热速度为200℃/s。即加热时间约为6s，然后在1320℃温度上保温2s，在冷却时，t8/5冷却时间设定为80s，由500℃随炉逐渐冷却至室温。第三组：对0.02MgO%wt在加热过程中采用第一组和第二组的焊接热模拟参数，而在冷却过程中，分别于620℃，600℃，580℃和550℃取样，直接水淬火至室温，分析其在相应温度时组织变化情况。

采用NCINI750型冲击试验机，按照GB/T229-2007进行冲击实验。该实验选用打击能量为500J（10J）的大摆锤，其瞬间冲击速度为6.0～6.5m/s。冲击试验在-20℃下进行，将冲击试样放在自制低温冷却槽中，用无水乙醇和液态氮气加以冷却，保温15min后，将试样从低温槽中取出，在3～5s内予以冲断。

3 实验结果

未添加纳米MgO的X80管线钢将其进行焊接熱模拟后，晶粒平均直径为182.3μm，向其中添加0.01MgO%wt后，晶粒尺寸显著减小至157.6μm，而当添加0.02%MgOwt时，晶粒进一步得到细化小至121.7μm。

未添加外加纳米MgO的原料钢组织主要包括贝氏体、不规则形状的多边形铁素体和M/A组元组成，其中针状铁素体虽然存在但含量不高，且板条平直。贝氏体绝大多数在晶内，M/A组元既有板条状也有颗粒状，其中细小平直的板条状占主体，而多边形铁素体则呈现不规则状。原料钢晶界十分明显、基本无弯曲。加入0.01MgO%wt后，原始奥氏体的晶界不再平直，而转化成弯曲状，M/A组元变少，且主要在晶界内呈颗粒状弥散分布。当加入0.02MgO%wt时，原始奥氏体晶界只有局部区域呈弯折状其余则呈平直状。贝氏体和多边形铁素变小，针状铁素体更为细小，M/A组元仍然呈颗粒状分布于晶界内。当添加量为0.05MgO%wt后，奥氏体晶界十分明显使得阻碍位错运动的效果显著提高。晶内的M/A组元变成板条状，长度很短，针状铁素体则变得更粗，比之前更大（如图1）。

随着纳米MgO的添加，X80管线钢焊接热影响区冲击吸收功逐步增大，从121J到190J。当添加0.02MgO%wt达到了最大190J，但当添加量到了0.05MgO%wt时冲击韧性反而降低，可见适量纳米MgO的添加能够有效提高管线钢焊接热影响区冲击韧性，过量或少量效果均不好（如图2）。

4 结论

（1）添加纳米MgO至X80管线钢后，管线钢的晶粒度得到较大细化，当添加0.02%MgOwt时，晶粒细化至121.7μm。（2）添加0.02MgO%wt时，冲击吸收功达到了190J，当添加量到了0.05MgO%wt时冲击韧性反而降低。

参考文献：

[1]庄传晶，冯耀荣，霍春勇，等.国内X80级管线钢的发展及今后的研究方向[J].焊管，2005（02）：10-14+67.

[2]张斌，钱成文，王玉梅，等.国内外高钢级管线钢的发展及应用[J].石油工程建设，2012，38（01）：1-4+64+83.

基金项目：营口理工学院大学生创新创业训练计划项目“纳米氧化镁对X80高级别管线钢焊接热影响区组织及性能影响”。

通讯作者：刘杨