X80管線鋼螺旋埋弧焊管性能分析

李龍慶 ，李大東，王 艷

(1.西華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.攀枝花鋼鐵研究院，四川 攀枝花 617000）

0 前言

管道作為石油、天然氣的一種經(jīng)濟(jì)、安全、不間斷的長距離輸送方法得到了巨大的發(fā)展，同時(shí)隨著天然氣管線輸送壓力的提高，對管線鋼管的強(qiáng)度、韌性要求也隨之提高[1]。在西氣東輸二線管道工程中，中國首次大量應(yīng)用X80管線鋼，并且大多采用TMCP工藝制造，微合金元素以Mo為主，加入了少量的V、Ti、Nb等元素[2]，使管線鋼的強(qiáng)度得到提高。然而在管線鋼焊接過程中，熱循環(huán)使焊縫和熱影響區(qū)的組織性能發(fā)生很大的變化，主要是脆化和軟化，嚴(yán)重影響了焊接接頭的性能。本研究在焊接材料和工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，深入研究X80管線鋼螺旋鋼管的焊接接頭性能，為其在長輸入管道建設(shè)提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)鋼板為X80管線鋼，厚18.4mm，寬1550mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1和表2；螺旋焊管的焊接方法為自動雙絲埋弧焊，雙絲距離約100mm，前DC，后AC分布，焊接材料為BG-H06H1焊絲+BG101H1焊劑，采用雙面焊接，X形坡口，焊管尺寸內(nèi)徑1 219 mm，螺旋埋弧焊工藝為：內(nèi)焊1—DC，焊接電流1280A，電弧電壓34.7 V；內(nèi)焊2—AC，焊接電流440 A，電弧電壓37 V；外焊1—DC，焊接電流1 450 A，電弧電壓34.7 V；外焊2—AC，焊接電流440 A，電弧電壓35 V。

將焊接試樣按照GB/T 229-2007要求加工成10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口沖擊試樣，在RPSW-300型示波沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)利用光學(xué)顯微鏡（OM）觀察焊接接頭的焊縫、HAZ和沖擊斷口形貌，硬度試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)分別在HBV-30A型維氏硬度計(jì)和WE-60型液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 焊接接頭金相組織

由圖1可知，螺旋管道的焊接接頭包括內(nèi)、外焊縫及所重疊的區(qū)域，內(nèi)焊縫和外焊縫組織形態(tài)類似，都是呈柱狀晶和少量的等軸晶向熔合區(qū)延伸（見圖1b）。與熔合線不同的是，雖然熱影響區(qū)的區(qū)域很窄（見圖1a），但是對接頭沖擊性能有很大的影響，有研究表明，相對母材，單道焊的粗晶區(qū)韌性損失為20%～30%，而對多道焊的臨界粗晶區(qū)的韌性損失甚至可達(dá)60%[3]。

表1 X80管線鋼化學(xué)成分 %

表2 X80管線鋼的力學(xué)性能

圖1 實(shí)際焊縫區(qū)域分布

2.2 低溫沖擊試驗(yàn)

在焊接接頭的焊縫中間位置和距離熔合線0.5 mm、內(nèi)焊縫表面下2 mm處加工VHT沖擊試樣，并且在0℃、-20℃、-40℃下對試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊吸收功的平均值（受焊接熱量傳遞的影響，焊接熱影響區(qū)呈現(xiàn)一種不同區(qū)域組成的梯度組織，而且各個區(qū)域都非常狹窄，因此目前工程上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)所獲得熱影響區(qū)的沖擊韌度實(shí)際上是母材、焊縫和熱影響區(qū)性能的平均值[4]）如表3所示。與母材相比，焊縫和焊接熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性顯著下降，同時(shí)隨著溫度的下降，焊縫和焊接熱影響區(qū)的沖擊吸收功都隨之下降，并且在-40℃時(shí)下降比較明顯，其中HAZ在-40℃時(shí)沖擊韌性值很低，不宜在-40℃環(huán)境下服役，由于在焊接過程中受到熱循環(huán)的作用，焊接熱影響區(qū)的組織發(fā)生了很大變化，粗晶區(qū)的裂紋萌生功和裂紋擴(kuò)展功隨著溫度下降的幅度增大，導(dǎo)致低溫沖擊吸收功下降較快，同時(shí)也說明了此焊接接頭的韌脆轉(zhuǎn)變特征很顯著。

2.3 硬度分析

焊接接頭的硬度測試點(diǎn)位置和各個位置的硬度值分布如圖2、圖3所示?？梢钥闯鰞?nèi)焊接頭的硬度變化比較平緩，外焊接頭的硬度在焊縫近HAZ附近出現(xiàn)陡降現(xiàn)象，主要是由于焊接熱輸入的不穩(wěn)定性造成局部硬度值的變化，中間接頭處的硬度整體偏小，與母材相比，焊接HAZ的硬度均呈下降趨勢?？梢娫诤附訜嵫h(huán)的作用下晶粒粗大導(dǎo)致HAZ軟化，總的來說焊接接頭硬度值滿足X80高強(qiáng)度管線鋼焊接最大允許硬度275HV10的要求。

表3 焊縫和HAZ低溫沖擊吸收功

圖2 焊接接頭硬度測試點(diǎn)

圖3 焊接接頭硬度變化曲線

2.4 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)

在試件上取焊縫橫向面彎和背彎試樣在WE-60型液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，根據(jù)西氣東輸二線用螺旋焊管彎曲試驗(yàn)執(zhí)行《西氣東輸二線工程用螺旋埋弧焊管技術(shù)條件》，試樣的受試寬度為38.1±0.5mm，彎曲角度180°，彎心直徑110 mm，試樣厚度18.4mm，試驗(yàn)后試樣表面沒有產(chǎn)生明顯缺陷和裂紋，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說明此焊接工藝下的焊接接頭性能良好。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)制定的X80管線鋼螺旋埋弧焊工藝，對得到的焊接接頭進(jìn)行沖擊韌性、硬度和導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)，分析了焊縫和HAZ的性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）由于在-40℃的條件下進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)焊接熱影響區(qū)發(fā)生脆性斷裂，所以此工藝下得到的焊接接頭不宜在-40℃的環(huán)境下服役，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步改善和優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。

[1]王茂堂，何 瑩，王 麗，等.西氣東輸二線X80級管線鋼的開發(fā)和應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2009，39（5）：12-14.

[2]趙海宏.西氣東輸二線X80管線鋼焊接應(yīng)用技術(shù)[J].金屬加工，2012（4）：6-14.

[3]徐學(xué)利，辛希賢，智彥利，等.X80管線鋼焊接二次熱循環(huán)粗晶區(qū)的韌性和顯微組織研究[J].機(jī)械工程材料，2005，29（12）：49-52.

[4]熊慶人，高惠臨，霍春勇，等.X80管線鋼焊接熱影響區(qū)的韌性[J].機(jī)械工程材料，2007，31(4)：29-33.