焊接热输入对CMT打底焊接头组织与性能的影响

孙有辉，刘永贞，栾陈杰，杨晓飞，李子轩，毕晓健

海洋石油工程股份有限公司 天津 300452

1 序言

钢质悬链线立管（SCR）由标准长度的焊接钢管制造而成，凭借其低成本和适应高温高压介质环境的特点成为深海石油资源运输的首选结构[1]。然而，作为SCR的最薄弱环节，立管的焊接接头中易出现较大的应力集中、残余应力，以及微观组织不均匀等缺陷，使管线钢焊接接头成为了最易失效的位置。

应力腐蚀开裂（SCC）是指油气运输管道在使用过程中，管道内外腐蚀介质与拉应力相互作用所产生的腐蚀或断裂问题[2]。当前越来越多的油气资源中含有H2S气体，一般来说H2S气体没有很强的腐蚀性，但其极易溶于水中形成酸性溶液，造成管线应力腐蚀开裂（SSCC）[3]。管道一旦发生应力腐蚀开裂，就会导致油气泄漏并造成严重的人员伤亡。目前，X65管线钢是我国酸性环境中使用的主要管材，其凭借良好的抗变形性与韧性在海底石油天然气运输中得到了广泛应用。有关研究表明[4]，焊接接头的粗晶热影响区（CGHAZ）是焊接接头最薄弱的区域，且CGHAZ的硬度偏大、应力腐蚀敏感性偏高，极易导致应力腐蚀开裂，而焊接热输入对焊接粗晶区的组织形貌及性能有很大影响。

冷金属过渡（CMT）采用自动焊丝回抽技术，熔滴过渡形式如图1所示，具有热输入小、电弧控制稳定和焊接效率高等特点，有学者提出采用CMT打底焊的方法对管道进行焊接，能够显著改善接头的成形质量，得到良好的焊接效果[5]。另有研究表明，CMT打底焊可以通过降低根部应力集中、改善微观组织结构的方式提高焊接接头的疲劳性能，但由于CMT热输入较低，所以夹杂物在焊接过程中不能及时析出，这导致了焊接接头打底层有着更高的硬度，也意味着CMT打底焊接头更容易发生硫化氢应力腐蚀开裂行为。

图1 CMT工艺熔滴过渡形式[5]

本文通过提高CMT打底焊的热输入，对不同热输入的焊接试样进行组织观察、硬度检测、硫化氢应力腐蚀开裂试验，探究CMT打底焊接头的失效机理，为制定合格的焊接工艺提供可靠依据。

2 试验方案

2.1 焊接工艺

本试验选用API X65管线钢，主要成分见表1，其屈服强度为501MPa，抗拉强度为588MPa，伸长率为30%。CMT打底焊焊接参数见表2。

表1 X65母材的主要化学成分（质量分数） （%）

表2 CMT打底焊焊接参数

2.2 微观组织观察

对不同焊接热输入打底焊试样的焊缝和CGHAZ进行微观组织观察。首先依次用粒度为240～2000目的砂纸将试样打磨平整，之后将试样在与划痕垂直的方向上抛光至镜面。抛光结束后用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，将试样组织显现出来，最后用ZEISS光学金相显微镜对5种热输入试样的焊缝、热影响区等部位进行金相观察。

2.3 硬度检测

通过HV-10CCD显微硬度计对试样的热影响区、焊缝等区域进行硬度检测，试验力定为98kgf（1kgf＝9.8N），试验力保持时间为15s。硬度检测位置如图2所示。

图2 硬度检测位置

2.4 硫化氢应力腐蚀开裂测试

按NACE TM 0177—2016《金属在H2S 环境中耐硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的实验室测试标准试验方法》进行硫化物应力开裂试验，试验溶液选用NACE TM0177—2016中Solution A规定的5%氯化钠＋0.5%冰乙酸水溶液；设置试验温度为24℃；试验周期为720h；试样种类选用GB/T 4157—2017《金属在硫化氢环境中抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂的实验室试验方法》推荐的4点弯曲（FPB）试件，其形状及尺寸如图3所示。

图3 4点弯曲（FPB）试件形状及尺寸

3 结果与分析

3.1 微观组织分析

常规热输入打底焊试样的焊缝与CGHAZ显微组织如图4所示。由4图可知，CMT打底焊缝的主要组织为粗大的先共析铁素体包裹着细小的准多边形铁素体（QF）和针状铁素体（AF）。准多边形铁素体具有较高的位错密度和亚结构，因此有较好的强度，同时具有优异的塑性变形能力；针状铁素体有大量高密度位错，对氢脆有抑制作用，即可以降低材料的应力腐蚀敏感性。而CGHAZ的主要组织为粒状贝氏体、板条贝氏体、M-A组元，粗大的粒状贝氏体和板条贝氏体会增加材料的硬度和氢脆倾向，而M-A组元的存在会使材料的强度增加、韧性下降，且会提高材料的脆性和应力腐蚀敏感性。此外，M-A组元的存在容易产生应力集中的情况，从而成为潜在的裂纹源，对裂纹的萌生和发展有着促进作用，因此常规热输入下的CGHAZ具有较高的硫化氢应力腐蚀敏感性。

图4 常规热输入打底焊试样的焊缝与CGHAZ显微组织

大热输入打底焊试样焊缝与CGHAZ显微组织如图5所示。由图5可知，大热输入下的焊缝组织与常规热输入下的焊缝组织相似，同样由粗大的先共析铁素体包裹着细小的准多边形铁素体和针状铁素体组成，因此有着良好的抗硫化氢应力腐蚀开裂能力。而CGHAZ组织示意图中的贝氏体含量明显减少、铁素体含量明显增多，这意味着相较于常规热输入下的CGHAZ组织，大热输入下的CGHAZ组织有着更好的抗硫化氢应力腐蚀开裂能力。

图5 大热输入打底焊试样焊缝与CGHAZ显微组织

3.2 硬度检测结果分析

对5种工艺按照图2进行硬度检测，结果见表3。硬度分布如图6所示。NACE MR0175/ISO15156：2009《石油和天然气工业——用于石油和天然气生产中含硫化氢环境的材料》规定，在酸性硫化氢环境中的金属硬度应＜248HV10，由此可判断热影响区的硬度是否符合要求。由表3可知，大热输入下两种打底试样硬度均满足标准规定，但3种常规热输入下的打底试样硬度均不满足要求。这是因为常规热输入焊接接头的CGHAZ区域主要组织为贝氏体，而贝氏体的硬度高于铁素体，这也导致了常规热输入打底试样的高SSC敏感性。

表3 硬度检测结果 （HV10）

图6 各工艺下的显微硬度分布

3.3 抗硫化氢应力腐蚀测试结果

分别对3组常规热输入试样和2组大热输入试样进行抗硫化氢应力腐蚀测试，结果如图7所示。由图7可知， 3组常规热输入试样几乎全部断裂，断裂位置大部分位于CGHAZ，这是因为该部位微观组织主要为贝氏体和M-A组元，贝氏体容易捕获氢并在外加应力的情况下导致氢脆失效，而M-A组元的存在容易产生应力集中的情况，从而成为潜在的裂纹源，对裂纹的萌生和扩展有一定的促进作用。此外，在图7a中可观察到不同程度的腐蚀坑，证明X65的H2S应力腐蚀失效是阳极溶解和氢脆共同作用的结果。而两组大热输入试样基本未断裂，证明大输入焊接接头有更强的抗硫化氢应力腐蚀开裂能力。

4 结束语

通过对常规热输入的3组打底焊试样和大热输入的2组打底焊试样进行微观组织分析、硬度检测、硫化氢应力腐蚀试验，得到如下结论。

1）常规热输入下的CMT打底焊CGHAZ组织主要为粒状贝氏体、板条贝氏体和M-A组元，有较高硬度和应力腐蚀敏感性。

2）大热输入模式下的CMT打底焊CGHAZ组织主要为铁素体和贝氏体，且相较于常规模式，大热输入模式下CGHAZ铁素体含量明显升高、贝氏体含量明显降低。

3）贝氏体的存在会使组织硬度升高，抗硫化氢应力腐蚀开裂能力变差。

4）相较于CGHAZ，焊缝的微观组织（AF、QF）有很强的抗硫化氢开裂能力，因此硫化氢应力腐蚀测试通常断裂于CGHAZ处。

5）增大CMT打底焊热输入有助于协调组织，降低焊接接头的应力腐蚀敏感性。

6）X65焊接接头的硫化氢应力腐蚀失效是阳极溶解和氢脆共同作用的结果。