直缝埋弧焊管焊缝夏比冲击性能试验研究

2021-03-09王林林杨鹏飞韩铁利吴振宇王立柱

钢管 2021年5期

王林林，杨鹏飞，范洁，韩铁利，吴振宇，王立柱

（巨龙钢管有限公司，河北青县 062658）

从20 世纪80 年代至今，我国油气输送管材的钢级从以铁素体+珠光体组织（晶粒尺寸为8 μm 左右，珠光体相含量占30%左右）为主的X42～X65 中低强度钢（C 含量0.06%～0.09%，Nb+V+Ti 含量≤0.12%）［1-2］，发展到了以针状铁素体主导的复相组织的X70、X80 高强度管线钢（C 含量0.02%～0.05%，S 含量≤0.005%）［3-4］。在发展初期，由于国内钢厂的技术水平还较弱，主要通过添加一定量的Mn、Mo、Cr、Ni、Cu 等合金元素来确保管线钢钢板的强度和韧性［5］。但随着控制轧制和控制冷却（TMCP）技术的发展［6-7］，钢厂出于成本考虑，更多的是通过提高控轧控冷技术来保证管线钢钢板的力学性能，合金元素添加量总体呈下降趋势，而合金元素添加量的减少将导致焊管焊缝中的合金含量也随之降低，焊缝夏比冲击功降低［8-9］，管线项目要求焊管焊缝的夏比冲击功较高时，则很可能发生焊管夏比冲击试验不合格的情况。按照API Spec 5L—2018《管线钢管规范》和GB/T 9711—2017《石油天然气工业管线输送系统用钢管》要求，管线用管的夏比冲击试验不合格时，不能进行复取，被取样管材将直接被降废处理，这给工厂造成很大的损失。在合金元素添加量有限的情况下，目前主要通过优化焊接工艺来改善焊缝的低温冲击韧性［10］。巨龙钢管有限公司利用现有焊材进行了焊材交叉匹配试验，制定超低合金含量钢板的最佳焊接工艺，并在某项目中成功应用。现对该焊材交叉匹配试验进行介绍。

1 试验材料

试验用钢板为某钢厂提供的X65M 钢板。按照ASTM A 751—2014a《钢制品化学分析标准试验方法、实验操作和术语》检验X65M 钢板的化学成分，检验设备为ARL 4460 直读光谱仪；在NI750C 冲击试验机上，按照ASTM A 370—2017《钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义》进行-30 ℃夏比冲击试验，试样尺寸为55 mm×10 mm×10 mm。X65M钢板的化学成分见表1，冲击试验结果见表2。

表1 X65M 钢板的化学成分（质量分数）%

表2 X65M 钢板的冲击试验结果

对于钢板元素含量，很多标准仅规定了上限值，未规定下限值，导致不同钢厂生产的钢板的合金元素含量波动较大，钢板的夏比冲击试验结果虽然合格，但是冲击功数值离散度较大。后续应进一步对钢板的元素含量加严控制，如中俄东线天然气管道工程项目技术要求中对X80M 钢级钢板Mo、Ni 元素的下限进行了限制［11］，冲击试验结果就十分理想。

2 试验方案

2.1 管段试验

焊接试验预焊及预焊修补均使用CHW-60C 气体保护焊丝；内焊与外焊使用不同厂家生产的H08MnMoTiB 焊丝和烧结焊剂，焊丝化学成分见表3。内焊和外焊均为三丝焊，一丝与二丝焊丝的直径为4.0 mm，三丝直径为3.2 mm，焊接线能量为2 kJ/mm［12］。在合理的焊接线能量范围内，随着焊接线能量的降低，焊缝及热影响区的组织呈细化趋势，同时可减少焊缝中氧和氮的含量［13-14］。焊材匹配情况见表4。

表3 H08MnMoTiB 焊丝化学成分（质量分数） %

制成管段后，在焊缝处截取夏比冲击试样，并加工成55 mm×10 mm×10 mm 全尺寸试样，在NI750C 冲击试验机上，按照ASTM A 370—2017 标准进行-20 ℃夏比V 型冲击试验，结果见表4。

表4 焊材匹配情况及试验管段冲击功

对比发现，使用a 焊丝，搭配e 或g 焊剂时，钢管焊缝冲击功均较高。随后，对两组焊材匹配分别做了焊接工艺评定试验，发现拉伸与弯曲等性能也都全部合格。

2.2 批量生产

通过管段试验确定出焊丝应选用a，焊剂可以选用e 和g 焊剂。用这两种焊材匹配方案批量生产了某项目X65M 钢级Ф559 mm 规格直缝埋弧焊管，共计1 200 余根，根据相关技术要求取夏比冲击试样54 组，试验温度均为-20 ℃，冲击功情况见表5和如图1 所示。

图1 用两种焊剂焊接的X65M 钢级Ф559 mm 规格直缝埋弧焊管的冲击功分布

表5 X65M 钢级Ф559 mm 规格直缝埋弧焊管的冲击功

从图1 可以看出，使用e 焊剂进行焊接时，X65M 钢级Ф559 mm 规格直缝埋弧焊管的冲击功主要分布在70～100 J，而使用g 焊剂时的冲击功主要分布在90～140 J。

3 分析

将使用e 焊剂焊接的X65M 钢级Ф559 mm 规格直缝埋弧焊管编号为A 组，使用g 焊剂焊接的直缝埋弧焊管编号为B 组，按照ASTM A 751—2014a 标准，采用ARL 4460 直读光谱仪分析这两组直缝埋弧焊管焊缝的化学成分，结果见表6。

表6 X65M 钢级Ф559 mm 规格直缝埋弧焊管焊缝化学成分（质量分数） %

从表7 可以看出，使用g 焊剂时，焊缝内的Mn、Mo、Ni 含量以及Ti 含量都略有增加。一定含量的Mn、Ni 等元素能起到固溶强化的作用，同时还可改善材料韧性，使得焊缝在调质后具有足够高的强度和韧性。在碳钢及低合金钢的焊缝中，Mn是最常加入的元素，Mn 含量在一定范围时，焊缝的强度和韧性会随着Mn 含量的增加而增加；此外，Mn 含量的增加还可促进焊缝中针状铁素体增加、多边形铁素体减少，有利于得到细化的针状铁素体。Ni 可使焊缝的连续冷却转变曲线（CCT 曲线）右移，因而可促进针状铁素体形成，使焊缝韧性提高。Mo 是促进针状铁素体形成元素，因而适当的Mo 含量有利于提高焊缝韧性。在钢中加入适量的Ti 等强碳化物形成元素，可以减小奥氏体晶粒长大倾向，从而得到细晶粒钢［15］。

X65M 钢级Ф559 mm 规格直缝埋弧焊管焊缝的金相组织如图2 所示。从图2 可以看出，B 组钢管的晶粒得到了细化，要小于A 组钢管晶粒的尺寸，晶粒尺寸的细化有助于提升焊缝的夏比冲击性能，与上述冲击试验结果相一致。