X80管线钢焊接热影响区的韧性

第 31 卷 第 4 期 200 7 年 4 月 机 械 工 程 材 料 M a teria ls fo r M ee han ie a l E n g in e e rin g V o l . 3 1 N o . 4 Ap r . 20 0 7 X 8 0 管线钢焊接热影响区的韧性 熊庆人, . 高惠临2 , 扭春勇’ . 冯烟荣 , , 赵新伟 , (1 . 中国石油天然气集团公司管材研究所 , 石油管力学和环境行为重点实脸室 , 陕西西安 71 0 0 6 5 ; 2 . 西安石油大学研究生院 , 陕西西安 71 0 0 6 5) 摘 要 : 采用物理模拟技术以及显微分析方法对 X 80 管线钢管焊接热影响 区的组织性能变化 规律进行了研究 , 分析了焊接热影响区性能恶化的原因 , 寻找了焊接接头韧性最薄弱的区城 。 结果 表明 : 临界粗晶热影响区是 X 80 管线钢管焊接热影响 区韧性较差的脆化 区域 ; 当焊接二次热循环 峰值温度处于(a + y) 两相区时 , 形成的M-- A 组元的含童 、尺寸 、硬度较高 , 是引起 X 80 管线钢局部 脆化的主要组织因素 。 关健词 : X SO 管线钢 ; 冲击韧度 ; 热模拟试验 ; 临界粗晶热影响区 中圈分类号 : T G I13 . 1 文献标识码 : A 文章编号 : 100 0-- 3738 (200 7 )04刁02 9刃5 Th e HA Z TO u g hn es s o f X8 0 PIP elin e Ste el X 10 NG Qi n兮, , , G AO H公IinZ , HU O Ch , yo n梦, FEN G v , 阴扩, ZHA O 为, we 益, (1 . T h e K即 La bo r a to w fo r M ec h a n iea l a n d E n v ir o n m en t Be ha v io r o f T u b u la r Go o d s , T u b u lar G心o d s R e se a r eh Ce n t e r , CN PC , X i’a n 7 10 0 6 5 , Chin a ; 2 . X i, a n Pet r o leu m U n iv e r s ity , X i ’a n 7 10 0 6 5 , Chin a ) A bstra ct : T he s tru e tu re an d p ro pe rtie s o f HAZ o f Xs o pip e lin e s te elwe re stu died o n the ha s is o f p hy s ica l sirn u la t io n te ehn o lo g y a n d 而ero s tru e ture ana l邓15 m e thed . T he ca u se s o f H AZ to u g hn e s s w o rs e ni 呢 we re an a l邓e己 T he wo rs t w ea k e n e d zo n e in we ld wa s in diea ted . It 15 sho w tha t the eri tie a l co a r s e g ra in hea t affe e ted zo n e 15 the lo ca l bri ttle zo n e o f X8 0 H AZ wh ere the to u g hn e s s 15 re la tiv e ly Io w. W】le n the Pea k tem pe ra tu re o f the s eco n d the nna l e界le 15 in tha te m Pe ra tu re ra眼e o f tw 介Pha se zo n e (a + 丫) , the e o n te n t size an d ha rd n e ss o f M- A e o n s titu e n ts a re re la tiv e ly h电瓦 T ho s e a re the ma in fa e to rs re s u lti呀 in th e loca l b ri t tlen es s . K ey w o 找卜: X治。 p ipe hae st 司 ; 如钾c t to 呢hn eSS ; th e m . l s而』a ti on tes t; cri ti司~ 田翅n 腼t af fec t司 ~ 0 引 言 国产 X 70 管线钢管已成功应用于我国的西气 东输工程 , 推动了我国管线钢材料的发展 。 为适应 未来长输油气管线大口径 、高压输送的发展需要 , 有 关单位 已相继 研制 开发 出 了 X 80 高性 能管线 钢[l. 2」。 目前 , 通过微合金化 、超纯净冶炼和现代控 轧 、控冷技术 , X 80 管线钢的强韧性问题已基本得到 解决 。 然而 , 由于高钢级管线钢从成分设计到组织 状态相对于低钢级管线钢有较大差异 , 高性能管线 钢在焊接过程中出现的组织恶化和力学性能下降的 问题仍未得到很好的解决[s1 , 制约着 X 80 管线钢的 进一步应用 。 收稿日期 : Zo oe-0 3一2 9 ;修订日期 : 2 0 0 6刃7一28 作密简介 :熊庆人(1 9 6 9一 ) , 女 , 陕西西安人 , 高级工程师 , 硕士 . 管线钢的焊接热影响区是个在成分 、组织 、晶粒 度以及性能等方面均有较大差异的不均匀体闭 。 大 口径高强度螺旋焊管的制管焊接工艺一般采用埋弧 焊接 , 其特点是高的热输人量 , 且焊后不进行热处 理 , 这就不可避免地会产生焊接接头局部脆性区 , 造 成冲击韧度下降 。 由于强度的提高和合金元素含量 的增加 , 相对于低强度管线钢来说 , 高强度管线钢的 这一问题尤为突出 。 在进行 X 80 螺旋焊管热影响 区的冲击试验时 , 经常会发现在测试温度下 , 部分或 个别热影响区试样的冲击韧度值很低的现象 。 由于焊接接头的各个区域非常狭窄 , 研究其组 织性能非常困难 , 为此 ,作者采用物理模拟技术和显 微分析相结合的方法 , 对 X 80 管线钢焊接热影响区 的组织性能变化规律进行了研究 , 分析了焊接热影 响区性能恶化的原因 , 寻找了焊接接头韧性最薄弱 的区域 。 熊庆人 , 等 : X 80 管线钢焊接热影响区的韧性 1 试样制备与试验方法 试验原材料为 A 、 B 、C 三种 X 80 管线钢管 , 其 中A 、B 壁厚为 14 . 6 m m , C壁厚为 17 . 5 m m , 直径 均为 1 0 16 ~ 。 三种材料的化学成分见表 1 , 力学 性能见表 2 。 表 1 试验钢的化学成分《质, 分数/ % ) Ta b. I C饭”云。目 。. ”p 哈. t妇”ls of 奴如t Ina te ri山 《~ / % ) 材料 C SI M n P S C r M o N I Nb V T I Cu B 味 P二 A 0 . 0 7 l 0 . 2 3 l . 7 6 0 . 00 9 0 . 0 0 3 3 0 . 0 2 0 . 3 3 0 . 3 4 0 . 0 5 4 0 . 0 0 4 0 . 0 2 4 0 . 0 l 0 . 0 0 l 6 0 . 4 5 8 0 . 2 0 4 B 0 . 0 6 5 0 . 2 4 1 . 8 5 0 . 0 ll 0 . 0 0 2 8 0 . 0 2 2 0 . 3 4 0 . 3 8 0 . 0 5 7 0 . 0 0 5 0 . 0 24 0 . 0 l 0 . 0 0 0 6 0 . 4 7 0 0 . 2 00 C 0 . 0 5 2 0 . 2 6 l . 7 6 0 . 0 1 2 0 . 00 2 8 0 . 0 23 0 . 2 9 0 . 2 8 0 . 0 56 0 . 0 0 4 O . 0 l6 0 . 17 0 . 0 0 l 5 0 . 4 3 9 0 . 1 90 注 :兔为碳当量 , 尸二为冷裂纹系数. 表 2 试验钢的力学性能 Ta 阮Z M奴山明i因 脚闻p er 6 留 of t触 妇, t . 奴犷ials 拉伸性能 冲击性能(一 20 ℃) 焊缝中心切口位置 一 、 热影响区切口位里 S^服A/J材料 几 咖 . 5 占 / N于日 /MPa / % 3 6 . 0 3 3 . 0 3 7 . 4 / 几 0 . 8 4 0 . 74 0 . 7 8 2 6 7 10 0 3 1 5 10 0 1 8 0 10 0 卜卜卜卜lllKKK 门厂厂IIIlllllllllllll、、月O八巴晚j00一bUO巴J哎Ji勺j.且通认.,‘八U内匕民」脚了内了弓fACB A 、 B 、 C 三种钢管均为螺旋缝埋弧焊管 (内焊 、 外焊焊接线能量为 20 ~ 25 U / cm , 焊速为 1 . 2一1 . 4 m / m in ) ,在其热影响区取样 , 试样尺寸均为 10 m m x lo m m x 55 ~ , 冲击试样缺 口位置见图 1 , 在 Ti ni u s o lsen b 试验机上进行系列温度夏比冲击 试验 。 为了了解焊管热影响区不同部位的冲击韧度 , 沿着热影响区的不同位置开缺口 。 缺 口位置见图 2 , 图中 1/ 2 表示缺口位于壁厚 1/ 2 与熔合线的交点 处 , 1/ 4 表示缺口位于壁厚 1/ 4 与外焊道熔合线的 交点处 , 上熔合线表示缺口位于外焊道熔合线与试 样表面的交点处 , 下熔合线表示缺口位于内焊道熔 合线与试样表面的交点处 , 上熔合线 + l + 2 + 3十 4 + 5 表示缺口分别位于距外焊道熔合线与试样表面 交点 lrnm , 2 m m , 3 m m , 4 m m , 5 m m 处 。 试验温 度为一20 ℃ 。 对 A 焊管取焊缝横截面试样 , 用 M EF4 M 型光 学显微镜观察其热影响区显微组织 。 圈 1 热影晌区X 比冲击试样的缺口位I F够 I Q 巨几理 举 . 角由 脚川目砚 上熔合线 上熔合线+ l+ 2 + 3+ 4 + 5 卜卜卜十十}!l⋯⋯⋯ 下熔合线 圈 2 试样 V 型缺口的位工 价9 Z V- 佃奴如 p树t协旧 加 HA Z ... ’. 勺勺 主主主 ..... ..... 一 AAA二二二 . BBB‘‘‘ . CCC一一一一今今今今(X) 一 8 0 一 6 0 一 4 0 一 2 0 0 2 0 4 0沮度 / 七 0080604020 0--l米、s彩阿尽称 2 试验结果 2 . 1 冲击试验 图 3 为三种焊管热影响区的系列温度夏比冲击 试验的结果 。 可见 , 在进行夏比冲击试验时 , 热影响 区的冲击功波动较大 , 尤以一 20 一一 80 ℃之间为严 重 , 例如 , 当试验温度为一 20 ℃时 , 冲击功 A 由33 ) 变化到30 4 ) , 相应地 , 剪切面积(S A )的变化范围在 · 3 0 · ::: _ , : : 二二下下 冬 二二 ... 盛 ... 三三 . : , 曰曰 111洲洲 ;;; , ’ 目目 沮度/ ℃ 圈 3 热影晌区的冲击栩度 F够 3 灿帅d tOU 沙目翔 健 】刃AZ 3 0 %一 1 0 0%之间 。 这种分散性说明热影响区可能 存在脆性区域 , 当 V 型缺口处于这一区域时 , 就会 熊庆人 , 等 : X 80 管线钢焊接热影响区的韧性 表现出较低的韧性水平。 图 4 为 V 型缺口位于焊管热影响区不同位置 时的试验结果 。 可见 , 三种材料中韧性最低值出现 的位置不尽相同 , 但均在热影响区从 1/ 2 到上熔合 线之间 。 在实际取样过程中 , 热影响区试样 V 型缺 口的位置是固定的 , 例如缺口开在图 1 所示的位置 , 当它处于韧性最差处时 , 得到的冲击功就较低 , 因此 在同一组的 3 个试样当中 , 就有可能出现夏比冲击 功值波动较大的情况 。 现有技术条件(例如西气东 输工程螺旋缝埋弧焊管技术条件)通过规定热影响 区夏比冲击试样的缺口位置 , 期望能够反映焊缝热 影响区韧性的真实情况 , 以便通过改进材料和优化 焊接工艺参数 , 减小冲击功的分散性 。 但实际上由 于焊接热量传递的影响 , 焊接热影响区呈现一种不 同区域组成的梯度组织 , 而且各个区域都非常狭 窄[’] , 因此 目前工程上进行冲击试验所获得热影响 区的冲击韧度 , 实际上是母材 、焊缝和热影响区性能 的平均值。 圈 5 材料 A 的热影晌区显橄组织 Fig 5 Mio 代”tru Ct 眠 o r H AZ 加 口. 扭d 目 A (a) 粗大一较 产产一‘ 一一... ‘ 么么气气‘ r 成;声卜下、乏乏气气 " / ///全全兰习习习习习习习习习习习习习习习习习习习习习习习‘‘ 丫 !~ AAAAAlll , 门奋se RRRRR匕匕泣泣泣 oooo IJ,工 1/ 2 下熔 熔+1 熔+3 熔 十5 仔4 上熔 熔十 2 熔十4 圈 4 热影晌区不同位工的硬比冲击试脸结果 n g 4 r 比t心ul ts 戒th V- no tCb a * 山ffe 彻t l扣s ition‘ in HAZ 2 . 2 组织分析 由图 5 可见 , A 焊管热影响区的显微组织为粒 状贝氏体 。 但在外焊道熔合线附近 , 靠近内焊道处 的局部区域的组织与图 5 不同(见图 6) , 晶粒较为 粗大 , 而且有的区域在晶粒边界形成了马氏体一奥氏 体(M- A )岛状组织 。 可见 , 外焊道熔合线附近的局 部热影响区出现了晶粒粗化的现象(图 6a) , 这使其 韧性降低 ; 而且在有的区域还形成了M- A 组元沿晶 粒边界分布的“项链 ”状结构 (图 6b) , 这种结构会使 热影响区的韧性更为恶化 。 当夏比冲击试样的缺口 处于这一区域时 , 该试样的冲击功就最低 。 3 热模拟试验 前面分析了实物钢管热影响区的冲击韧度及热 影响区的组织 , 为了搞清 X 80 管线钢管热影响区不 同区域的韧性分布 , 寻找焊接接头的最薄弱位置及 (b) “项链”状组叔 圈‘ 材料 A 外焊道附近 . 近内娜道的皿橄组织 价9 6 Mia 戊活tru d u re o f l伙川 】U 区 加 . . 扭d aI A 《a 】 ~ , ‘” 《b )搜d 如。卜 .触 的门d . 陀 其产生的原因 , 采用建立在焊接传热学和物理冶金 基础上的物理模拟技术进行试验分析。 3 . 1 焊接热影响区不同区域的韧性分布 管线钢在焊接热过程中所形成的热影响区见图 71 5〕。 可见 , 由于焊接热量传递的影响 , 焊接热影响 区呈现一种梯度组织 。 为获取热影响区中经历不同 峰值温度的不同区域的组织和性能 , 采用图 8 的热 模拟曲线 , 在 G lee bl e 1 500 型热模拟机上进行热模 拟试验 , 试样尺寸 1 1 m m X 1 1 m m X 5 5 rnrn 。 X 8 0 钢焊接热影响区不同区域的韧性变化规律见图 9 (试验温度为 20 ℃ ) 。 图 9 表明 , 当焊接加热温度超过 95 0 ℃时 , X 80 钢热影响区的韧性开始降低 , 一旦焊接加热温度达 到 1 30 0 ℃ , 进人粗晶热影响区时 , 则韧性最差 , 成 · 31 · 熊庆人 , 等 : X 80 管线钢焊接热影响区的韧性 100 一 1 50 叱(粗晶区) 8 5卜 1 l0() 七(细晶区) 7 50 ~ 8 5 0七(临界区) 500 一 75 叱(亚临界区) 圈 7 , 线钥热影晌区示t F够 7 公出目. t, ti. . 01 IIAZ 加 pi州旅 s吮. 《a) 光学显徽愧下的组织 1 20 0 00oo O八月呀口、侧砚 0 50 l0() 1 50 2 0 0 时间/ m in 圈 8 热影晌区不同区城热循环曲挂 F够 8 们比m 目 口d e a . , e or ea dl . 六, 加 班U区 (川 电子显徽, 下的组叙 圈 10 粗晶热影晌区的组级形魏 价吞 1 0 树c刊滋门c t . 陀 o f CG ll冉Z (a) o Pt i回而。”成ruc t眠 《b) 冗M 而。侧由m d 眠 ‹、俘伯几妇国 母材 50() 6 5 0 8 00 9 50 1 10() 1 2 50 峰值温度/ 七 x8 0 栩择接热影晌区不同区城栩性分布规体 F够 , 1加沙~ d 坛td b u t加. 加 . U记 of X 8 0 为热影响区的韧性低谷 。 试验结果表明 , 950 ℃以 下的焊接热过程对材料的韧性没有大的损害 。 粗晶热影响区性能降低的主要原因是晶粒的长 大 。 经测量 ,不同区域的晶粒尺寸差异很大 , 粗晶热 影响区的晶粒度已接近 5 级 , 因而其韧性损伤最为 严重 。 粗晶热影响区性能恶化的另一原因归结于组 织形态的变化 。 焊接热影响区中不同峰值温度的差 异 ,使热影响区中不同区域形成的组织各异 。 金相 分析表明 , 处于粗晶热影响区临界温度 ( 1 100 ℃ ) 上 、下的组织出现十分明显的差异 ;在焊接热过程高 温阶段形成的粗晶区中 , 由于晶粒粗大 , 使得奥氏体 转变的稳定性增加及非平衡的低温转变产物增多 , 因而在该区中可 以观察到少量上 贝氏体 (图 1 0 ) 。 由于上贝氏体条间的碳化物易于萌生裂纹或成为裂 纹扩展的通道 , 致使热影响区的韧性降低。 3 . 2 焊接二次热循环峰值温度对组织 、性能的影响 由于在实际制管中要实施双面焊 , 在现场对接 时要实施多道焊 , 也即焊接接头的部分组织性能是 二次热循环的结果 , 因此 , 通过热模拟试验来研究二 次热循环峰值温度对组织性能的影响。 钢管双面焊所形成的热影响区见图 n [6] 。 为 模拟这种热影响区组织 , 采用图 12 的热模拟曲线。 不同二次峰值温度下的韧性变化规律见图 13( 夏比 冲击试验温度为 20 ℃ ) 。 第一焊道 一 0() 一 1 50() 七(粗晶区) 口 8 5 0一 l 一以宪(细晶区) A 一未变粗晶热影晌区 B 一过临界粗晶热影响区 C 一临界粗晶热影响区 D 一亚临界粗晶热影响区 曰 7 5 0一5 5 0七(临界区) 圈 500 一 75 沈(亚临界区 ) 圈 11 , 钱俐多通裸热影晌区示工 F哈 n II A Z a肠er m ul 肠一脚. , d日 or 禅州映 成倪 . 上述试验结果表明 , 当二次热循环峰值温度在 (a + 刃两相区范围时 ( 约 800 ℃ ) , 材料的韧性最 低 ,表现为临界粗晶区局部脆化 。 X so 管线钢 B 的粗晶热影响区和临界粗晶热 影响区的显微组织见图 14 。 可见 , 对一次粗晶热影 响区在 (a + 刃两相区 ( 8 0 0 ℃ )焊接二次热循环加热 熊庆人 , 等 : X 80 管线钢焊接热影响区的韧性 n八曰00n八“nU,‘吕月崎 口、侧呢 时间/ m in 圈 12 二次热循环热模拟曲线 n g 12 仆. , . 1 sim lll a ti飞 e . r , e o f Se c。川加口 t恤们m目 Cy e le 《a) 粗晶热影晌区 ‘随馒窿喃随Œn”0CUOn0CO4内j,山-f、俘拍t妇侧 6 0 0 8 00 1 0 0 0 二次峰值温度/ 七 圈 13 二次热循环峰值盆度与韧性的关系 Fig 13 To 昭如哪 v甲址 te m 讲. tu 比 。f , 沈”目 the n l. l Cy cle 后 , 临界粗晶热影响区的组织形态发生了较大的变 化。 由于粗晶热影响区晶粒粗大 , 为M-- A 组元的形 成提供了热力学条件 , 因而 M 一A 组元优先在原奥氏 体晶界形成 , 在组织形态上表现为M- A 组元分布在 原奥氏体边界的“项链”结构。 这与对焊管热影响区 熔合区的金相分析结果一致 ( 图 6 ) 。 对 协A 组元 的含量和平均弦长进行定量测定结果见表 3 。 可 以 发现 , 在临界粗晶热影响区中 , M- A 组元的含量和 平均弦长比粗晶区中的都大 。 同时 , 由于在 (a + 们 两相区中 a 的形成过程是一个向外排碳的过程 , 因 而使得富碳的 丫在随后的冷却过程中形成的膝A 有更高的含碳量和硬度 (表 3 ) 。 这就导致焊接二次 热循环过程中的临界热影响区韧性更低 。 可见 , 进 行夏比冲击试验时 , 冲击韧度的波动与存在临界粗 晶热影响区相联系 。 当夏比冲击试样缺口位置穿过 该区域时 , 即显示出较低的冲击功 。 《b) 临界粗晶热影晌区 圈 14 试验钢 B 的显徽组织 Fi容 14 M 让八”trU d 眼 or . . te d 目 B ( a ) C G H AZ ‘b ) m CG HAZ 表 3 T a阮3 区域 B 材料中祷A 组元的含t 和尺寸 ( 劝n te n t 明d size 成 加卜A 玩 口. 触d 目 粗晶热影响区 临界粗晶热影响区 81217.3.3222113.2.29体积分数/ % 平均弦长/ 拜m 显微维氏硬度/ H V ( 4) 在双面焊中 , 当焊接二次热循环峰值温度 处于 (a + y) 两相区时 , X 80 管线钢表现为局部脆化 。 此时形成的M- A 组元的含量 、尺寸、硬度较高 , 是引 起局部脆化的的主要组织因素。 参考文献 : 高 珊 , 郑 磊 . 宝钢 X 80 管线钢热轧板卷的研制【C〕刀郑O 钢 级管线钢国际技术研讨会会议文集 . 北京 : 2 0 04 . 孔君华, 郑琳 , 郭 斌 , 等 . 武钢 X 80 热轧厚板卷的研制与生产 〔叨 / / X 80 钢级管线钢国际技术研讨会会议文集. 北京 : 200 4. 张 敏 , 姚成武 , 聂斌英 . X 80 管线钢埋弧焊接头性能分析〔J〕. 焊接学报 , 20 0 5 ( 9 ) : x g一 22 . 辛希贤 . 管线钢的焊接【M」. 西安 ; 陕西科技出版社 , 19 9 7. K e nj i O h” , Jo 昭seo p K im , K e n ie h YO k o ya m 已 M ie ro s t ru e- t u re s r e !e va n t t o br it t !e fra e t u re in it ia t io n a t t he he a t 一a ffe e t ed zo n e o fwe ldm en t o f a lo w ca rbo n , t ee l[ J] . M e tal T rans , 19 9 6 . 2 7A (6 ) : 2 5 7 4 一 2 5 8 1 . 余大涛 , 李 岩 , 高惠临. X“ 管线钢二次焊接热循环大局部脆 化〔J〕. 焊管 , 2 0 0 1 ( 5 ) : 1 1一 1 6 . , l一一IJ, .J,Jes, l曰,三口‘,J孟斗‘J厂月Œ”LIllL一!Œ尸月L 4 结 论 ( 1) X so 管线钢管在焊接热影响区存在韧性较 差的脆化区域 , 其原因是形成了临界粗晶热影响区 。 (2 ) 一次加热所形成的粗晶热影响区在二次热 循环后形成的临界粗晶热影响区是 X 80 管线钢管 热影响区韧性损伤最严重的部位 。 (3 ) 粗晶热影响区性能恶化的主要原因是高温 引起的晶粒长大。 由于晶粒粗大而引起的非平衡低 温转变产物的增多也是引起性能恶化的主要因素 。