X80管线钢焊接局部脆化区断裂韧性的研究 (1)
X80管线钢焊接局部脆化区断裂韧性的研究
余大涛1 董玉华 2 李为卫1 冯耀荣1
（1# 中国石油天然气集团公司石油管材研究所， 710065； 2 # 中国石油大学（北京）， 102249）
摘要 采用焊接热模拟方法和现代物理测试技术研究了管线钢焊接热影响区的韧性变化规律。结果表明，单道焊中（CGHAZ）是热影响区中韧性最薄弱的环节。粗晶区的韧性随着焊接热输入的加大而下降。引起这种局部脆化的主要原因是晶粒粗化和组织恶化。
关键词: 管线钢 热影响区 粗晶区 晶粒 组织
0 序言
为适应长输油气管线大口径、高压输送的发展需要，X80高性能管线钢的研制和开发正日益受到重视，我国正在拟建X80钢级的管线。目前，通过微合金化，超纯净冶炼和现代控轧、控冷技术，冶金部门已可提供具有足够强韧性的管线钢板卷。然而，这种高性能管线钢在焊接过程中组织恶化和性能损伤的问题仍未很好地解决，这是高性能管线钢研究开发和应用中一个需要深入研究的问题。本文采用物理模拟技术，工程测试手段和显微分析方法，对高性能X80管线钢在焊接热过程中的性能特征和组织变化规律进行了较系统的研究。
1 试验材料
试验材料为X80管线钢，板厚14.6mm。X80管线钢的化学成分如表1，常规力学性能如表2。
表1 试验用X80管线钢的化学成分 （wt%）
C
Si
Mn
P
S
Nb
V
Ti
Cr
Mo
Ni
Cu
Al
B
0.065
0.24
1.85
0.011
0.0028
0.057
0.005
0.024
0.022
0.34
0.38
0.01
/
0.0006
表2 试验钢常规力学性能
s0.5 (MPa)
sb (MPa)
δ(%)
s0.5/sb
567
739
33.0
0.77
2 焊接热模拟试验
工程上管线钢热影响区冲击试验所获得的韧性值，实际上是母材、焊缝和热影响区性能的平均值，并未反映热影响区的真实情况。欲了解热影响区韧性的真实分布，寻求焊接接头的最薄弱部位，建立焊接工艺参数与组织性能间的关系，应采用建立在焊接传热学和物理冶金学基础上的数学模拟和物理模拟技术[1-3]。
管线钢在焊接热过程中所形成的热影响区如图1所示[1]。可见，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。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，采用的热模拟参数如表3所示。为了模拟粗晶区在不同规范下的组织性能，采用的参数如表4所示。热模拟试验在Gleeble 1500热模拟机进行。试样尺寸为10＇10＇55mm。
1100－1500℃（CGHAZ）
850－1100℃（FGHAZ）
750－850℃（ICHAZ）
500－750℃（SCHAZ）
焊缝
母材
图1 管线钢HAZ示意图
表3 不同峰值温度的焊接热模拟参数
E(KJ/cm)
加热速度（℃/s）
t8/5（s）
峰值温度（℃）
20
130
20
1300,1100,950,
850,650
表4 CGHAZ焊接热模拟的参数
加热速度
（℃/s）
峰值温度
（℃）
t8/5
（s）
层间温度
（℃）
130
1300
3，5，10，20，
40，70，100
200
冲击试验在TINIUS OLSEN试验机上进行。采用10＇10＇55 Charpy试样。试样位于板厚中部（沿板厚方向两侧加工）沿板材横向取样，缺口沿板厚方向，试验温度为-20℃。
3 试验结果
3.1焊接热影响区不同区域的韧性分布
X80焊接HAZ不同区域的冲击试验结果如图2所示。
图2 X80焊接HAZ不同区域韧性分布规律
上述试验结果表明，当焊接加热温度超过1100℃时，X80热影响区的韧性开始降低。一旦焊接加热温度达到1300℃，进入粗晶热影响区（CGHAZ）时，则韧性最差，成为热影响区的韧性谷区。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（CGHAZ）性能降低的主要原因是晶粒的长大。粗晶热影响区（CGHAZ）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（CGHAZ）性能恶化的另一原因归结于组织形态的变化[2-3]。焊接热影响区中不同峰值温度的差异，使HAZ中不同区域形成的组织各异。处于CGHAZ临界温度（1100℃）上、下的组织出现十分明显的差异。分析表明，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和非平衡的低温转变产物增多，因而在CGHAZ中可以观察到少量上贝氏体。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，致使材料的韧性降低。
3.2焊接规范对粗晶区组织性能的影响
为了提出试验钢X80优化的焊接工艺参数，重点研究了焊接热输入对粗晶热影响区（HGHAZ）组织和性能的影响。
试验钢X80模拟粗晶热影响区（CGHAZ）夏比冲击韧性的变化规律如图3。上述试验结果表明，当焊接热输入E为20 KJ/cm时，CGHAZ可获得最佳韧性水平。因此，E=20 KJ/cm可作为试验钢X80制管埋弧焊的推荐焊接规范。当焊接热输入E为10-15 KJ/cm时，试验钢X80仍有足够的韧性水平。因此，E=10 KJ/cm可作为试验钢X80钢管现场环焊的推荐焊接规范。值得注意的是，该X80不适宜用于大规范的焊接施工。当焊接热输入超过40 KJ/cm时，其韧性已严重恶化。
图3. 不同焊接规范下CGHAZ韧性的变化规律
