X100 高鋼級(jí)無縫鋼管可焊性材料的開發(fā)

徐 婷 陳俊峰 鄧 波 編譯

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077;2.中國石油勘探開發(fā)研究院石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所 北京 100083)

0 引 言

鋼管生產(chǎn)商Tenaris 啟動(dòng)了由各石油公司和鋪設(shè)承包商參與的聯(lián)合工業(yè)開發(fā)項(xiàng)目(JIP)，命名為“X100 ksi無縫鋼管的可焊性”，其目的是增加生產(chǎn)和使用用于立管的最小屈服強(qiáng)度為100 ksi(1 ksi=6.895 MPa)的淬火和回火無縫鋼管所需的知識(shí)。管體屈服強(qiáng)度達(dá)到100 ksi(690 MPa)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到110 ksi(760 MPa)。

1 第一階段冶金設(shè)計(jì)

為獲得要求的目標(biāo)顯微組織和力學(xué)性能的鋼和熱處理?xiàng)l件。選擇了0.09%C -0.25%Si -1.5%Mn -0.025%Nb-0.05%V 為基本的化學(xué)成分，以及Mn、Mo、Cr和Ni 的組合和微小變化的其它元素(表1)。制造了外徑為323.9 mm，壁厚為15 mm ～16 mm 和25 mm 的Q＆T鋼管。

表1 工業(yè)爐批主要元素的化學(xué)成分范圍(最小/最大值)

爐批A1 和B1 最初為100 ksi 鋼級(jí)壁厚15 mm ～16 mm 以及90 ksi 鋼級(jí)壁厚25 mm 的鋼管而設(shè)計(jì)，爐批C1專門為壁厚25 mm 鋼管設(shè)計(jì)。在后者中，Mo 增加到0.5%，同時(shí)為了達(dá)到平衡，降低Mn，清除V。無縫鋼管經(jīng)熱軋工藝生產(chǎn)，進(jìn)行了下列主要過程:熱穿孔，芯棒式軋機(jī)上軋制和定徑，進(jìn)行了淬火和回火熱處理，內(nèi)外的水淬實(shí)現(xiàn)了較高的冷卻速率，以保持壁厚方向上的溫度梯度可接受。

1.1 力學(xué)性能測(cè)試

拉伸試驗(yàn)用縱向和橫向圓棒試樣進(jìn)行?？v向和橫向夏比V 型缺口試樣和剪切面積的斷裂形貌轉(zhuǎn)變溫度(50% FATT)用來確定轉(zhuǎn)變曲線。裂紋尖端張開位移試驗(yàn)(CTOD)在B×2B 試樣上進(jìn)行。

1.2 淬火態(tài)材料的顯微組織

壁厚15 mm ～16 mm 鋼管所有材料均被檢測(cè)為具有相似的13 mm ～15 mm 的平均原始奧氏體晶粒度。低C馬氏體占主導(dǎo)的組織在鋼A1 中形成，而貝氏體在鋼B1中形成，具有最低的淬透性。鋼C1 獲得了100%的低C馬氏體，顯示了最高的淬透性。鋼B1(馬氏體-貝氏體組織)和鋼C1(完全馬氏體)的顯微組織SEM 照片如圖1 所示。

壁厚為25 mm 鋼管經(jīng)檢測(cè)為輕微粗化奧氏體晶粒度(18 mm ～21 mm)。爐批A1 出現(xiàn)了稍微粗化的粒狀貝氏體(GB)，而爐批B1 顯示為下氏體(圖2)。爐批C1則形成了由70%低碳馬氏體和30%貝氏體組成的更細(xì)化了的組織(圖2)，其表現(xiàn)為較高的淬透性和較低的轉(zhuǎn)變溫度。

圖1 壁厚16 mm 鋼管淬火態(tài)顯微組織的SEM 照片

圖2 壁厚25 mm 鋼管淬火態(tài)顯微組織的SEM 照片

1.3 Q＆T 材料的顯微組織

取向成像電子顯微分析系統(tǒng)(OIM)的結(jié)果證實(shí):與貝氏體(＞40%)和馬氏體(＜60%)混合的組織相比，低碳馬氏體占主導(dǎo)的組織其板條束和單元較小。當(dāng)馬氏體體積＞60%時(shí)，其板條束尺寸＜3.5 μm，而亞晶粒尺寸＜1.2 μm。Q＆T 材料顯示出了大量的析出物。位于晶界的顆粒主要為M3C 型(90% Fe -8% Mn -2%Cr)，尺寸為50 nm 到300 nm。在回火過程中觀察到一種不同的M3C 析出，其取決于淬火態(tài)顯微組織:低C 馬氏體:M3C 在晶界和板條處析出;貝氏體:M3C 在大角度晶界處析出。

在板條和晶粒內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了細(xì)小的富含Nb 和Mo 的析出物(尺寸為10 nm ～40 nm)。在V 微合金化鋼中，在這些細(xì)小的析出物中也檢測(cè)到了釩，其典型化學(xué)組分為75%Mo-20%Nb-5%V;17%Mo-79%Nb -4%V;1%Mo-84%Nb-15%V。采用TEM 測(cè)量微小析出物的平均尺寸以評(píng)估其析出強(qiáng)化，測(cè)定為80 MPa 到120 MPa。與其他兩個(gè)爐批相比，爐批A1 較高的析出硬化(20 MPa～30 MPa)來自于大量的微小析出物(＜30 nm)。

1.4 強(qiáng)度-韌性綜合性能

對(duì)于16 mm 壁厚鋼管的三個(gè)爐批均達(dá)到了100 ksi鋼級(jí)水平(圖3)，但爐批B1 顯示了較低的YS 值。在25 mm 壁厚情況下，爐批A1 和B1 得到了90 ksi ～95 ksi 鋼級(jí)水平，而爐批C1 得到了100 ksi 鋼級(jí)水平(圖4)。16 mm 壁厚的立管表明50% FATT 值低于-55°C，與合金設(shè)計(jì)無關(guān)，見表2 及圖5 和圖6。25 mm 壁厚的立管表明爐批B1 的50% FATT 值為-55°C，而爐批C1 的50%FATT 值為-95°C，如圖7 所示。

圖3 壁厚16 mm 鋼管力學(xué)性能(圓棒試樣)

圖4 壁厚25 mm 鋼管的拉伸性能(橫向和縱向圓棒試樣)

表2 50%FATT(橫向試樣)和馬氏體量

圖5 壁厚16 mm 鋼管強(qiáng)度-韌性綜合性能(橫向試樣)

低溫下，采用合金設(shè)計(jì)爐批C1 制造的鋼管CTOD 數(shù)值良好，見表3。

以上結(jié)果表明通過提高Q＆T 鋼的淬透性可以提高其強(qiáng)度-韌性綜合性能，甚至是25 mm 壁厚鋼管，可以達(dá)到低碳板條馬氏體的體積分?jǐn)?shù)高于60%。這個(gè)馬氏體數(shù)量剛好足夠在回火后產(chǎn)生下列特征的顯微組織:小于1.2 mm 的亞晶粒，能產(chǎn)生大于690 MPa 的屈服強(qiáng)度等級(jí);小于3.5 mm 的板條束，適合于獲得低的FATT 值(＜-50℃)。

圖6 壁厚25 mm 鋼管強(qiáng)度-韌性綜合性能(橫向試樣)

圖7 壁厚25 mm 鋼管(爐批C1)夏比V 型槽轉(zhuǎn)變曲線

表3 不同試驗(yàn)溫度的CTOD 值(L=縱向;T=橫向)

2 第二階段可焊性

基于以上情況，JIP 決定將所有的焊接活動(dòng)集中于無縫立管，外徑為323.9 mm，壁厚為16 mm，合金設(shè)計(jì)為爐批C1。熱影響區(qū)(HAZ)符合API RP2Z 坡口形式。5種不同的熱輸入和預(yù)熱道次間溫度的組合用來對(duì)以焊接熱循環(huán)作為函數(shù)來評(píng)價(jià)HAZ 硬度和夏比沖擊吸收功的變化。為進(jìn)一步了解基本的HAZ 特征，環(huán)焊縫在1G位置采用窄間隙坡口形式和兩種熱輸入焊接:分別為1.1 kJ/mm(稱之為高熱輸入，HHI)和0.6 kJ/mm(稱之為低熱輸入，LHI)。五種在市場(chǎng)上可以獲得的商業(yè)化焊材用于評(píng)價(jià)焊接X100 鋼管。對(duì)于PGTAW 工藝的根焊道和熱焊道，采用AWS ER 100 等級(jí)的焊材。對(duì)于填充和蓋面道次，試驗(yàn)了四種用P-GMAW 工藝的AWS 分級(jí)為ER 100 到ER 120 的實(shí)芯焊絲。窄間隙環(huán)焊縫的焊接金屬上獲取的最佳SENB CTOD 結(jié)果為ER 110 (焊絲A，首選)和ER 100 (焊絲B，次選)實(shí)芯焊絲。

RP2Z 焊縫在Tenaris 焊接實(shí)驗(yàn)室用HHI(高熱輸入)(1.1 kJ/mm)生產(chǎn)，結(jié)果是:100%焊接金屬為0.15 mm，25%CG-HAZ 為0.15 mm，32%CG -HAZ 為0.12 mm和41% CG - HAZ 為0. 091 mm。LHI(低熱輸入)的RP2Z 焊縫達(dá)到0.25 mm 最小的CTOD 值(熔合線的兩側(cè):焊縫和CG -HAZ 粗晶熱影響區(qū))，而HHI 的RP2Z焊縫不相符:靠近熔合線的焊縫金屬的CTOD 值稍好于CG-HAZ，裂紋前沿上的CG-HAZ 越多，其CTOD 值越低。

Tenaris 焊接實(shí)驗(yàn)室所使用的相同批次的A 和B 焊絲送往了休斯頓的Acute Technology Service (ATS)實(shí)驗(yàn)室，他們也使用了由Tenaris 焊接實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的窄槽形式的詳盡焊接工藝(LHI 和HHI)。這樣做的目的是盡可能重現(xiàn)Tamsa R＆D 規(guī)定的焊接條件，使用用于海上和陸上焊接活動(dòng)的典型軌道P - GMAW 焊接設(shè)備。這前后一致的焊接程序規(guī)定使用每種焊材和兩種熱輸入制度連續(xù)焊接3 個(gè)接頭:共生產(chǎn)12 個(gè)焊縫。最終的焊接條件列在表4 中。

表4 ATS 使用的焊接參數(shù)

兩種焊材的HHI 焊縫的SENB CTOD 值列在圖8(a)中。圖8(b)為L(zhǎng)HI 焊縫的CTOD 值。

圖8 焊縫CTOD 值

圖9 為ATS 生產(chǎn)的焊縫的FL 和FL + 1 mmCTOD值，其作為焊材和熱輸入的函數(shù)。

圖9 ACUTE 生產(chǎn)的焊縫上的FL 和FL+1mmCTOD 值

從圖8 和圖9 中可以總結(jié)如下。

焊縫的CTOD:對(duì)比兩種焊材，無明顯的區(qū)別。0.6 kJ/mm 熱輸入情況下，0°C 時(shí)CTOD 平均為0.15 mm，1.1 kJ/mm 情況下，兩種焊材的CTOD 平均為0.20 mm;FL的CTOD 值:低熱輸入時(shí)為0.13 mm ～0.36 mm，高熱輸入時(shí)數(shù)據(jù)散亂，有幾個(gè)不可接受的數(shù)值(﹤0.1 mm);FL+1 mm (HAZ)的CTOD 值:低熱輸入時(shí)為0.22 mm ～0.40 mm，高熱輸入時(shí)為0.34 mm ～0.52 mm。

為盡量提高HHI FL 的CTOD 值，對(duì)每種焊材在一個(gè)焊縫試樣上進(jìn)行了685 ℃浸泡5 min 的焊后熱處理(與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)可以兼容)。經(jīng)過以上PWHT 之后，焊接條件下不可接受的熔合線上的CTOD 值顯著增加，一個(gè)焊縫為0.12 mm→0.40 mm→0.42 mm，其它焊縫為0.12 mm→0.40 mm→0.42 mm。在用焊絲A 和HHI 的焊縫中，PWHT 之后得到的CTOD 值為0. 32 mm→0. 16 mm→0.21 mm，該值有所提高，但相對(duì)熔合線并不明顯。

除了SENB CTOD 試驗(yàn)以外，進(jìn)行了常規(guī)的破壞性試驗(yàn)，包括橫向拉伸，全焊縫拉伸，硬度以及焊縫、熔合線、FL +2 mm 和FL + 5 mm 的夏比V 型沖擊，其結(jié)果分別見表5 和表6。

表5 全焊縫拉伸結(jié)果

表6 環(huán)焊縫CVN 特征

在FL+2 mm 和FL+5 mm 處機(jī)加工缺口的CVN 試樣的吸收功良好(＞200 J)。FL 的吸收功是可以接受的，但LHI 優(yōu)于HHI。利用兩種焊材的焊縫的數(shù)值都是可以接受的。

兩種焊接條件下的硬度試驗(yàn)結(jié)果表明LHI 焊縫最硬點(diǎn)位于蓋面區(qū)域的HAZ，達(dá)到372 Hv10，鋼管材料的硬度為280 Hv10 ～285 Hv10。檢測(cè)了距離鋼管內(nèi)外表面1.5 mm 處及壁厚中心的硬度。似乎需要略微增加熱輸入和/或蓋面前的再加熱以滿足離外表面1.5 mm 處350 Hv10 的判據(jù)。另一種替代方案是使用GMAW 雙焊炬設(shè)備而不是單焊炬蓋面。檢測(cè)了外表面2.0 mm 處的硬度，焊縫LHI -5 和LHI -7 的最大硬度為351 Hv10，其認(rèn)為是可以接受的。

鈍邊區(qū)域HAZ 的硬度不超過332 Hv10，且從鈍邊到蓋面焊縫金屬的最大值是一個(gè)孤立的點(diǎn)，為353 Hv10，所有其他的點(diǎn)均低于342 Hv10。在HHI -3 焊縫上，HAZ 的最大硬度為332 Hv10 在蓋面區(qū)域，290 Hv10 在鈍邊區(qū)域，而焊縫則不超過329 Hv10。同時(shí)發(fā)現(xiàn)了在壁厚中心HAZ 有明顯的局部的軟化(硬度降低到251 Hv10)，但正如橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果說明的一樣，其對(duì)焊縫完整性并無不良影響。

3 環(huán)焊縫顯微組織分析

圖10 為兩種不同CTOD 數(shù)值的HHI 焊縫的顯微組織，它們之間并無明顯差別。兩種顯微組織均由貝氏體和針狀鐵素體組成。使用Lepera 選擇性腐蝕法，發(fā)現(xiàn)了M-A 的存在，如圖11 所示。

圖10 HHI 焊縫接頭的顯微組織

圖11 HHI 焊縫接頭Lepera 腐蝕法發(fā)現(xiàn)的M-A

與HHI 焊縫的顯微組織相比，LHI 焊縫接頭典型地顯示為細(xì)小的顯微組織，如圖12 所示。在LHI 焊縫接頭也觀察到了M-A 的存在，如圖13 所示。從這些照片中也可以看出由于高的冷卻速率，顯微組織由細(xì)小的針狀鐵素體和下貝氏體組成，特別在焊材A 情況下，它的C含量最高。

圖12 LHI 焊縫接頭示意圖

圖13 LHI 焊縫接頭Lepera 腐蝕法發(fā)現(xiàn)的M-A

通過以上試驗(yàn)，可以得出:HHI WM 的顯微組織主要由針狀鐵素體組成;在焊材B(低碳)情況下發(fā)現(xiàn)了大量帶有粗大板條的貝氏體鐵素體;在LHI 接頭(較高冷卻速率)的焊縫中觀察到細(xì)小的針狀鐵素體和下貝氏體，尤其在焊材A 情況下(較高的碳含量);由于多通道焊接，進(jìn)行臨界間再次加熱后存在不同的區(qū)域，顯示了稍多的第二相(碳化物團(tuán)簇，M-A 島)。

4 結(jié) 論

1)使用ER110 焊絲A 和ER100 焊絲B，熱輸入范圍從0.6 kJ/mm ～1.1 kJ/mm，能滿足0°C 時(shí)熱影響區(qū)在FL+1 mm 處的CTOD 值0.25 mm 的要求。

2)使用ER110 焊絲A 和ER100 焊絲B，及0.6 kJ/mm 的低熱輸入，保證0°C 時(shí)在焊縫及在熔合線HAZ 的平均最小值0.15 mm 是可能的。如果要求焊縫的最小值為0.25 mm，則需要進(jìn)一步對(duì)焊材(可獲得的或?qū)⒁_發(fā)的)進(jìn)行試驗(yàn)。

3)使用ER110 焊絲A 和ER100 焊絲B，及1.1 kJ/mm 的高熱輸入，保證0℃時(shí)焊縫CTOD 的平均最小值0.20 mm 是可能的。同時(shí)目前尚不要求保證熔合線的CTOD 值。如果焊縫的CTOD 值0.25 mm 為強(qiáng)制性要求，則需要進(jìn)一步對(duì)焊材(可獲得的或?qū)⒁_發(fā)的)進(jìn)行試驗(yàn)。

4)為滿足焊接狀態(tài)下環(huán)焊縫接頭(WM，F(xiàn)L，F(xiàn)L +1mm)的CTOD 平均為0.15 mm 的要求，Tenaris 提出將TTR 12.75”O(jiān)D×16 mm WT 的C1 合金設(shè)計(jì)的可焊性熱輸入范圍限制在0.70 kJ/mm±15%。

5)通過使用短時(shí)的焊后熱處理(685℃時(shí)保溫5 min)，可以提高熔合線的CTOD 值，但對(duì)焊縫則不太明顯。

編譯自Alfonso Lzquierdo. Development of High Steel Grade Seamless X100 Weldable，Proceedings of the ASME 27th International Conference of offshore Mechanics and Arctic Engineering，Estoril.Protugal，June 15 -20，2008.