超高強(qiáng)度X100管線(xiàn)鋼埋弧焊焊絲研制*

畢宗岳， 牛 輝，溫寶京， 趙紅波，徐紅莊， 劉剛偉

（1.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008；2.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008）

X100管線(xiàn)鋼是當(dāng)今世界超高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼，也是國(guó)內(nèi)外管線(xiàn)鋼開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)之一，超高鋼級(jí)鋼管的應(yīng)用可顯著降低長(zhǎng)距離油氣輸送管線(xiàn)建設(shè)的總成本。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在高強(qiáng)度管線(xiàn)鋼研制方面投入了大量的資金和人力，并計(jì)劃進(jìn)行試驗(yàn)段建設(shè)。根據(jù)X100管線(xiàn)鋼標(biāo)準(zhǔn)要求，X100焊縫的抗拉性能至少要達(dá)到760 MPa以上，且在較高的焊接速度下，對(duì)焊縫和熱影響區(qū)的低溫韌性提出了較高要求。僅僅依靠普通合金焊絲焊接，已不能滿(mǎn)足X100焊縫預(yù)期的要求，因此，研究開(kāi)發(fā)出相配套的X100焊絲，必將為國(guó)產(chǎn)化X100焊管批量生產(chǎn)應(yīng)用提供重要的技術(shù)支撐。

1 焊絲合金體系的確定

根據(jù)API SPEC 5L和BG/T 12470—2003要求，所開(kāi)發(fā)的X100焊絲應(yīng)具備以下性能：①焊絲加工性能良好；②采用1.5 m/min以上焊速進(jìn)行平焊或螺旋焊接后，焊縫外觀形貌良好，焊道表面光亮、平整；③在匹配相應(yīng)的焊劑焊接后，焊縫抗拉強(qiáng)度760 MPa以上，焊縫沖擊韌性值80 J以上；焊縫熔敷金屬760 MPa以上，屈服強(qiáng)度在690 MPa以上，-40℃沖擊功在27 J以上。

綜合以上要求，為了能夠適應(yīng)高焊速、大線(xiàn)能量焊接，保證焊縫具有較高的強(qiáng)韌性，應(yīng)當(dāng)降低顯著影響沖擊韌性C，Si，P和S等有害元素含量，并嚴(yán)格控制能引起焊縫金屬的碳當(dāng)量Ceq、淬硬傾向及裂紋敏感系數(shù)Pcm增加的Ti，Cr和Cu等合金元素的含量；同時(shí)，提高M(jìn)n，Ni和Mo等脆化矢量較小的元素，以獲得可提高強(qiáng)韌性的針狀鐵素體及粒狀貝氏體組織；適量添加Ti和B等微合金元素產(chǎn)生有效夾雜物形核質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)晶內(nèi)的針狀鐵素體的形成，以控制針狀鐵素體和粒狀貝氏體的組成相比例。根據(jù)以上確定Mn-Ni-Mo-Ti-B作為X100焊絲合金系。

2 焊絲成分設(shè)計(jì)

2.1 C

C是焊縫金屬中最重要的合金元素，它作為一種間隙固溶強(qiáng)化元素，常通過(guò)基體點(diǎn)陣畸變而易于使基體產(chǎn)生微裂紋和擴(kuò)展，并致使焊縫金屬?zèng)_擊韌性大幅度下降。另外，C含量的增加還會(huì)引起AF比例的增加，先共析鐵素體的數(shù)量減少。因此，w（C）應(yīng)限制在0.05%～0.10%之間。

2.2 Mn

Mn在焊縫中的含量對(duì)焊縫金屬的力學(xué)性能有很大的影響，它通常作為固溶強(qiáng)化基體，可有效地提高焊縫強(qiáng)度。由于管線(xiàn)鋼中對(duì)C含量的嚴(yán)格控制使得焊縫強(qiáng)度稍顯不足，所以應(yīng)相應(yīng)的提高M(jìn)n含量來(lái)彌補(bǔ)強(qiáng)度。又由于焊接過(guò)程中常采用低Mn焊劑，焊縫中的Mn會(huì)發(fā)生燒損。因此，焊絲中含量應(yīng)當(dāng)稍比母材高一些，即w（Mn）應(yīng)限制在1.8%～2.0%。

2.3 Si

Si在焊縫金屬中主要起脫氧作用，尤其當(dāng)Mn和Si同時(shí)存在時(shí)，對(duì)焊縫金屬組織和性能都有較大的影響，在進(jìn)行管線(xiàn)鋼焊接時(shí)，為了達(dá)到一定的工藝性能所配套焊劑中常采用高含量的SiO2，極易引起焊縫中硅含量增加，而影響焊縫性能。因此，焊縫中w（Si）一般應(yīng)控制在0.25%～0.40%。

2.4 Ni

Ni無(wú)限固溶于γ-Fe，其作用與Mn相似，只是較Mn的作用弱，是弱合金元素。在焊縫中能降低點(diǎn)陣中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)抗力和位錯(cuò)與間隙元素交互作用能量，促進(jìn)應(yīng)力松弛，減少脆性斷裂傾向。

2.5 Ti

Ti為強(qiáng)脫氧劑及Ti（C,N）形成元素，它所形成的高熔點(diǎn)化合物質(zhì)點(diǎn)可作為結(jié)晶核心，細(xì)化焊縫晶粒。另外在焊縫金屬中加入Ti，由于其與N的親和力極高，可降低焊縫金屬中自由N的含量。

2.6 B

B可明顯抑制鐵素體在奧氏體晶界上的形核，使鐵素體轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)明顯右移，同時(shí)使貝氏體轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)變得扁平，可在較大的冷卻范圍內(nèi)得到貝氏體。Ti與B同時(shí)存在時(shí)，Ti可在焊接過(guò)程中保護(hù)B不被氧化，使B抑制先共析鐵素體的效果將更好。但由于w（B）超過(guò)0.003%，形成的B相沿晶界析出，產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象；另外，由于B與N和O有很強(qiáng)的親和力，過(guò)多含量易于在焊縫中形成夾雜物。因此，w（B）在0.0004%～0.001%較為合宜。

2.7 Mo

Mo是縮小γ相區(qū)的元素，是中強(qiáng)碳化物形成元素，其主要作用是推遲先共析鐵素體轉(zhuǎn)變而有利于形成貝氏體結(jié)構(gòu)。Mo在焊縫中固溶于奧氏體或以碳化物的形式存在，并強(qiáng)烈地抑制珠光體轉(zhuǎn)變，可以改善焊縫沖擊韌性。

2.8 S和P

S和P等有害元素由于會(huì)引起焊縫韌性的降低和提高韌性轉(zhuǎn)變溫度，并且會(huì)增大焊縫熱脆和焊接結(jié)晶裂紋的傾向性。所以，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格限制，本次焊絲研制限制w（S）在0.006%以下，w（P）在0.015%以下。

3 熔敷金屬試驗(yàn)

3.1 熔敷金屬力學(xué)性能

采用研制的X100焊絲匹配BG-SJ101H2焊劑，依據(jù)GB/T 12470—2003《埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑》要求進(jìn)行熔敷金屬焊接試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1?？芍?，-30℃下熔敷金屬的沖擊韌性、拉伸強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了良好的強(qiáng)韌性匹配。

表1 X100焊材熔敷金屬力學(xué)性能結(jié)果

3.2 熔敷金屬微觀組織

研制焊絲配合BG-SJ101H2焊劑所得到的焊接接頭熔敷金屬的組織如圖1所示。從圖中可以看出，熔敷金屬組織以鐵素體為主，呈籃筐編結(jié)形態(tài)分布，且大小、分布較為均勻，除此之外，在鐵素體之間分布有少量的珠光體。該組織形態(tài)充分保證焊縫在低溫下具有較高的沖擊韌性。

圖1 熔敷金屬組織

4 管材焊接試驗(yàn)

焊接方法為雙絲交直流內(nèi)外雙面埋弧焊接，焊接設(shè)備為林肯DC-1500/AC-1200焊機(jī)。焊接材料采用研制的X100焊絲及BG-SJ101H2焊劑，試驗(yàn)用鋼板為本鋼集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的X100卷板，厚度為14.8 mm，化學(xué)成分見(jiàn)表2，焊接時(shí)的工藝參數(shù)見(jiàn)表3。試板采用X形坡口，內(nèi)焊坡口角度為70°，外焊坡口角度為100°， 鈍邊大小為8～9 mm。

表2 X100板材化學(xué)成分%

表3 焊接參數(shù)

4.1 焊縫接頭拉伸性能

采用研制的X100焊絲進(jìn)行焊接，依據(jù)API SPEC 5L及X100管線(xiàn)鋼標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于焊縫金屬進(jìn)行拉伸性能檢測(cè)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果匯總統(tǒng)計(jì)，如圖2所示。從圖2中可以看出，焊縫拉伸性能分布在780～860 MPa，均滿(mǎn)足X100管線(xiàn)鋼的強(qiáng)度要求，滿(mǎn)足API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)中 對(duì)X100管線(xiàn)鋼的強(qiáng)度要求。

圖2 X100焊絲焊接后焊縫的拉伸性能

4.2 焊縫接頭沖擊性能

研制的X100焊絲匹配本鋼X100原料進(jìn)行焊接，對(duì)焊縫金屬進(jìn)行-10℃沖擊韌性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果匯總統(tǒng)計(jì)如圖3所示。由圖3可知，所研制焊絲焊縫的沖擊性能優(yōu)良，完全滿(mǎn)足API SPEC 5L（44版）及X100管線(xiàn)鋼標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 X100焊絲焊接后焊縫的沖擊韌性

4.3 斷口及組織分析

研制的焊絲與BG-SJ101H2焊劑匹配焊接所得焊縫組織如圖4所示，其中焊縫組織為混雜分布狀態(tài)的針狀鐵素體（AF）和少量先共析鐵素體（PF）組織存在，主要以針狀鐵素體為主，且組織大小，形態(tài)及分布都較為均勻；焊縫斷口形貌如圖5所示，由觀察可得斷口形貌除有少量的二次淺裂紋外，其余為較淺且分布均勻的韌窩，由此說(shuō)明焊縫韌性較好，通過(guò)對(duì)斷口進(jìn)行掃描，未發(fā)現(xiàn)有明顯的MnO和Al2O3夾雜物存在。

圖4 焊縫組織

圖5 焊縫斷口形貌

5 結(jié) 論

（1）所研制焊絲匹配BG-SJ101H2焊劑進(jìn)行焊接后，焊縫低溫沖擊韌性良好，且拉伸強(qiáng)度較高，完全達(dá)到API SPEC 5L管線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)中X100指標(biāo)要求。

（2）熔敷金屬試驗(yàn)表明所研制焊絲不僅具有較高的強(qiáng)度，而且有較好的低溫沖擊韌性，力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到了BG/T 12470—2003標(biāo)準(zhǔn)要求，可以滿(mǎn)足X100母材與焊縫等強(qiáng)匹配的要求。

（3）通過(guò)采用Mo，Ni，Ti和B等多元微量合金元素設(shè)計(jì)焊絲，焊接后可使焊縫獲得較好的針狀鐵素體組織，并確保了焊縫較高的強(qiáng)韌性。

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