焊條中Al元素對(duì)X80鋼焊接接頭組織和性能的影響

黃本生，陳　鵬，盧　杰

(1. 西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500;2. 西南石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610500)

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焊條中Al元素對(duì)X80鋼焊接接頭組織和性能的影響

黃本生1,2，陳鵬2，盧杰2

(1. 西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500;2. 西南石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610500)

采用自制的手工電弧焊焊條焊接X(jué)80管線鋼，利用能譜儀和光學(xué)顯微鏡對(duì)X80鋼焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析和金相觀察；進(jìn)行硬度、拉伸和沖擊實(shí)驗(yàn)分析焊接接頭的力學(xué)性能；在含硫環(huán)境下，開(kāi)展電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和浸泡實(shí)驗(yàn)研究焊縫中Al含量對(duì)X80鋼焊縫抗硫化物腐蝕性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)藥皮中Al含量在8%范圍內(nèi)時(shí)，隨Al含量的增加，焊縫含Al量升高，焊接接頭硬度和抗拉強(qiáng)度增大，焊縫沖擊韌性和抗硫化物腐蝕性能先升高后降低，腐蝕產(chǎn)物膜形態(tài)存在明顯的變化。

X80鋼；Al元素；焊接接頭；抗硫化物腐蝕

0　引　言

X80鋼是目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的油氣管線用鋼，在我國(guó)“西氣東輸”工程中已經(jīng)得到成功的應(yīng)用[1-2]。但其腐蝕失效事故頻繁發(fā)生，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，在高含硫油氣田中腐蝕事故更為嚴(yán)重[3-4]。由于腐蝕失效主要發(fā)生在焊接接頭上，所以研究X80管線鋼焊接接頭的組織和性能具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義[5-8]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)X80管線鋼焊接接頭組織和性能做了大量研究，但主要集中在管材研究和焊接工藝的選擇方面，對(duì)于抗硫焊材的報(bào)道相對(duì)較少，并且國(guó)內(nèi)已有的關(guān)于X80鋼配套焊材的研究主要是針對(duì)埋弧焊焊絲的研制，對(duì)于手工電弧焊焊條的研究還比較有限[9-12]。陳耕耘等[13]研究了X80管線鋼配套焊條CHE657GX，表明CHE657GX焊條基本滿(mǎn)足“西氣東輸”工程管道焊接對(duì)力學(xué)性能的要求，但仍缺乏針對(duì)在含硫環(huán)境下管線鋼焊接焊條的深入研究，且也未涉及有關(guān)元素Al的探討。Stafford等[14]根據(jù)元素Al對(duì)鐵合金硫化影響的研究表明，Al能有效提高合金的抗硫化性，隨著Al元素含量的增加，合金發(fā)生硫化腐蝕速率降低。Al元素可以在合金表層形成具有較高電化學(xué)穩(wěn)定性和更低腐蝕速率的Al2O3鈍化膜，阻滯陽(yáng)極過(guò)程的進(jìn)行，進(jìn)而提高焊縫的化學(xué)穩(wěn)定性，增強(qiáng)X80鋼焊接接頭的抗腐蝕性能；在焊接過(guò)程中Al與焊縫金屬作用生成Al的夾雜物，進(jìn)而影響焊縫的抗硫腐蝕性能[15-18]。因此，研制X80管線鋼用含Al焊條，探究焊接接頭的組織及性能具有重要的實(shí)際意義。

本文通過(guò)控制元素Al的含量設(shè)計(jì)焊條配方，配合H10Mn2焊絲研制手工焊焊條并用于焊接X(jué)80鋼，在探究接頭顯微組織和力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究其抗硫化物腐蝕性能，旨在探索適合含硫環(huán)境下焊接的X80管線鋼用焊條。

1　實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的X80管線鋼，規(guī)格為?1 016 mm×18 mm，其化學(xué)成分如表1所示。

1.2焊條設(shè)計(jì)

1.2.1焊芯

實(shí)驗(yàn)焊芯選用H10Mn2焊絲，其直徑為4.0mm，長(zhǎng)380mm。焊芯的化學(xué)成分如表2所示。

1.2.2藥皮配方

研制了Al含量分別為0%，2%，4%，6%和8%的5種藥皮，并分別編號(hào)為1，2，3，4和5#。藥皮配方如表3所示。

表1　X80鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2　H10Mn2焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3　藥皮成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2.3焊條成型

按照既定方案配制藥皮并完成焊條制作過(guò)程，保證焊條直徑在6.5 mm范圍內(nèi)，焊芯預(yù)留出不少于20 mm的夾持端；制作完成后在干燥的環(huán)境中晾曬24 h，然后依次在60和200 ℃的烘箱中進(jìn)行烘干，各8 h；優(yōu)選出藥皮表面無(wú)裂紋、無(wú)剝落的焊條進(jìn)行磨頭最終完成焊條的制作。

1.3焊接實(shí)驗(yàn)

X80管線鋼焊接采用焊條電弧焊(SMAW)，選用E9010焊條進(jìn)行打底焊，自制焊條完成填充和蓋面，采用帶鈍邊V型45°坡口，焊接工藝如表4所示。

1.4測(cè)試手段

1.4.1焊縫成分分析和金相觀察

利用INCA Energy 350能譜儀對(duì)焊縫金屬進(jìn)行化學(xué)成分分析，采用XTL-500金相顯微鏡觀察X80鋼焊縫的顯微組織，金相腐蝕液為4%的硝酸酒精。

1.4.2力學(xué)性能測(cè)試

參照《GB/T 2654-2008焊接接頭硬度實(shí)驗(yàn)方法》在HV-1000數(shù)字式顯微硬度計(jì)上測(cè)試焊接接頭的硬度變化，焊縫形貌及硬度測(cè)試分布點(diǎn)如圖1所示；參照《GB/T 228-2002金屬材料室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法》在WDW-1000型微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)；參照《GB/T 229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)方法》在ZBC2302-D型擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)。拉伸和沖擊實(shí)驗(yàn)根據(jù)研制的焊條設(shè)計(jì)5組實(shí)驗(yàn)，每組3個(gè)試樣，最后求測(cè)試結(jié)果的平均值。

表4　焊接工藝

圖1　焊縫形貌及硬度測(cè)定分布點(diǎn)

1.4.3耐蝕性測(cè)試

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)在PGSTAT 302N電化學(xué)工作站上進(jìn)行，腐蝕液為8%的硫化鈉溶液，得到極化曲線，分析X80鋼焊縫的腐蝕電位變化。常溫常壓下，利用失重法測(cè)試X80鋼焊縫的腐蝕速率，腐蝕環(huán)境為T(mén)M0177-2005標(biāo)準(zhǔn)中的A溶液通以飽和硫化氫氣體，實(shí)驗(yàn)周期為96 h，利用TESCAN VEGA Ⅱ XMH掃描電子顯微鏡(SEM)觀察腐蝕產(chǎn)物表面的形貌。

2　結(jié)果與分析

2.1焊縫金屬化學(xué)成分

合金元素的過(guò)渡情況如圖2所示。由圖2可知，隨著藥皮中Al含量的增加，焊縫中的Al也相應(yīng)提高；當(dāng)藥皮中Al含量為0時(shí)，焊縫中Al含量為0；當(dāng)藥皮中Al含量為8%時(shí)，焊縫中Al含量達(dá)到了0.83%，這表明焊條中的Al能夠?qū)崿F(xiàn)較好的過(guò)渡。Al具有脫氧、脫硫、固氮的作用，可以形成保護(hù)性較好的熔渣，有效地穩(wěn)定電弧、減小飛濺、保護(hù)焊縫金屬，有利于合金元素Mn、Si等的過(guò)渡，保障焊縫較高的力學(xué)性能，避免由氧引起的熱脆、冷脆和失效脆化等問(wèn)題。

2.2顯微組織

焊縫金相組織如圖3所示。由圖3可知，X80鋼焊縫組織主要為鐵素體+貝氏體。隨焊縫中Al元素含量增加，焊縫中鐵素體尺寸先減小后增大；3#焊縫晶粒最為細(xì)小，分布更為均勻；2和4#焊縫組織較為粗大，1和5#焊縫分布不均勻，含夾雜物較多。晶粒越細(xì)小，晶界總長(zhǎng)越大，能降低裂紋的有害影響，改善焊縫金屬的沖擊韌性。一定含量Al的夾雜物質(zhì)點(diǎn)可作為非自發(fā)結(jié)晶核心細(xì)化組織，但由于Al是強(qiáng)鐵素體形成元素，能擴(kuò)大鐵素體相區(qū)，促使在高溫下形成的先共析鐵素體不經(jīng)過(guò)奧氏體變化直接得到室溫下粗大的鐵素體組織，因此Al含量過(guò)高，夾雜物增加，焊縫組織反而粗大，分布不均勻，導(dǎo)致熔敷金屬力學(xué)性能的下降。由此可知，用Al元素含量為4%的3#焊條焊接，可得到良好的焊縫組織。

圖2　X80鋼焊縫的EDS結(jié)果

圖3　X80鋼焊縫金相

2.3力學(xué)性能

2.3.1硬度測(cè)試

焊接接頭硬度變化如圖4。由圖4可知，焊縫和熱影響區(qū)的最大硬度值分別為260.59和261.63 HV，均滿(mǎn)足小于275 HV的要求，因此焊縫硬度檢驗(yàn)合格。對(duì)比5組焊縫的硬度值發(fā)現(xiàn)，焊縫金屬的硬度值隨Al含量的增加而增大，這是由于藥皮中的Al保障了Mn、Si等合金元素的過(guò)渡，使焊縫合金化程度更高，而Mn、Si等元素可以增強(qiáng)焊縫基體的硬度，同時(shí)更多Al存在使焊縫夾雜物增加，彌散的夾雜物同樣可以強(qiáng)化基體，提高焊縫的硬度值。

圖4　焊接接頭的硬度變化

2.3.2抗拉強(qiáng)度

焊接接頭的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，實(shí)驗(yàn)自制焊條所得焊接接頭具有較高的抗拉強(qiáng)度；隨著焊條藥皮中Al含量增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度逐漸增大。Al與氧、氮反應(yīng)生成的氧化物和氮化物部分未能上浮到熔渣中而殘留下來(lái)形成夾雜，并且這些夾雜物彌散分布在焊縫金屬中，夾雜物對(duì)位錯(cuò)具有釘扎作用，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，夾雜物越多釘扎作用越強(qiáng)，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙越大，因此焊縫金屬抗拉強(qiáng)度越大。所以隨著藥皮中Al含量的增加，焊縫金屬中夾雜物越多，焊縫的抗拉強(qiáng)度越大。另外，Mn等合金元素的增加能增強(qiáng)鐵素體基體的強(qiáng)度，進(jìn)而提高焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。

圖5　X80鋼焊接接頭拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3.3沖擊韌性

5組焊縫的沖擊韌性測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6　X80鋼焊縫沖擊韌性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Fig 6 Impact toughness test results of X80 pipeline steel welded seam

由圖6可知，含Al焊條與不含Al焊條相比，含Al焊條焊接焊縫的沖擊韌性變化較為明顯，但是隨著焊條藥皮中Al含量的增加，焊縫沖擊韌性呈先上升后降低；當(dāng)藥皮Al含量小于4%時(shí)，焊縫主要為細(xì)小的針狀鐵素體，晶界總長(zhǎng)度更長(zhǎng)，組織更均勻，沖擊韌性更大。當(dāng)藥皮Al含量為8%時(shí)，焊縫中夾雜物增多，焊縫中彌散的氮化物和氧化物與焊縫金屬的變形能力不同，在夾雜物與焊縫金屬接觸的表面產(chǎn)生應(yīng)力集中，促使裂紋的產(chǎn)生，且這類(lèi)夾雜物屬于脆性?shī)A雜，變形時(shí)易產(chǎn)生裂紋，因此導(dǎo)致沖擊韌性的下降。另一方面，由于Al元素的增加縮小了奧氏體的形成相區(qū)，進(jìn)而形成更多粗大的先共析鐵素體，這也是導(dǎo)致沖擊韌性下降的重要原因。因此X80鋼焊縫的沖擊韌性隨著藥皮中Al元素含量的增加，先增大后減小。

圖7　極化曲線測(cè)試結(jié)果

2.4腐蝕實(shí)驗(yàn)

2.4.1電化學(xué)腐蝕

焊縫極化曲線如圖7所示。由圖可知，用3和4#焊接時(shí)相比較1，2和5#焊條，其焊縫的腐蝕電流密度更小、自腐蝕電位最高，因此腐蝕傾向更小、腐蝕速率更低，表明焊縫的耐蝕性更好。X80管線鋼屬于低碳微合金鋼，合金元素含量總體偏低，合金元素直接作用于性能的可能性相對(duì)比較小，因此，通過(guò)改變顯微組織來(lái)影響焊縫性能的解釋更為合理。

本實(shí)驗(yàn)用X80鋼的焊縫組織主要為鐵素體+貝氏體，而隨Al含量增加，焊縫夾雜物增多，夾雜物作為針狀鐵素體的形核核心促進(jìn)鐵素體的形成，因此針狀鐵素體可看做由夾雜物、包圍在夾雜物周?chē)蔫F素體和外圍的富碳層組成，針狀鐵素體的晶界相對(duì)其它組織具有更高的電極電位，在局部電化學(xué)腐蝕中以陰極形式存在，所以針狀鐵素體的富碳層難以被腐蝕，降低了自身腐蝕速率，且此時(shí)焊縫組織更加均勻、大量存在的針狀鐵素體使基體具有更好的抗腐蝕性能；但當(dāng)藥皮Al含量為8%時(shí)，焊縫中開(kāi)始出現(xiàn)粗大的鐵素體組織，這部分鐵素體是由先共析鐵素體直接形成，其晶界上的雜質(zhì)較多、化學(xué)成分的不均勻，提高了焊縫金屬的晶間腐蝕速率，因此焊縫的耐蝕性下降。所以，隨著焊縫中Al含量的增加，焊縫的抗腐蝕性能呈先增大后降低的趨勢(shì)。

2.4.2硫化氫腐蝕實(shí)驗(yàn)

焊縫的浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，腐蝕產(chǎn)物形貌如圖9所示。由圖可知，在一定范圍內(nèi)，隨焊縫中Al元素含量的升高，焊接接頭腐蝕速率先減小后增大。由圖9可知，1#焊縫表面存在較多的腐蝕產(chǎn)物，并且存在腐蝕產(chǎn)物脫落的現(xiàn)象。2和3#焊縫表面產(chǎn)物膜整體較為平坦，腐蝕膜結(jié)構(gòu)致密、完整，存在極少數(shù)的晶須，具有較好的保護(hù)作用；4#焊縫表面的腐蝕產(chǎn)物膜發(fā)生了龜裂和腐蝕產(chǎn)物脫落；5#焊縫腐蝕產(chǎn)物膜呈潰爛狀，存在大量的腐蝕晶須，部分區(qū)域存在嚴(yán)重的腐蝕孔洞，因此抗腐蝕性能顯著降低。

在飽和硫化氫環(huán)境下，焊縫金屬與H2S作用生成FeS，F(xiàn)eS為致密的薄膜可阻止鐵離子的通過(guò)，一定程度上降低了腐蝕速率。當(dāng)用Al含量為4%的焊條進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫中夾雜物增多，但夾雜物作為針狀鐵素體的形核核心促進(jìn)晶粒細(xì)化、組織均勻，因此焊縫腐蝕產(chǎn)物膜更加致密、平整，抗硫腐蝕性能更好。當(dāng)用Al含量為8%的焊條進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫中夾雜物迅速增多，并且彌散的分布在焊縫中，而彌散分布的夾雜物特別是鋁氧化物、硅的夾雜物等化合物通常是裂紋的起源點(diǎn)，促進(jìn)裂紋的產(chǎn)生而破壞原本致密的保護(hù)膜，產(chǎn)生龜裂，使硫能直接接觸內(nèi)層金屬進(jìn)一步腐蝕基體，顯著增大腐蝕速率，故產(chǎn)物膜呈現(xiàn)潰爛和孔洞。因此，隨Al元素含量的加入過(guò)多，焊縫的抗硫腐蝕性能反而下降。

圖8　X80鋼焊縫浸泡實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3　結(jié)　論

(1)利用自制的焊條進(jìn)行焊接，得到了焊縫組織良好和力學(xué)性能優(yōu)異的焊接接頭，當(dāng)藥皮中Al含量低于8%時(shí)，隨Al含量的遞增，X80鋼焊接接頭硬度和抗拉強(qiáng)度均提高；焊縫的沖擊韌性先增大后減小，其中用3#(4%Al)焊條焊接時(shí)，焊縫組織最細(xì)小、分別最均勻，力學(xué)性能更好。

(2)在含硫環(huán)境下，隨焊縫中Al元素含量的增加，焊縫的抗腐蝕性能呈先增大后減小的趨勢(shì)。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中用藥皮Al含量為4%的焊條焊接，焊縫腐蝕傾向最?。欢輰?shí)驗(yàn)證明用藥皮中Al含量為2%的焊條焊接，焊縫測(cè)得的腐蝕速率最低，因此藥皮Al含量在2%～4%的范圍內(nèi)，可能存在一個(gè)能提高焊縫抗硫腐蝕性能的最優(yōu)值。

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文章編號(hào)：1001-9731(2016)08-08120-04

Effect of the element of Al in electrode on microstructure and mechanical properties of X80 pipeline steel welding joints

HUANG Bensheng1,2, CHEN Peng2,LU Jie2

(1. State Key Lab of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2. School of Materials Science and Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500,China)

In this study, an independent development electrode was developed to weld X80 pipeline steel. Moreover, the chemical composition and microstructure of welded seam was analyzed by Energy Dispersive Spectrometer (EDS) and Optical Microscope (OM). Hardness test, tensile test and impact test were also chosen to check the mechanical properties of welded joints. Electrochemical experiment test and immersion test were investigated to research the effect of the content of Al on resistance sulfur corrosion of the X80 pipeline steel welded seam, within the sulfur-bearing environment. The results show that, as addition of the content of Al in coating less than 8%, the content of Al in welded seam is improved and the hardness and the tensile strength are also increased, but the impact toughness and the resistance sulfur corrosion are enhanced first and then reduced, besides, the corrosion product film morphology changes obviously.

X80 pipeline steel; Al; welded joint; resistance sulfur corrosion

1001-9731(2016)08-08114-06

石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(OGE201402-02)；四川省教育廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目(15ZA0057)；四川省科技創(chuàng)新苗子工程資助項(xiàng)目(20131014)

2015-05-20

2015-09-16 通訊作者：黃本生，E-mail: hbslxp@163.com.

黃本生(1969-)，男，安徽省巢湖人，教授，博士，主要從事資源綜合利用、材料表面工程研究。

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10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.019