X90管線鋼焊接熱影響區(qū)熱模擬試驗(yàn)研究

馬愛清，劉宇，張建華，劉宇

1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊065000

2.中油管道建設(shè)工程有限公司，河北廊坊065000

3.中國石油天然氣管道局第四工程分公司，河北廊坊065000

X90管線鋼焊接熱影響區(qū)熱模擬試驗(yàn)研究

馬愛清1，劉宇1，張建華2，劉宇3

1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊065000

2.中油管道建設(shè)工程有限公司，河北廊坊065000

3.中國石油天然氣管道局第四工程分公司，河北廊坊065000

文章介紹了采用Gleeble 1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)研究X90管線鋼連續(xù)冷卻過程中的相變規(guī)律，采用金相法與熱膨脹法相結(jié)合的方法進(jìn)行研究測量并繪制出CCT曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著冷卻速度的增加，X90管線鋼的硬度逐漸增加，當(dāng)冷卻速度達(dá)到40℃/s時(shí)，金相組織中出現(xiàn)馬氏體，硬度增加迅速。不同的冷卻速度會(huì)得到不同的金相組織，當(dāng)冷卻速度小于2℃/s時(shí)，有鐵素體生成；當(dāng)冷卻速度處于0.1～5℃/s之間時(shí)，會(huì)有少量的珠光體產(chǎn)生；當(dāng)冷卻速度處于0.5～40℃/s之間時(shí)，形成了貝氏體；當(dāng)冷卻速度大于40℃/s時(shí)，產(chǎn)生了馬氏體。

X90管線鋼；CCT曲線；金相組織；硬度；測定

0 引言

隨著石油行業(yè)的不斷發(fā)展和石油需求量的不斷增長，對石油管道的輸送能力也提出了更高的要求。管道建設(shè)要求管道焊接接頭具有良好的強(qiáng)度與韌性，接頭的焊接質(zhì)量決定了管道的服役時(shí)間，因此需要研究焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，以提高接頭焊接質(zhì)量。通過對焊接接頭熱影響區(qū)進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)，研究了焊接過程中熱影響區(qū)在不同冷卻速度下的金相組織，并繪制出CCT曲線。根據(jù)繪制的曲線，可控制焊接過程中的熱輸入量以得到實(shí)際需要的金相組織。

1 試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)用試件為X90管線鋼制成的φ 6 mm× 120 mm的圓棒，其主要化學(xué)成分見表1。在Gleeble 1500熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)。先以100℃/s的速度將試件加熱到1 350℃，保溫1 s，然后分別以0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、20、40、60℃/s的速度冷卻至室溫。對熱模擬處理后的試件進(jìn)行取樣、鑲嵌、磨拋處理后，在4%HNO3酒精溶液中進(jìn)行處理，而后觀察金相組織，測試試件表面硬度，最后結(jié)合熱模擬工藝?yán)L制CCT曲線。

表1 X90管線鋼主要化學(xué)成分/%

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

2.1 CCT曲線的繪制與金相組織特征

將熱模擬試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)處理后，繪制成CCT曲線，見圖1。金相組織特征見圖2～11。

圖1 X90管線鋼CCT曲線

圖2 冷卻速度0.1℃/s的金相組織

圖3 冷卻速度0.2℃/s的金相組織

圖4 冷卻速度0.5℃/s的金相組織

圖5 冷卻速度1℃/s的金相組織

圖6 冷卻速度2℃/s的金相組織

圖7 冷卻速度5℃/s的金相組織

圖8 冷卻速度10℃/s的金相組織

圖9 冷卻速度20℃/s的金相組織

圖10 冷卻速度40℃/s的金相組織

圖11 冷卻速度60℃/s的金相組織

結(jié)合CCT曲線與金相照片可以觀察出：

（1）當(dāng)冷卻速度為0.1～2℃/s時(shí)，金相組織中有塊狀鐵素體存在，但隨著冷卻速度的增加，塊狀鐵素體逐漸減少。其原因是試件鋼材為低碳微合金鋼，在冷卻速度比較慢的情況下，有利于鐵素體的擴(kuò)散性轉(zhuǎn)變。

（2）當(dāng)冷卻速度為0.1～0.5℃/s時(shí)，金相組織中有針狀鐵素體存在。

（3）當(dāng)冷卻速度為0.1～5℃/s時(shí)，金相組織中會(huì)產(chǎn)生少量的珠光體，由于試件鋼材為亞共析鋼，碳含量低，因此首先生成的鐵素體會(huì)成為共析成分，進(jìn)而產(chǎn)生珠光體。

（4）當(dāng)冷卻速度為0.5～10℃/s時(shí)，生成了粒狀貝氏體，隨著冷卻速度的增加粒狀貝氏體減少。

（5）當(dāng)冷卻速度達(dá)到5～40℃/s時(shí)，生成了板條貝氏體。

（6）當(dāng)冷卻速度達(dá)到20～60℃/s時(shí)，相變產(chǎn)生了馬氏體。

2.2 表面硬度測試結(jié)果

從圖12中可以看出，當(dāng)冷卻速度為0.1～20℃/s時(shí)，硬度隨著冷卻速度的增加而增加；當(dāng)冷卻速度達(dá)到40℃/s時(shí)，硬度的增加量突然迅速增大，這是因?yàn)樯闪笋R氏體，增加了硬度；而后硬度又平緩增加，這說明馬氏體的生成量在增加，因?yàn)闆]有其他比馬氏體更硬的金相組織。

從圖13中看出，母材硬度為225～240 HV10，焊縫硬度為255 HV10。為遵循“高強(qiáng)匹配”原則以保證焊接接頭的強(qiáng)度，母材硬度應(yīng)該至少為225 HV10，此時(shí)對應(yīng)的冷卻速度在10℃/s以上；結(jié)合CCT曲線，可看到當(dāng)冷卻速度達(dá)到20℃/s時(shí)出現(xiàn)板條貝氏體，板條貝氏體的綜合力學(xué)性能比較好。所以為了既保證足夠的強(qiáng)度又保證韌性，在焊接過程中應(yīng)控制冷卻速度在10～20℃/s范圍內(nèi)。

圖13 X90管線鋼焊接接頭硬度分布

3 結(jié)論

（1）當(dāng)冷卻速度小于2℃/s時(shí)，X90管線鋼焊接熱影響區(qū)金相組織中將有鐵素體存在；當(dāng)冷卻速度達(dá)到0.1～5℃/s時(shí)，金相組織中將產(chǎn)生少量的珠光體；當(dāng)冷卻速度為0.5～40℃/s時(shí)，金相組織中將形成貝氏體；當(dāng)冷卻速度大于40℃/s，金相組織中將形成馬氏體。

（2）為了得到良好的X90管線鋼焊接熱影響區(qū)金相組織與性能，根據(jù)繪制的CCT曲線，推薦在焊接過程中將冷卻速度控制在10～20℃/s范圍內(nèi)。

（3）X90管線鋼焊接熱影響區(qū)表面硬度隨著冷卻速度的提高而增加，其硬度值約處于170～311 HV10之間。

[1]付瑞東，逯允海，楊永強(qiáng)，等.2.25Cr-1Mo-0.25V耐熱鋼焊接熱影響區(qū)熱模擬試驗(yàn)研究[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2007，28（1）：66-74.

[2]馮紅超，茍亞娟，張耀斌，等.HQ785鋼CCT曲線測定及顯微組織研究[J].熱處理技術(shù)與裝備，2010，31（4）：40-42.

[3]左碧強(qiáng)，王巖，米振莉，等.管線鋼X80的CCT曲線研究[J].材料熱處理技術(shù)，2010，39（4）：12-14.

ThermalSimulation Test Research on Heat Affect Zone ofPipeline SteelX90

Ma Aiqing1，Liu Yu1，Zhang Jianhua2，Liu Yu3
1.China Petroleum Pipeline Scientific Research Institute，Langfang 065000，China
2.China Petroleum Pipeline Construction Engineering Co.，Ltd.，Langfang 065000，China
3.No.4 Engineering Company of China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang 065000，China

The phase transformation rule of pipeline steel X90 in continuous cooling course is researched by the thermal simulation testing machine Gleeble 1500.The CCT curves are derived by combining the metallographic method with the thermalexpansion method.The experimentalresults show that with the increase of cooling rate，the hardness of pipeline steel X90 increases gradually；when the cooling rate reaches 40℃/s，martensite is generated and the hardness increases rapidly.Different cooling rates will get different metallographic organizations；when the cooling rate is less than 2℃/s，ferrite is generated；when the cooling rate is between 0.1℃/s and 5℃/s，a small amount of pearlite is generated；when the cooling rate is between 0.5℃/s and 40℃/s，bainite is generated；when the cooling rate is more than 40℃/s，martensite is generated.

pipeline steelX90；CCTcurve；metallographic organization；hardness；measurement

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.008

馬愛清（1988-），女，遼寧大石橋人，2012年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)金屬材料專業(yè)，現(xiàn)從事石油天然氣管道科研工作。

2014-02-24