組織特征對(duì)高強(qiáng)管線鋼焊縫及熱影響區(qū)韌性的影響*

袁雪婷， 李 麗， 楊 軍，牛 輝， 劉海璋，郭 丹

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008；3.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川 廣漢618300）

組織特征對(duì)高強(qiáng)管線鋼焊縫及熱影響區(qū)韌性的影響*

袁雪婷1,2， 李 麗3， 楊 軍1,2，牛 輝1,2， 劉海璋1,2，郭 丹2

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008；3.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川 廣漢618300）

為了研究組織特征對(duì)高強(qiáng)管線鋼管焊縫及熱影響區(qū)韌性的影響，降低管線建設(shè)成本，保證服役管道的安全性和可靠性，以X80管線鋼為例，分析了奧氏體晶粒尺寸、第二項(xiàng)粒子、HAZ粗晶區(qū)第二相組織等對(duì)管線鋼管焊縫及HAZ韌性的影響。分析結(jié)果表明，適當(dāng)控制t8/5和tH，保證第二相粒子的數(shù)量、均勻分布及HAZ粗晶區(qū)貝氏體的均勻化和精細(xì)化，避免島鏈狀大尺寸尖角型M-A組元的產(chǎn)生是提高焊縫及熱影響區(qū)韌性的有效方法。另外，在焊材的設(shè)計(jì)和制備上做好多元合金和微合金含量的精細(xì)配比和冶煉，防止合金元素偏聚，形成大尺寸夾雜和異類相影響焊縫塑韌性。

高強(qiáng)管線鋼；韌性；焊接接頭；第二相粒子

2008年我國(guó)開工建設(shè)的西氣東輸二線輸氣管線工程是世界上距離最長(zhǎng)、直徑最大、使用X80管線鋼量最多、技術(shù)含量較高的天然氣管線，主干線長(zhǎng)4 918 km，全部采用X80管線鋼管，鋼管直徑1 219 mm。與此同時(shí)，X90管線鋼在我國(guó)西氣東輸三線的試驗(yàn)段應(yīng)用也被提上日程，X100、X120管線鋼也在試驗(yàn)開發(fā)中。隨著石油天然氣需求的不斷增長(zhǎng)，遠(yuǎn)距離高壓油氣輸送管道的建設(shè)必向著高強(qiáng)度、高韌性、大壁厚、大直徑以及大輸量方向發(fā)展[1-5]。提高鋼級(jí)、減小壁厚能有效節(jié)約管道建設(shè)成本，每提高一個(gè)鋼級(jí)可節(jié)約成本約7%[6-7]。高壓、遠(yuǎn)距離、大輸量管線工程的建設(shè)，對(duì)管線用鋼在強(qiáng)度、韌性、塑性等性能指標(biāo)方面有更高要求，要求服役管道不但具有高的強(qiáng)度和優(yōu)良塑性，而且具有可靠的低溫沖擊韌性，在凍融、地震、泥石流等自然災(zāi)害多發(fā)地帶服役的管線鋼還要求具有良好的抗大變形能力[8-10]。

我國(guó)西氣東輸二線工程采用的X80管線鋼，是在C-Mn系列低碳鋼中加入微量Nb、V、Ti，并利用控扎控冷技術(shù)，通過(guò)碳（氮）化合物析出強(qiáng)化來(lái)提高材料強(qiáng)度[11]，具有良好沖擊韌性和焊接性。然而，隨著高強(qiáng)管線鋼管的不斷推廣應(yīng)用，服役管線的安全性和性能的可靠性將是關(guān)注的重點(diǎn)。對(duì)于高壓超長(zhǎng)大輸量高強(qiáng)管線工程而言，焊縫處性能較其他位置更受到關(guān)注。從眾多研究報(bào)道[12-16]看，在無(wú)焊接缺陷影響下鋼管焊縫強(qiáng)度一般會(huì)高于管體母材強(qiáng)度，但沖擊功值卻遠(yuǎn)小于管體其他位置，即焊縫處韌性要弱于管體母材。在相同試驗(yàn)條件下，熱影響區(qū)沖擊功值同樣也小于管體母材，即熱影響區(qū)韌性亦弱于管體母材。因此，本研究分析了管線鋼組織特征對(duì)高強(qiáng)管線鋼焊縫及熱影響區(qū)韌性的影響，以期為高強(qiáng)管線鋼管的生產(chǎn)、工程建設(shè)、服役安全及可靠性研究提供參考。

1 微觀組織特征對(duì)焊縫及HAZ韌性的影響

1.1 奧氏體晶粒尺寸對(duì)韌性的影響

與母材相比，焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)主要組織類型為針狀鐵素體、粒狀貝氏體和板條貝氏體或以上幾種組織的復(fù)相組合[17-19]。決定焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)韌性的因素主要有貝氏體、鐵素體的片條大小及M-A組元的形態(tài)、尺寸和分布，但粗晶區(qū)晶粒尺寸粗大，是造成熱影響區(qū)韌性下降的主要原因。奧氏體晶粒尺寸隨t8/5（溫度從800℃降到500℃所需的時(shí)間）和tH（峰值溫度持續(xù)的時(shí)間）變化規(guī)律如圖1所示[20]。隨著t8/5和tH的增大，晶粒尺寸均顯著增大。在焊接連續(xù)加熱與冷卻過(guò)程中，晶粒長(zhǎng)大具有熱慣性，即在加熱過(guò)程中最為激烈，但在冷卻過(guò)程中還有繼續(xù)長(zhǎng)大的趨勢(shì)。

圖1 奧氏體晶粒尺寸與t8/5和tH的關(guān)系曲線

研究表明[21-22]，晶粒大小與韌性有明確關(guān)系，韌脆轉(zhuǎn)變溫度隨晶粒粗化而上升。式（1）給出了韌脆轉(zhuǎn)變溫度tc和平均晶粒尺寸的關(guān)系[23]。

式中，β、B、C為常數(shù)。

晶界對(duì)裂紋擴(kuò)展起阻礙作用，晶粒的粗化造成了晶界面積的減少，晶粒之間的作用力減弱，對(duì)裂紋的阻力降低，直觀表現(xiàn)為韌性下降。另外，晶粒越細(xì)小，晶粒內(nèi)部空位數(shù)目和位錯(cuò)數(shù)目均減少，組織均勻性提高，從而推遲了微孔和微裂紋的萌發(fā)。當(dāng)晶粒尺寸小于0.1 μm時(shí)，材料具有較高韌性[23]。X80管線鋼奧氏體晶粒尺寸與沖擊韌度的關(guān)系如圖2所示[20]。

圖2 X80管線鋼奧氏體晶粒尺寸與沖擊韌度的關(guān)系

對(duì)于焊縫焊接粗晶區(qū)，由于焊接時(shí)經(jīng)受了峰值溫度的熱循環(huán)作用，奧氏體晶粒長(zhǎng)大迅速。大線能量焊接時(shí)，奧氏體晶粒粗化更嚴(yán)重，不可避免的導(dǎo)致二次轉(zhuǎn)變組織的粗化，使韌性下降。為了限制HAZ粗晶區(qū)晶粒粗化，應(yīng)嚴(yán)格限制峰值溫度持續(xù)時(shí)間tH。對(duì)tH的控制主要是靠控制線能量，因此為了防止晶粒粗化，應(yīng)采用小線能量和適當(dāng)預(yù)熱溫度配合，獲得理想熱循環(huán)。

1.2 第二相粒子的影響

微合金高強(qiáng)鋼是通過(guò)在C-Mn系列低碳鋼中加入微量Nb、V、Ti，并利用控扎控冷技術(shù)，通過(guò)微合金元素的碳（氮）化合物析出強(qiáng)化提高材料強(qiáng)度、韌性和焊接性。第二相粒子（主要是析出強(qiáng)化相）的尺寸、數(shù)量、形態(tài)和分布以及在焊接熱循環(huán)中的溶解、再析出和長(zhǎng)大等行為對(duì)鋼及焊縫的沖擊韌性有顯著影響。

1.2.1 第二相粒子的溶解和析出行為

第二相粒子在HAZ中的溶解和析出行為與“溶度積”相聯(lián)系。 式（2）給出了“溶度積”的表達(dá)式[20]。

式中： M—金屬元素（Nb、 V、 Ti）；

I—間隙元素（C、N）；

A、B—試驗(yàn)確定的常數(shù)；

m、n—化合價(jià)；

T—溫度。

根據(jù)（2）式，已知A、B可求各溫度下平衡溶度積，或求出某一組成時(shí)固溶溫度。表1為Nb、V、Ti的碳、氮化物的固溶溫度。由表1可見，TiN溶解溫度高，在焊接過(guò)程中最不易分解；VC不穩(wěn)定，在加熱早期即發(fā)生分解。另外，由于Ti（CN）、 V（CN）和 Nb（CN）可互溶，當(dāng)鋼中同時(shí)添加多種碳氮化物形成元素時(shí)，將形成復(fù)合化合物，其溶解度與該復(fù)合化合物組成有關(guān)。

表1 Nb、V、Ti碳氮化合物的固溶溫度

1.2.2 HAZ粗晶區(qū)第二相粒子的溶解、析出和長(zhǎng)大

高強(qiáng)管線鋼HAZ粗晶區(qū)韌性的提高主要靠細(xì)小彌散的第二相粒子對(duì)晶界和奧氏體晶粒的釘扎和阻礙作用。經(jīng)焊接熱循環(huán)后，由于大部分碳氮化物的高溫穩(wěn)定性差，將發(fā)生大量溶解并重新固溶于奧氏體中，在隨后冷卻過(guò)程中，由于冷卻速度較快，第二相粒子僅部分發(fā)生沉淀析出，而未析出的主要以固溶狀態(tài)存在于粗晶區(qū)中。因此，焊接熱循環(huán)過(guò)程粗晶區(qū)單位面積內(nèi)的粒子數(shù)量均不同程度減少，特別是形狀不規(guī)則的粒子數(shù)量大大減少。圖3為高溫停留時(shí)間tH對(duì)HAZ第二相粒子溶解、再析出和聚集長(zhǎng)大規(guī)律的影響[20]。 圖 3（a）、 3（b）和 3（c）給出了在焊縫HAZ峰值溫度和加熱速度相同且tH=0 s、tH=4.5 s和tH=7.4 s條件下粗晶區(qū)第二相粒子的溶解和再析出情況。高溫停留時(shí)間tH對(duì)第二相粒子的長(zhǎng)大有顯著影響。圖4給出了第二相粒子平均直徑隨tH延長(zhǎng)的變化曲線[20]。

圖3 高溫停留時(shí)間tH對(duì)HAZ第二相粒子溶解、再析出和聚集長(zhǎng)大規(guī)律的影響

圖4 第二相粒子尺寸隨高溫停留時(shí)間tH的變化關(guān)系

對(duì)于在加熱過(guò)程中未溶解的第二相粒子，隨t8/5的增加粒子尺寸逐漸增大，分布不均勻性增加，出現(xiàn)聚集長(zhǎng)大現(xiàn)象。圖3（d）給出了在峰值溫度和加熱速度相同且tH=7.4 s、t8/5=24.1 s的條件下粗晶區(qū)第二相粒子的聚集長(zhǎng)大形貌。第二相粒子數(shù)量的減少和分布的不均勻?qū)p弱對(duì)晶界的釘扎作用，使晶粒顯著粗化，造成韌性下降[24]。

1.3 HAZ粗晶區(qū)二次組織的影響

少量鐵素體、粒狀貝氏體和板條狀貝氏體或幾種組織的復(fù)相組合是高強(qiáng)管線鋼焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的組織類型，其與焊縫和母材組織有根本性區(qū)別和不同[17-19]。

X80及以上鋼級(jí)管線鋼焊接粗晶區(qū)中，貝氏體組織占了較大比例，其組織形態(tài)和分布，對(duì)韌性的影響尤為顯著。在小線能量和適當(dāng)預(yù)熱溫度條件下，焊接粗晶區(qū)晶粒較細(xì)，其組織為大量板條狀貝氏體和少量粒狀貝氏體。板條狀貝氏體長(zhǎng)度、寬度均較小，方向性差，而粒狀貝氏體的形成起到了分割板條狀貝氏體的作用，使具有相同取向的貝氏體板條變細(xì)變短。板條的邊界可以起到類似于晶界的作用，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到板條邊界時(shí)將發(fā)生彎折，從而在低溫?cái)嗔堰^(guò)程中能有效阻礙裂紋擴(kuò)展。

當(dāng)采用大線能量時(shí)，由于冷卻速度減慢造成了奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，轉(zhuǎn)變后的組織中板條狀的貝氏體含量顯著增多，少量粒狀貝氏體對(duì)板條狀貝氏體的分割作用有限，板條尺寸粗大，方向性強(qiáng)，與小線能量相比，韌性顯著下降。預(yù)熱溫度高，因此高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，冷卻速度慢，奧氏體晶粒粗大，板條狀貝氏體尺寸更粗大，少量粒狀貝氏體對(duì)板條幾乎不存在分割作用，韌性較差。

X80及以上鋼級(jí)管線鋼粗晶區(qū)韌性與組織構(gòu)成、形態(tài)和分布有著緊密聯(lián)系[20,25]。當(dāng)粗晶區(qū)粒狀貝氏體含量較高時(shí)，板條狀貝氏體細(xì)小，方向性差且粒狀貝氏體對(duì)板條狀貝氏體的分割作用顯著，有效增大板條束邊界（可起晶界作用）的數(shù)量，可提高焊縫沖擊韌度；若粒狀貝氏體含量降低，分割作用將減弱，韌性下降；板條束貝氏體變得粗大，方向性強(qiáng)，以及多邊形鐵素體含量的增大，都弱化了高強(qiáng)管線鋼粗晶區(qū)的沖擊韌度，并導(dǎo)致其沖擊韌性的不穩(wěn)定。

1.4 M-A組元的影響

圖5 X90管線鋼管焊縫熱影響區(qū)TEM微觀組織特征

圖5給出了X90高強(qiáng)管線鋼管焊縫熱影響區(qū)粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和混晶區(qū)的微觀組織特征及M-A組元形態(tài)、分布及尺寸。M-A組元是由富碳奧氏體在較低溫度下發(fā)生不完全馬氏體相變形成，相對(duì)于周圍的鐵素體基體來(lái)說(shuō)屬于硬質(zhì)相，塑變能力較弱，與周圍鐵素體基體間的適配性和協(xié)調(diào)性欠佳，在內(nèi)應(yīng)力作用下容易在板條狀MA組元的兩端部和尖角M-A組元的尖角處引起應(yīng)力集中，最終在相界處萌生微裂紋或微孔洞。相關(guān)研究表明[26-27]，焊接熱影響區(qū)M-A組元的形態(tài)、數(shù)量、尺寸和分布對(duì)性能有很大影響，是引起焊接熱影響區(qū)韌性降低的重要原因。

研究表明[28]，M-A組元中的高硬度馬氏體，在變形過(guò)程易產(chǎn)生應(yīng)力集中，與相變過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力交疊影響，導(dǎo)致了脆性裂紋的萌生和擴(kuò)展。脆性裂紋形核中心的產(chǎn)生主要由M-A組元與基體的分離及其內(nèi)部自斷裂引起，且長(zhǎng)條狀M-A組元相比于塊狀更易與基體分離，而塊狀M-A組元?jiǎng)t更易發(fā)生斷裂，尤其是大尺寸塊狀M-A組元。

2 夾雜物的影響

圖6 X90級(jí)管線鋼管焊縫內(nèi)夾雜物形貌特征、形核特征、成分分析及分布情況

焊接是母材金屬與焊材金屬熔化再凝固的過(guò)程。焊接過(guò)程，對(duì)熔敷金屬采用了諸如惰性氣體、焊劑熔渣等保護(hù)措施，但對(duì)各種夾雜物的形成抑制作用有限。焊絲的多元合金化和微合金化設(shè)計(jì)保證了焊縫金屬中能形成一定量的夾雜物作為針狀鐵素體的形核中心[29]，X90管線鋼管焊縫夾雜物形貌特征、形核特征、成分分析及分布情況如圖6所示[30]。圖6（a）為焊縫沖擊試樣斷口面纖維區(qū)形貌，圖中在韌窩底部存在球狀?yuàn)A雜；圖6（b）中夾雜物尺寸約 1.0 μm，周圍針狀鐵素體以其為核心呈放射狀生長(zhǎng)。當(dāng)球形夾雜物尺寸在0.4～1.0 μm且數(shù)量少到彼此間距超過(guò)10 μm時(shí)對(duì)針狀鐵素體的形核最為有利且不會(huì)對(duì)材料宏觀性能造成影響[31]。但大尺寸夾雜物則是微孔、微裂紋形成及聚集長(zhǎng)大最有利位置，極易萌生裂紋，引發(fā)斷裂，使得焊縫韌性降低。圖6（c）為焊縫沖擊試樣斷口面放射區(qū)形貌，夾雜呈不規(guī)則形態(tài)，大小尺寸約 20 μm×15 μm，經(jīng)圖 6（d）EDS 分析，其主要為Al2O3、 MgO、 Ti2O3、 MnO、 SiO2等氧化物組成，分析結(jié)果見表2；圖6（e）是焊縫沖擊試樣近斷口區(qū)夾雜物分布情況，在大小為75 μm×75 μm的視域內(nèi)，存在約50個(gè)可辨夾雜，夾雜形狀不規(guī)格，多呈圓形，分布不均，直徑為0.4～2.0 μm，如圖6中箭頭所示。焊絲多元合金化和微合金化設(shè)計(jì)保證了焊縫金屬中存在一定量的微細(xì)夾雜物，但同時(shí)大尺寸、密集分布的夾雜物增大了對(duì)韌性的損傷，使材料中裂紋形成的機(jī)率增多，對(duì)材料韌性有極大損傷，且密集分布的大尺寸夾雜物更易加快微裂紋連接和發(fā)展，最終造成焊縫斷裂[16]。

表2 X90管線鋼管焊縫內(nèi)夾雜物EDS分析結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

管道的安全性是油氣管道輸送的重點(diǎn)。管線設(shè)計(jì)和安全評(píng)定主要使用平面應(yīng)變沖擊韌性、平面應(yīng)變斷裂韌性作為材料破壞的指標(biāo)。韌性是管線鋼重要的性能之一，也是管道設(shè)計(jì)必須考慮的重要因素。

高強(qiáng)管線鋼管焊縫及熱影響區(qū)韌性影響因素眾多，對(duì)于提高焊縫熔敷金屬區(qū)和熱影響區(qū)韌性的有效方法便是正確制定焊接工藝，合理控制t8/5和tH，保證第二相粒子的數(shù)量和均勻分布及HAZ粗晶區(qū)貝氏體的均勻化和精細(xì)化，避免島鏈狀大尺寸尖角型M-A組元的產(chǎn)生。另外，在焊材的設(shè)計(jì)和制備上做好多元合金和微合金含量的精細(xì)配比和冶煉，防止合金元素偏聚，形成大尺寸夾雜和異類相影響焊縫塑韌性。

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Influence of Microstructure Characteristics on the Toughness of High Strength Pipeline Steel Weld and Heat Affected Zone

YUAN Xueting1,2，LI Li3，YANG Jun1,2，NIU Hui1,2，LIU Haizhang1,2，GUO Dan2
（1.National Engineering Technology Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China；3.Safety,Environment,Quality Supervision and Testing Research Institute,CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd.,Guanghan 618300,Sichuan,China）

In order to research the influence of microstructure characteristics on the toughness of high strength line pipe weld and heat affected zone(HAZ),reduce costs of pipeline construction and ensure safety and reliability of service,a case study of X80 pipeline steel,the influence of austenite grain size,second phase particles,second phase structure of HAZ coarse grain zone on the toughness of weld and HAZ were analyzed.The analysis results showed that the effective ways to improve the toughness on welded and HAZ of high strength pipeline steel pipe were to control t8/5and tHproperly for guarantees the number and uniform distribution of the second phase particles and the uniformity and refinement of bainite in HAZ coarse grain area,and avoid the formation of the large-size angle-shaped M-A element of island chain.In addition,in the design and preparation of welding materials,achieve the subtle proportion and smelting of the content of the multi-alloy and micro-alloy to prevent forming inclusions and heterogeneous phases which influenced plasticity and toughness in the weld caused by the segregation of alloy elements.

high strength pipeline steel;toughness;welded joints;second phase particles

TG142.1

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.11.005

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“超高強(qiáng)度油氣輸送管材關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)2011BAE35B01）。

袁雪婷（1988—），女，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)橛蜌夤懿拈_發(fā)及焊接技術(shù)。

2017-06-13

編輯：羅 剛