基于應(yīng)變設(shè)計的X70鋼管軟化及脆化研究

靳海成，張金喜，王國兵，馮大勇

（1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，河北 廊坊065000；2.中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊065000；3.中國石油管道局工程有限公司第五分公司，河北 廊坊065000）

基于應(yīng)變設(shè)計的X70鋼管軟化及脆化研究

靳海成1，張金喜2，王國兵3，馮大勇1

（1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，河北 廊坊065000；2.中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊065000；3.中國石油管道局工程有限公司第五分公司，河北 廊坊065000）

為了研究基于應(yīng)變設(shè)計的X70鋼管在焊接熱循環(huán)作用下熱影響區(qū)軟化和脆化現(xiàn)象，采用焊接熱模擬試驗、系列溫度沖擊試驗及硬度檢測等方法，分析了焊接接頭熱影響區(qū)組織形成、低溫沖擊韌性和軟化程度大小的影響因素。研究結(jié)果表明，X70大變形鋼焊接熱影響區(qū)的脆化現(xiàn)象不明顯，但存在不同程度的軟化現(xiàn)象，填充層硬度最大降低10%，蓋面層硬度最大降低11.6%。通過對焊縫的補強覆蓋焊接增大了焊縫余高的寬度和高度，解決了焊縫熱影響區(qū)的軟化的問題。

焊接；X70鋼管；基于應(yīng)變設(shè)計；大變形鋼；焊縫；軟化；脆化

長輸管線在建設(shè)過程中往往途經(jīng)滑坡、地質(zhì)沉降及凍土等環(huán)境惡劣地區(qū)。在這些區(qū)域敷設(shè)管道，地質(zhì)運動會導(dǎo)致管道發(fā)生大的變形，因此，要求鋼管應(yīng)具有足夠大的抗變形能力來承受整體和局部的變形。基于應(yīng)變設(shè)計的大變形鋼管具有較低的屈強比及大的塑性變形能力，能適應(yīng)環(huán)境惡劣地區(qū)的要求。因此，長距離管線采用高強度大變形鋼管是一種有效的措施。但高強度大變形管線鋼管在焊接熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)可能會存在不同程度的軟化和脆化現(xiàn)象，降低了大變形鋼的均勻變形能力，本研究針對這一現(xiàn)象進行了研究。

1 焊接接頭脆化研究

為了保證大的均勻延伸率，基于應(yīng)變設(shè)計的X70大變形鋼管設(shè)計為雙相組織（鐵素體+貝氏體）其微觀形貌如圖1所示。母材熱影響區(qū)上各點距焊縫的遠近不同，受到的焊接熱循環(huán)不同，就會出現(xiàn)不同的組織，具有不同的性能。對于蓋面層的單道焊，根據(jù)峰值溫度，HAZ可劃分為粗晶區(qū) （GCHAZ）、細晶區(qū)（GRHAZ）、中間臨界區(qū)（ICHAZ）和亞臨界區(qū)（SCHAZ）4 個區(qū)域。

圖1 X70大變形鋼管顯微組織照片

對于多道焊，第二道焊縫的HAZ與第一道焊縫的HAZ相互重疊，在第一道焊縫的HAZ中形成部分或完全再熱區(qū)。再熱粗晶區(qū)大致可分為4個區(qū)域：未變粗晶熱影響區(qū)（UACGHAZ）、亞臨界再熱粗晶區(qū)（SCCGHAZ）、中間臨界再熱粗晶區(qū)（ICGCHAZ ）和亞臨界粗晶區(qū)（SCGHAZ）。

本研究采用焊接熱模擬技術(shù)，通過對環(huán)焊焊接接頭不同區(qū)域組織分析，發(fā)現(xiàn)焊接熱影響區(qū)的CGHAZ和ICGCHAZ性能相對較差。通過熱模擬試驗分析大變形鋼多層焊時焊接熱輸入對材料的組織和低溫性能的影響，從而為優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，提高焊接接頭的低溫韌性，保證基于應(yīng)變設(shè)計大變形鋼管的安全運行提供參考依據(jù)。

熱模擬試驗峰值溫度為1 350℃時，GCHAZ在t8/5=5 s和t8/5=10 s條件下的系列溫度夏比沖擊試驗結(jié)果見表1。從表1可以看出，t8/5=5 s條件下，－40℃時，粗晶熱影響區(qū)具有較好的沖擊韌性，但－60℃時，沖擊韌性明顯下降。t8/5=10 s條件下，－20℃時，焊接熱影響區(qū)仍具有較好的沖擊韌性，但－40℃時，沖擊韌性明顯下降，但仍然較高。

表1 GCHAZ不同t8/5條件下的系列溫度夏比沖擊試驗結(jié)果

GCHAZ在 t8/5=5 s和t8/5=10 s條件下顯微組織照片如圖2所示。從圖2可以看出，t8/5=5 s時，其組織為粒狀貝氏體；t8/5=10 s時，其組織為鐵素體+粒狀貝氏體，且晶粒明顯長大。

圖2 GCHAZ在不同t8/5下的顯微組織照片

不同t8/5條件下，系列溫度沖擊試驗結(jié)果表明，－40℃以上時熱影響區(qū)均具有較高的沖擊韌性，可見X70大變形鋼的焊接熱影響區(qū)脆化現(xiàn)象不嚴(yán)重。

2 焊接接頭軟化研究

大變形鋼管在焊接過程熱作用下，焊接熱影響區(qū)存在不同程度的軟化現(xiàn)象，焊接接頭的軟化造成焊縫在受到拉應(yīng)力作用時，軟化區(qū)很容易出現(xiàn)集中變形，并在變形區(qū)發(fā)生斷裂，從而降低了大變形鋼管的均勻變形能力。

焊接熱影響區(qū)的軟化程度多用軟化系數(shù)表示，可通過硬度降低的百分比來測定。因此，焊接接頭的軟化程度可以采用系列硬度法來檢測。不同焊接工藝條件下的系列硬度分布如圖3所示，不同制管廠的軟化工藝及不同焊層的硬度降低比見表2。

圖3 不同焊接工藝條件下的系列硬度分布

表2 焊接接頭的軟化工藝及不同焊層的硬度降低比

由表2和圖3可知，1#和2#試樣為同一制管廠、不同焊接工藝下的焊接試樣，系列硬度試驗結(jié)果見圖 3（a）～圖 3（f）。 可見， 1#工藝根焊層熱影響區(qū)硬度降低22.7%，填充層降低6.7%，蓋面層降低6.6%；2#工藝根焊層降低11.1%、填充層降低6.6%，蓋面層降低不明顯。對比來看，1#工藝的軟化更為嚴(yán)重。從焊接工藝角度分析，1#工藝為半自動焊工藝，其焊接熱輸入整體比2#工藝的焊條電弧焊工藝大，其軟化也相對更為嚴(yán)重。

1#試樣、3#試樣和4#試樣為不同制管廠、相同焊接工藝下的焊接試樣，系列硬度試驗結(jié)果見圖 3（a）～圖 3（c）和圖 3（g）～圖 3（l）。 對比表 2中3種鋼管不同焊層的硬度降低比例，可以看出，A廠和C廠鋼管的軟化較為嚴(yán)重，B廠鋼管相對較輕。在焊接工藝一定的條件下，焊接接頭的軟化與鋼管本身的合金體系、顯微組織、晶粒尺寸、軋制工藝等有關(guān)，因此，從工程應(yīng)用的角度看，鋼管的生產(chǎn)應(yīng)從合金體系的設(shè)計及軋制工藝等全過程考慮焊接接頭熱影響區(qū)軟化的情況，通過合金體系及軋制工藝減少鋼對焊接熱的敏感性。

通過系列硬度試驗結(jié)果可以看出，不同焊接工藝下、不同鋼廠的大變形鋼管，其熱影響區(qū)均存在一定的軟化現(xiàn)象，這會造成在軟化區(qū)出現(xiàn)集中變形，進而影響大變形鋼管的整體均勻變形。

一組拉伸試樣的照片如圖4所示，由圖4可見，焊接接頭的斷裂位置均在軟化區(qū)內(nèi)。

圖4 軟化區(qū)斷裂的拉伸試樣

為了解決軟化問題，開展了幾何補強的相關(guān)研究。幾何補強覆蓋焊接法就是通過對焊接余高進行加寬和加高，改變軟化區(qū)的形狀和尺寸，如圖5所示。

圖5 幾何補強覆蓋焊接法示意圖

對軟化區(qū)進行補強覆蓋焊接后，蓋面焊縫增寬T/2，焊縫高度為h1=T/S。T為管道壁厚，h1為焊后焊縫高度，S為軟化系數(shù)。

對軟化區(qū)進行補強覆蓋焊接后，可以提升焊接接頭的抗斷裂能力，實現(xiàn)焊接接頭的高強匹配。通過補強覆蓋焊接可以實現(xiàn)自保護半自動焊工藝在大變形鋼管焊接中的應(yīng)用，提高現(xiàn)場的施工效率。

3 結(jié) 論

（1）基于應(yīng)變設(shè)計的X70大變形鋼管組織為鐵素體+貝氏體，經(jīng)過t8/5=5 s的熱循環(huán)后，組織為粒狀貝氏體，t8/5=10 s的組織為鐵素體+貝氏體。－40℃時，仍具有較高的沖擊功，其脆化并不嚴(yán)重。

（2）系列硬度試驗表明，X70大變形鋼管環(huán)焊接頭存在一定的軟化現(xiàn)象，填充層硬度最大降低10%，蓋面層硬度最大降低11.6%；幾何補強覆蓋法能夠解決拉伸斷裂在軟化區(qū)的問題，提升了焊接接頭抗變形能力。

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Study on the Softening and Embrittlement of Strain-based Design X70 Steel Pipe

JIN Haicheng1， ZHANG Jinxi2， WANG Guobing3， FENG Dayong1
（1.China Petroleum and Natural Gas Pipeline Science Research Institute Co.,Ltd.,Langfang 065000， Hebei，China；2.International Business Division of China Petroleum Pipeline Bureau Engineering Co.,Ltd.,Langfang 065000，Hebei，China；3.No.5 Branch Company of China Petroleum Pipeline Bureau Engineering Co.,Ltd.,Langfang 065000，Hebei，China）

In order to find the reason of softening and embrittlement of strain-based design X70 steel pipe,using the methods of welding thermal simulation test,series temperature impact test,hardness measurement and so on,it analyzed the heat affected zone microstructure formation of welded joint,low temperature impact toughness and the influence factors of softening degree.The research results indicated that the embrittlement of the thermal influence zone of X70 large deformation steel welding heat affected zone was not obvious,but existed different degrees softening phenomenon,the hardness of the filling layer was reduced by 10%,and the hardness of the cover layer decreased by 11.6%.The width and height of welds were increased by the welding of weld reinforcement,which solved the softening problem of weld heat affected area.

welding； X70 steel pipe； strain-based design；large deformation steel； weld； softening； embrittlement

TG407

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.09.003

靳海成（1977—），男，高級工程師，主要從事長輸管道與儲罐工程焊接技術(shù)研究、焊接工藝及設(shè)備評價、材料性能測試工作。

2017-05-04

編輯：李紅麗