感應(yīng)加熱彎管熱處理前后熱影響區(qū)組織和性能的變化

楊瑋瑋，彭立山，李國鵬，李 濤

（1.渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣062658；2.渤海裝備管件分公司，河北 青縣062658）

感應(yīng)加熱彎管熱處理前后熱影響區(qū)組織和性能的變化

楊瑋瑋1，彭立山2，李國鵬1，李 濤1

（1.渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣062658；2.渤海裝備管件分公司，河北 青縣062658）

對(duì)X70及X80中頻感應(yīng)加熱彎管熱影響區(qū)沖擊韌性的變化做了深入的探討。首先通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)做趨勢(shì)分析；然后采用熱模擬試驗(yàn)對(duì)各細(xì)分區(qū)域進(jìn)行熱模擬與力學(xué)性能試驗(yàn)，與趨勢(shì)相驗(yàn)證；最后對(duì)熱影響區(qū)從原始態(tài)到調(diào)質(zhì)態(tài)過程中各階段的金相組織變化做了充分的分析，從組織形態(tài)的角度闡述了性能變化機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，感應(yīng)加熱彎管熱影響區(qū)的粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和重疊區(qū)在調(diào)質(zhì)過程前后，其性能與金相組織均發(fā)生了顯著的變化。針對(duì)此現(xiàn)象，筆者也對(duì)彎管相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的具體條款提出了自己的建議和觀點(diǎn)。

管線鋼；X70；X80；感應(yīng)加熱彎管

近幾年，隨著我國油氣管線產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，油氣輸送鋼管向高鋼級(jí)、大壁厚、高壓力方向發(fā)展。對(duì)于各大制管企業(yè)來說，管線鋼管熱影響區(qū)的性能是關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，也是業(yè)內(nèi)長期關(guān)注的重點(diǎn)。隨著西氣東輸、川氣東送等大型油氣輸送管線項(xiàng)目的開展，國內(nèi)制管行業(yè)在管線鋼管，包括高鋼級(jí)鋼管熱影響區(qū)的性能與組織變化規(guī)律方面積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，并且通過合金成分、軋制工藝與焊接工藝的調(diào)整，可在一定程度上對(duì)熱影響區(qū)的脆化與軟化現(xiàn)象進(jìn)行控制，從而提升其綜合性能[1-2]。但是，對(duì)于彎管來說情況則有所不同，目前彎管的煨制過程多采用中頻感應(yīng)加熱工藝來完成，在此過程中，管體與焊接接頭均要經(jīng)過一個(gè)快速加熱和高溫回火的調(diào)質(zhì)過程，因此，常規(guī)熱影響區(qū)的焊態(tài)組織將在彎管制作過程中發(fā)生重大的變化[3]。在此方面，我們的經(jīng)驗(yàn)與總結(jié)相對(duì)較少。

此外， 在最新的 CDP－S－OGP－PL－017－2014－3《油氣管道工程用感應(yīng)加熱彎管母管技術(shù)規(guī)格書》[4]的9.8.2.3章節(jié)中，對(duì)焊縫及熱影響區(qū)的韌性要求為：供貨商應(yīng)對(duì)焊縫金屬和焊縫熱影響區(qū)進(jìn)行-20℃夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)。其夏比沖擊功應(yīng)符合要求，并提供剪切面積試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可以確保被抽檢熱模擬樣管檢驗(yàn)性能合格作為彎管母管合格的驗(yàn)收依據(jù)。通過此條款可以看出，用調(diào)質(zhì)態(tài)的熱影響區(qū)性能試驗(yàn)結(jié)果可替代原始的焊態(tài)熱影響區(qū)試驗(yàn)，那么此條款在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)用效果如何，這種替代是否具有廣泛的適用性，也是筆者將要驗(yàn)證的重點(diǎn)之一。

基于以上幾點(diǎn)，筆者從理論和實(shí)際兩方面入手，對(duì)彎管熱影響區(qū)組織及性能進(jìn)行了深入的探討，并且配合一系列的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，希望能夠?yàn)闃I(yè)內(nèi)同仁提供一點(diǎn)參考。

1 生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)

首先，從生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)的角度觀察彎管熱影響區(qū)性能的變化。筆者從巨龍鋼管公司管件分公司近幾年的實(shí)際生產(chǎn)中隨機(jī)挑選了部分檢驗(yàn)數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計(jì)對(duì)象。其中包括X70與X80鋼級(jí)、壁厚為23.3～33.8 mm的彎管。母管與其對(duì)應(yīng)彎管熱影響區(qū)沖擊性能的箱式分布對(duì)比如圖1所示。

從圖1可以看出，不論是X70或是X80鋼級(jí)，母管熱影響區(qū)在彎管制造過程后其性能均有一定程度的升高，上升幅度沒有明顯的規(guī)律性。

圖1 X70/X80母管與彎管生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)熱影響區(qū)的沖擊性能變化進(jìn)行更精確的分析與驗(yàn)證，采用熱模擬方法進(jìn)一步做驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)材料采用X80鋼級(jí)、壁厚28.6 mm彎管。取其壁厚中心位置，制取10 mm×10 mm×55mm試樣，用于熱模擬及沖擊試驗(yàn)。其母材金相組織如圖2所示，主要化學(xué)成分見表1。

圖2 彎管母材壁厚中心金相組織（500×）

彎管的熱影響區(qū)由幾個(gè)不同組織的區(qū)域構(gòu)成，如圖3所示。在沖擊試樣的制備過程中，夏比沖擊試樣缺口中心線將不可避免的通過多個(gè)細(xì)分區(qū)域（如圖4所示），因此，熱影響區(qū)的沖擊性能是多個(gè)區(qū)域的綜合韌性表現(xiàn)[5]。為了更好表征熱影響區(qū)組織及性能的變化，在本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，先將熱影響區(qū)進(jìn)行細(xì)分，之后在其中選取較為敏感的粗晶區(qū)（CGHAZ）、 細(xì)晶區(qū)（FGHAZ）以及內(nèi)焊粗晶區(qū)與外焊臨界區(qū)重疊的區(qū)域（ICCGHAZ，以下簡(jiǎn)稱重疊區(qū)）分別進(jìn)行熱模擬研究。

表1 試驗(yàn)用母材化學(xué)成分 %

圖3 熱影響區(qū)細(xì)分區(qū)域圖

圖4 沖擊刻槽中心線通過區(qū)域圖

試驗(yàn)采用Gleeble3180熱模擬試驗(yàn)機(jī)，分別模擬出粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和重疊區(qū)的焊接狀態(tài)（母管熱影響區(qū)狀態(tài)），在此狀態(tài)下，選取一部分試樣測(cè)試其沖擊性能；然后在此基礎(chǔ)上對(duì)剩余的焊態(tài)試樣模擬中頻加熱淬火及回火的實(shí)際彎管生產(chǎn)工藝作調(diào)質(zhì)處理，再次測(cè)試其沖擊性能，并進(jìn)行前后對(duì)比。熱模擬工藝參數(shù)見表2。

將焊態(tài)試樣及熱處理態(tài)試樣沿壁厚方向做V形刻槽處理，缺口開在均溫區(qū)。在-20℃下采用NI750C型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)按ASTM A370—2012標(biāo)準(zhǔn)[6]執(zhí)行。統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)域的沖擊功平均值，其結(jié)果如圖5所示。

表2 熱模擬工藝參數(shù)

圖5 調(diào)質(zhì)前后熱影響區(qū)各區(qū)域沖擊性能對(duì)比

從圖5可以看出，調(diào)質(zhì)處理前后各個(gè)細(xì)分區(qū)域的沖擊性能發(fā)生了明顯的變化。其中，在焊態(tài)下細(xì)晶區(qū)沖擊韌性最好，粗晶區(qū)次之，重疊區(qū)最差，這和干線管普遍規(guī)律相一致[7]。熱處理后各區(qū)域沖擊功都有明顯的上升，其中，粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)的上升幅度相近，但重疊區(qū)的上升幅度非常大，在本次試驗(yàn)中，焊態(tài)的重疊區(qū)沖擊功只有10 J左右，但熱處理后平均值達(dá)到286 J，且數(shù)據(jù)具有較低的離散度。

3 組織分析

為了進(jìn)一步探討彎管熱影響區(qū)的變化規(guī)律及原因，采用BX51M金相顯微鏡分別對(duì)粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和重疊區(qū)3個(gè)區(qū)域在焊態(tài)、淬火態(tài)以及最終的回火態(tài)下進(jìn)行了金相觀察，分析在整個(gè)彎管制造過程中熱影響區(qū)的組織變化規(guī)律。粗晶區(qū)各階段金相組織對(duì)比如圖6所示。

從金相照片中可以觀察到，母材金屬（見圖2）為均勻細(xì)小的針狀鐵素體組織，且鐵素體晶粒沿軋制方向略有伸長。經(jīng)過高溫?zé)嵫h(huán)后，構(gòu)成了以粒狀貝氏體為主的焊態(tài)粗晶區(qū)，其組織較為粗大且不均勻特征明顯，晶粒內(nèi)部M/A組織多以條狀分布，原奧氏體晶界清晰可見[8]。

圖6 粗晶區(qū)各階段金相組織對(duì)比（500×）

在淬火過程中，組織再次奧氏體化，憑借中頻淬火快速加熱以及停留時(shí)間短的特點(diǎn)，使組織來不及長大，晶粒得到有效細(xì)化，隨后在快速冷卻中，晶界處發(fā)生低溫切變，由于碳含量較低，所以試樣在淬火后仍含有部分針狀鐵素體和粒狀貝氏體，而并非完全的馬氏體。

在隨后的高溫回火過程中，馬氏體分解為回火索氏體，針狀鐵素體發(fā)生回火再結(jié)晶，弦長比降低，同時(shí)，M/A島也發(fā)生了部分分解，組織內(nèi)部位錯(cuò)密度也明顯降低，這些變化均有利于韌性的提高[9]。細(xì)晶區(qū)各階段金相組織對(duì)比如圖7所示。

圖7 細(xì)晶區(qū)各階段金相組織對(duì)比（500×）

細(xì)晶區(qū)在經(jīng)過焊接熱循環(huán)后，主要由鐵素體與粒狀貝氏體組織構(gòu)成。該區(qū)域鐵素體晶粒發(fā)生重結(jié)晶，原始母材中沿軋制方向被拉長的形變鐵素體晶粒消失，鐵素體帶也消失，取而代之的是塊狀和多邊形鐵素體。由于溫度較低，奧氏體晶粒不會(huì)明顯長大，因此組織較細(xì)密，且分布均勻[9]。在中頻淬火之后轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w、針狀鐵素體和少量馬氏體的混合組織。鐵素體數(shù)量減少，貝氏體數(shù)量明顯增多，M/A島呈點(diǎn)狀或條狀分布，組織進(jìn)一步細(xì)化。高溫回火后，M/A島發(fā)生部分分解，針狀鐵素體發(fā)生粗化，最終晶粒度與焊態(tài)組織相近。位錯(cuò)密度下降，鐵素體含量有所增加，但仍保留了大部分粒狀貝氏體組織的基體特征。重疊區(qū)各階段金相組織對(duì)比如圖8所示。

焊態(tài)的重疊區(qū)相對(duì)于粗晶區(qū)來講，在冷卻重結(jié)晶后，晶粒得到部分細(xì)化，但并不明顯，表現(xiàn)出一定的組織遺傳現(xiàn)象。同時(shí)，M/A組元有聚集趨勢(shì)，原奧氏體晶界更加分明，粒狀貝氏體的板條束界和板條界分布著粗大塊狀和條狀的富碳M/A島狀組織，而M/A組元的尺寸增大，容易誘發(fā)裂紋和成為裂紋擴(kuò)展的通道，導(dǎo)致材料局部脆化[10]。由于臨界粗晶區(qū)在實(shí)際的焊接接頭中只占很小的一部分，因此，在生產(chǎn)結(jié)果中表現(xiàn)并不明顯，但這一脆性區(qū)域的存在將使裂紋更容易被誘發(fā)，形成啟裂源，造成熱影響區(qū)整體韌性大大下降。

圖8 重疊區(qū)各階段金相組織對(duì)比（500×）

淬火后得到針狀鐵素體和粒狀貝氏體及少量馬氏體的混合組織，但成分和組織極不均勻?；鼗鹛幚砗螅^大多數(shù)組織轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w，組織整體有所粗化，但組織均勻度有顯著提高，M/A島分解，可以看到，在晶粒內(nèi)部M/A組元細(xì)小且分布彌散，位錯(cuò)密度也有所下降。因此沖擊韌性在調(diào)制處理后得到極大改善。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，各區(qū)域在煨制熱處理后，沖擊性能均有所上升，但其機(jī)理并不完全相同。粗晶區(qū)主要得益于調(diào)質(zhì)所產(chǎn)生的晶粒細(xì)化效果，細(xì)晶區(qū)則是由于貝氏體含量的增加帶來抗沖擊斷裂能力的提升，而重疊區(qū)主要是由于粗大M/A組元在調(diào)質(zhì)過程中發(fā)生分解，呈細(xì)小、彌散分布狀態(tài)，整體組織均勻度明顯提高，使得沖擊韌性得到顯著改善。

4 結(jié) 論

（1）從生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)來看，X70及X80鋼級(jí)感應(yīng)加熱彎管的熱影響區(qū)沖擊韌性相對(duì)于母管來說呈普遍上升趨勢(shì)。

（2）熱影響區(qū)各細(xì)分區(qū)域的試驗(yàn)結(jié)果表明，各區(qū)域在煨制熱處理后，沖擊性能均有所上升，但其機(jī)理并不完全相同?？傮w來說，感應(yīng)加熱彎管具有中頻快速加熱、峰值溫度高、停留時(shí)間短的工藝特點(diǎn)，使得在彎管煨制過程中奧氏體組織來不及異常長大，整體組織呈細(xì)化的趨勢(shì)，對(duì)沖擊韌性起改善作用。

（3）由于彎管熱影響區(qū)性能相對(duì)母管有所提高，因此，CDP彎管母管標(biāo)準(zhǔn)中用熱處理后的熱影響區(qū)可替代原始的焊態(tài)熱影響區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，這一技術(shù)條款是有意義的，可以有效避免部分合格彎管在原料檢驗(yàn)階段無法通過而造成的經(jīng)濟(jì)損失。

（4）從統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來看，調(diào)質(zhì)前后熱影響區(qū)各區(qū)域沖擊性能整體上升，但不同成分、組織母管的上升幅度、離散性的變化卻不相同，因此，不同化學(xué)成分、母材組織對(duì)彎管熱影響區(qū)性能變化的影響規(guī)律還需做進(jìn)一步的研究。

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The Change of Heat Affected Zone(HAZ)Microstructure and Performance of Induction Heating Bend Pipes Before and After Heat Treatment

YANG Weiwei1,PENG Lishan2,LI Guopeng1,LI Tao1
(1.CNPC Bohai Equipment Steel Pipe Research Institute,Qingxian 062658,Hebei,China;2.CNPC Bohai Equipment Pipe fitting Branch,Qingxian 062658,Hebei,China)

In this article,the changes of HAZ impact toughness in induction heating bend pipes with X70 and X80 grade were deeply discussed.Firstly through the production data statistics to conduct trend analysis;and then using thermal simulation method to carry out thermal simulation and mechanical properties test for each subdivided area,then to be verified with trend.Finally,the microstructure changes of the heat affected zone,from the original state to state quenching process were made a full analysis,explained the mechanism of performance changes from the perspective of organizational form.The experiments showed that the performance and the microstructure of the induction heating bend pipes HAZ,including its coarse grain area,fine grain area and overlapping areas,were undergone significant changes.For this phenomenon,some suggestions and opinions for the relevant standards of induction heating bend pipes were put forward.

pipeline steel;X70;X80； induction heating bends pipes

TG142.1

B

1001－3938（2015）06-0058-05

楊瑋瑋（1982—），男，漢族，材料加工專業(yè)碩士畢業(yè)，長期從事管線鋼管材料及生產(chǎn)工藝技術(shù)研究工作。

2015－02－26

李紅麗