几种典型X80管线钢管及其环焊缝性能研究

David Han, 齐丽华, 霍春勇, José B. Bacalhau,Marcos A. Stuart Nogueira, Frank J. Barbaro, 张永青

(1.国际焊接研究中心 陕西 西安 710077；2.中国石油集团石油管工程技术研究院 陕西 西安 710077；3.巴西冶矿公司 圣保罗 04538-133；4. 澳大利亚伍伦贡大学 新南威尔士 伍伦贡 2522；5. 中信金属公司 北京 100004)

0 引 言

进入二十一世纪，经济发展对清洁、高效的能源产生了巨大需求，中国长距离输气管道进入高速发展时期，并且已经建成了西气东输一线、二线、三线等标志性管道工程[1]。

在管道建设施工中，环焊缝焊接是关乎管道安全的重要因素之一。由于不同企业生产的管线钢化学成分的多样性，如何保证这些不同化学成分配比的钢管在现场环焊过程中形成性能稳定、质量可靠的焊接接头，成为钢管焊接性研究的关注重点。近几年来，高强度钢管管线发生了多次环焊缝断裂事故，X80高强度管线钢管的成分、组织、性能和其焊接性的关系引起相关方的高度关注。为此，由中国石油天然气集团公司(CNPC)、中国石油集团石油管工程技术研究院(TGRI)、中信金属(CITIC Metals)和巴西矿冶公司(CBMM)联合创建了国际焊接研究中心(International Welding Technology Center, IWTC)，针对高钢级管线钢管，采用先进的技术装备，开展高强度管线钢的组织、性能及焊接性等关键技术研究，为中国乃至世界范围内管线建设提供技术支撑。

本文介绍了几种典型X80管线钢管的组织和性能，分析了环焊工艺对环焊缝质量的影响，并采用焊接热模拟试验比较了不同铌含量的X80管线钢管的焊接性，其目的在于促进和推动高强度管线钢的发展和应用。

1 几种典型的X80钢管的组织与性能

国内外几种典型的X80钢试样的化学成分，见表1，除XY099试样为国外某管道用X80钢管外，其余均为国产X80钢管。

表1 典型X80管线钢化学成分(质量分数) %

对国内生产的5种钢管试样进行拉伸性能、夏比冲击、落锤撕裂试验和维氏硬度测试等。管体横向拉伸性能、夏比冲击和落锤撕裂试验结果，如图1所示。埋弧焊缝内外表面的硬度分布，如图2所示。

图1 5种X80钢管管体关键力学性能试验结果

图2 5种X80钢管的焊接接头硬度分布

从图1和图2可以看出，国内5种典型的X80管线钢管的性能均具有良好的质量，符合所有相关行业标准要求。

图3为G055和F071直缝埋弧钢管的焊缝宏观形貌和粗晶区的组织。从图3可以看出，内外焊道与母材熔合良好，粗晶区的组织主要以粒状贝氏体为主。

图3 直缝埋弧焊管焊缝宏观形貌及粗晶区组织

2 X80管线钢管环焊工艺及性能保证措施

2.1 工艺参数

合适的焊接工艺是保证环焊缝性能的重要措施。对于具有特定坡口尺寸的对接钢管，需要确定最佳的焊道顺序、焊材规范以及各种工艺参数。以Φ1 422 mm×21.4 mm/25.7 mm的X80钢管熔化极气体保护(Gas Metal Arc Welding，GMAW)自动环焊为例，工艺参数包括：

- 电流；

- 电压；

- 送丝速度；

- 焊接速度；

- 保护气体类型和气体流量；

- 焊接工艺评定所需要的其他参数。

严格控制上述参数才能保证焊接接头性能。

2.2 坡口形式和焊接顺序

为了保证焊接质量，需要合理设计坡口形式和焊接顺序。在环焊过程中，通过大量试验及经验积累，不断优化工艺参数，从而获得高质量的焊接接头。推荐采用的GMAW自动环焊坡口设计及焊接顺序，如图4所示，并且组对错边要求不大于2.5 mm，局部50 mm内不大于3.0 mm。

图4 GMAW自动焊坡口设计及焊接顺序

表2为21.4 mm和25.7 mm 壁厚钢管的GMAW自动环焊推荐焊接层(道)数。表3和表4分别详细列出了推荐的焊接填充材料、保护气体和焊接工艺参数，包括电流、电压、送丝速度、焊接速度和保护气体流量等。

表2 GMAW环焊最少焊接层(道)数要求

表3 GMAW环焊的填充材料和保护气体

表4 焊接工艺参数

2.3 焊接工艺评定

焊接工艺评定能够确保焊接接头及其热影响区具有预期的质量和性能，对于整个环焊过程而言，十分关键。基于此，API Std. 1104《管道及相关设备焊接》标准要求对环焊接头进行探伤和性能测试，一般测试内容包括：金相观察、拉伸试验、侧弯试验、刻槽锤断试验、冲击韧性试验和硬度试验等。

硬度分布对于了解焊接工艺如何影响焊接接头各区域的性能十分重要，因为，管线钢的化学成分和焊接工艺的相互作用对于焊接接头微观组织和局部力学性能有显著的影响。表5为G055和F071管线钢管环焊接头各区域的硬度分布结果，从表5可以看出，管体、热影响区和焊缝的硬度值满足标准要求，说明焊接接头没有产生冷裂纹的倾向。

表5 焊接接头维氏硬度分布(HV10)

在各项力学性能中高强度管线钢管环焊缝冲击韧性尤其重要，因为其代表了该管线钢管在焊接后能否正常服役。将A067焊缝和热影响区不同位置的冲击韧性，与管体冲击韧性进行了对比，如图5所示。

图5 A067的GMAW环焊缝接头与管体母材冲击韧性对比

从图5可以看出，韧性变化的临界区在熔合线附近。在这一区域，母材在焊接过程中达到最高温度(接近母材的熔化温度)如此高的温度，促进了原始奥氏体晶粒增长。从母材到焊接接头热影响区中的奥氏体晶粒粗化最为严重的熔合线区域，韧性持续恶化。因此，在实际工程中，需要通过优化钢材化学成分、编制合理的焊接工艺规程(Welding Procedure Specification，WPS)等，尽量降低焊接后接头韧性减小幅度。

2.4 环焊缝无损检测

焊接接头的验收标准对缺陷情况有相关规定[1-3]，一般要求在焊接接头中没有超标的气孔、未熔合、未焊透、夹渣等缺陷。因此，环焊完成后应采用X射线检测等无损检测的方法来检验上述缺陷。另一方面，还需要对环焊缝接头进行宏观形貌和微观组织分析，以便更深入地观察焊缝形貌和了解焊接缺陷的分布，并从显微组织分析导致焊接接头的性能产生差异的原因。图6为典型环焊接头不同区域的宏观形貌以及粗晶区组织。

图6 典型X80环焊接头不同区域的宏观形貌及粗晶区组织

3 不同铌含量对X80管线钢组织和焊接性的影响

在钢的各种微合金化元素中，铌(Nb)是最有效的微合金化元素，以至于铁原子中含有丰富的Nb原子，就能达到改善钢性能的目的。一般认为，Nb元素能够使得钢在焊接过程加热到峰值温度的情况下具有较细的奥氏体晶粒尺寸，并有助于在较大的焊接热输入量和冷却速率范围内获得更高且更加稳定的冲击韧性值。对于Nb元素阻碍焊接粗晶区晶粒长大的原因，除了传统的Nb的固溶和析出理论之外，最近还有晶界元素偏析理论[4]。以本文研究的几种典型X80钢管中Nb含量最高的XY099和Nb含量最低的G055为例，研究Nb含量不同对管线钢组织性能和焊接性的影响。

3.1 不同铌含量X80管线钢的微观组织

采用背散射衍射(Electron Back-Scattered Diffraction，EBSD)方法进一步分析了G055和XY099管线钢管体的晶粒度。图7为2根试验用钢管管体材料EBSD的结果以及晶粒度的统计分布情况。由图7可见，XY099出现细晶粒的频率更高。定量分析表明，XY099的平均晶粒度为1.55 μm，而G055的平均晶粒度为2.27 μm。

图7 G055与XY099管体材料微观组织及奥氏体晶粒度尺寸统计

3.2 铌含量对X80管线钢管焊接性的影响

借助Gleeble热模拟试验机，利用热膨胀法研究了G055和XY099在不同冷却速率下的组织转变情况，并测试了不同冷却速率下的冲击韧性。在试验过程中，用200 ℃/s的速率将试样加热到1 300 ℃，保温0.5 s。然后，在9 s内将其冷却至900 ℃。再从900 ℃开始，使用0.2～50 ℃/s的不同冷却速率将试样冷却到室温。

图8为G055和XY099管线钢的连续冷却组织转变(SHCCT)曲线。从图8可以看出，与G055相比，含Nb量较高的XY099在更高的温度下发生奥氏体组织转变。而且，XY099钢中的贝氏体转变在600 ℃以上开始，铁素体相的转变温度开始点比G055高了50 ℃以上。

图8 不同合金成分管线钢管的SHCCT曲线及不同冷却下的冲击韧性

图9为2种X80管线钢在2 ℃/s冷却速率下得到的微观组织。虽然相转变后的微观组织看起来非常相似，均为针状铁素体、贝氏体和少量的碳化物析出相，但是，通过晶粒度对比发现，XY099的平均晶粒尺寸为63 μm，而G055的平均晶粒尺寸为81 μm。在高温下所产生的奥氏体晶粒度大小，以及微观组织上的差异性对于控制焊接热影响区的性能，特别是韧性，具有非常重要的影响。与其他低Nb管线钢相比，Nb含量较高的X80钢相转变的差异性与其加热到1 300 ℃后拥有更细的奥氏体晶粒有关。

图9 2种管体母材在2 ℃/s速度下冷却后的微观组织对比

图10显示了不同冷却速率对G055和XY099 管体材料冲击韧性的影响。从图10中可以清楚地看到，冷却速率很大程度上影响了2种材料的韧性。其中，Nb含量较低的G055受到的影响更大，尤其是在低于12 ℃/s的冷却速率下。而XY099在3～50 ℃/s较大范围的冷却速率范围内都具有较高韧性。在焊接过程中，冷却速率大小一定程度上也对应焊接过程中的热输入量的大小。因此，冷却速率范围越大，说明在实际焊接过程中采用的热输入量范围也就越大，即Nb含量较高的XY099更适应不同的焊接方法和焊接工艺。

图10 两种管体母材冷却速率对其冲击韧性的影响

如上文所述，在焊接热模拟的过程中，从900 ℃开始，采用0.2～50 ℃/s范围的冷却速率将试样冷却至室温。这个模拟过程并不能完全代表环焊缝或埋弧焊缝在实际焊接过程中粗晶区的实际工况，因为非典型的模拟条件获得了非常高的韧性，在-20 ℃时甚至有韧性值几乎达到480 J，而实际的焊接接头粗晶区难以获得如此高于母材的冲击韧性。此外，对于焊接之后管线钢材料中固溶的铌含量的变化或析出还需要进一步研究。

通过SHCCT曲线还可以研究焊接粗晶区，即采用不同的热输入量来模拟不同的热循环过程。从SHCCT曲线中可以看出，更细的奥氏体晶粒尺寸促进铁素体以及针状铁素体组织的最终转变在比较高的温度下发生。虽然1 300 ℃的峰值温度已经足以在平衡态能够溶解所有铌的碳化物，但是较短的峰值温度停留时间不足以完成所有碳化铌的溶解，而剩余的析出相能够很好地控制奥氏体晶粒的长大。因此，高铌含量在高温下能够使碳化物更加稳定。奥氏体转变温度较高可能是由于奥氏体晶粒细化以及固溶的碳含量较低。

铌元素对防止焊接热影响区晶粒粗化的作用主要归因于细小的铌析出相，如图11所示[5-6]。在本研究中，铌含量较高的钢在峰值温度(1 300 ℃)下具有较细的奥氏体晶粒尺寸，这有助于在一定的冷却速率范围内获得更高且更加稳定的冲击韧性值，这一结果与CISRI、SZMF和UOW发表的研究结果一致[7-9]。这些研究比较了不同铌含量X80钢的性能，特别是对奥氏体晶粒尺寸的改善作用，能够在较大的焊接热输入和冷却速率范围内获得高韧性的焊接接头。

图11 铌含量和冷却速率对热影响区奥氏体晶粒细化的影响

图12为不同铌含量管线钢的冷却速率和冲击韧性的关系[9]。随着焊接热输入的增加，晶粒粗化的阻碍能力有增强趋势，从而在不同Δt8/5时间内保证了焊接热影响区的韧性基本一致。

图12 不同铌含量管线钢的冷却速率与冲击韧性的关系

4 结 论

1)国内典型化学成分的X80管线钢管均具有良好的性能，其管体性能及焊接性满足工程需要。同时，随着碳当量和碳含量的增加，制管焊缝的硬度有增加的趋势。

2)X80管线钢管环焊缝接头性能与坡口尺寸、焊接工艺参数等密切相关，采用合理的焊接工艺并控制焊接缺陷，能够获得较好的环焊缝接头性能。

3)铌含量较高的X80管线钢焊接热影响区在较大的冷却速率范围均具有较高的韧性，对不同的焊接方法和焊接工艺具有较好的适应性。

4)与铌含量低的管线钢相比，高铌X80管线钢的奥氏体转变温度较高，奥氏体晶粒更细小，有利于管线钢的性能和焊接粗晶区的韧性改善。