不同材質(zhì)管道對接環(huán)焊縫熱影響區(qū)的硬度分布規(guī)律研究

任俊杰，仝 珂，杜華東，馬衛(wèi)鋒，羅金恒，馬秋榮，霍春勇

1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室，陜西西安710077

2.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，陜西西安 710072

3.中國石油西部管道分公司，新疆烏魯木齊 830013

天然氣站場內(nèi)設(shè)施集中、高壓運行，一旦發(fā)生事故，危害和損失極高。近年來，天然氣站場內(nèi)管道環(huán)焊縫失效事故頻發(fā)[1-2]。2011 年某壓氣站壓縮機出口管道與法蘭環(huán)焊縫失效，導(dǎo)致壓氣站發(fā)生爆炸事故。因此，天然氣站場內(nèi)管道環(huán)焊縫的失效控制問題引起了廣泛關(guān)注。環(huán)焊縫的性能分布規(guī)律研究是對環(huán)焊縫進行完整性管理和安全評價的基礎(chǔ)，與長輸管道環(huán)焊縫由相同管道材料對接不同，天然氣站場內(nèi)由于存在大量不同類型管件對接的情況，使得站內(nèi)管道環(huán)焊縫具有不同鋼級對接、不同壁厚對接、不同管件類型對接的特點[3]。目前，對此類環(huán)焊縫的研究較少，對其性能分布規(guī)律并沒有充分掌握。在環(huán)焊縫區(qū)域，焊接熱影響區(qū)（HAZ） 的寬度較窄，顯微組織分布極不均勻，是焊接接頭的薄弱地帶。因此, 應(yīng)該對HAZ 的性能分布規(guī)律給予重點關(guān)注[4]。管道鋼的硬度與強度、韌性均有一定的對應(yīng)關(guān)系，能很好地反映材料的強度、韌性的分布特征[5]，并且硬度檢測方便易行，是研究性能分布規(guī)律的常用手段。

金屬材料的宏觀性能是由其微觀組織結(jié)構(gòu)決定的，將微觀組織結(jié)構(gòu)與宏觀性能進行對應(yīng)研究，有助于材料性能特征的機理解釋，為性能調(diào)控提供依據(jù)、為失效分析提供理論基礎(chǔ)。但焊縫熱影響區(qū)的組織是在焊接時形成的，目前對其組織并沒有充分掌握，尤其是站場內(nèi)管道對接環(huán)焊縫兩側(cè)接頭材料不同。

對國內(nèi)多個天然氣站場的調(diào)研結(jié)果顯示，異徑三通- 直管對接環(huán)焊縫是鋼級和壁厚差異相對較大的環(huán)焊縫類型，典型的有X60-X80 和L245-X70對接環(huán)焊縫[6]，本文將按照現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，以上述兩種對接接頭環(huán)焊縫作為研究對象，采用硬度測試手段，揭示天然氣站場內(nèi)管件環(huán)焊縫熱影響區(qū)的硬度分布規(guī)律，并對其組織結(jié)構(gòu)進行了表征，通過其組織結(jié)構(gòu)特征解釋了硬度分布規(guī)律的機理。

1 環(huán)焊縫制備及性能測試表征

1.1 環(huán)焊縫制備

采用手工半自動焊制備了X80 管件與X60 直管對接環(huán)焊縫（1#），X70 與L245 直管對接環(huán)焊縫（2#），詳細的材料規(guī)格尺寸見表1。

表1 焊接接頭材料規(guī)格

焊接按照Q/SY GJX 0221—2012《 西氣東輸三線管道工程站場管網(wǎng)焊接技術(shù)規(guī)范》[7]的工藝規(guī)程執(zhí)行，保證與現(xiàn)場實際環(huán)焊縫的一致性。坡口角度為60°，根焊焊條為φ2.5mm 的ER50-6焊條，填充焊和蓋面焊焊條為φ2.5mm的E6015-Ga焊條，焊接均采用手工半自動焊接。

1.2 測試及表征

由于焊縫區(qū)域尤其是熱影響區(qū)尺度較小，同時存在多種不同組織結(jié)構(gòu)，因此，為了更好地獲得這些區(qū)域內(nèi)的性能分布情況，硬度測試采用壓痕較小的HV1 維氏硬度。采用日本FUTURE-TECH 公司FM-700型數(shù)字顯微維氏硬度計進行測試，單點持續(xù)加載時間15s。試樣的金相組織分析設(shè)備為Leica MeF3A 金相顯微鏡、Olympus 激光共聚焦顯微鏡。

2 結(jié)果與討論

由于管體母材和焊縫中心區(qū)域均為組織結(jié)構(gòu)相對均勻的區(qū)域，而熱影響區(qū)是組織結(jié)構(gòu)變化最大的區(qū)域，所以重點考察了熱影響區(qū)附近的硬度。沿著穿過熱影響區(qū)的軸向線進行HV1 硬度的打點檢測，測試區(qū)域覆蓋焊縫、粗晶區(qū)、細晶區(qū)、兩相區(qū)和母材。

2.1 X60-X80 環(huán)焊縫

X60-X80 環(huán)焊縫硬度打點位置和硬度曲線如圖1 所示，金相顯微照片中打點位置與硬度曲線中的硬度值相對應(yīng)，HV1 打點間隔200 μm。

圖1 1#焊接接頭熱影響區(qū)的硬度分布

從圖1（a） 中可以看出，在X60 側(cè)熱影響區(qū)內(nèi)，從粗晶區(qū)、細晶區(qū)到兩相區(qū)硬度有明顯降低趨勢，兩相區(qū)硬度與母材基本相同。X80 側(cè)熱影響區(qū)內(nèi)從粗晶區(qū)到兩相區(qū)也逐漸降低（見圖1（b）），與X60 側(cè)規(guī)律相同。此外，焊縫和粗晶區(qū)的硬度值起伏較大，即分散性較大，而細晶區(qū)至母材區(qū)的起伏較小，即分散性較小。將兩側(cè)進行對比，可以看出，X60 側(cè)粗晶區(qū)硬度與焊縫硬度接近，但X80 側(cè)粗晶區(qū)硬度較焊縫硬度更高?？梢?，焊縫和兩側(cè)粗晶區(qū)（靠近焊縫處） 是焊接接頭最硬的地方，其塑性和韌性也會較差，尤其是X80 側(cè)粗晶區(qū)，在考察環(huán)焊縫韌性時應(yīng)該給予重點關(guān)注。

硬度分布特征可以由組織結(jié)構(gòu)來解釋，由圖1中的金相圖片可知，沿焊縫到母材，熱影響區(qū)內(nèi)可以明顯的分為粗晶區(qū)、細晶區(qū)、兩相區(qū)，粗晶區(qū)晶粒明顯粗大。粗晶區(qū)內(nèi)往往含有快速冷卻過程中產(chǎn)生的M/A 島等第二相組元，導(dǎo)致了第二相強化機制；同時，快速冷卻將形成交錯結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致位錯強化機制，這均是粗晶區(qū)硬度高于細晶區(qū)的主要原因。此外，粗晶區(qū)內(nèi)晶粒較大，第二相粒子的均勻彌散程度必然低于細晶區(qū)，當(dāng)采用壓痕較小的HV1 測試時，若打點位置落于第二相粒子時硬度易出現(xiàn)較大變化，從而導(dǎo)致硬度值在粗晶區(qū)出現(xiàn)較大的分散性。

對焊縫及兩側(cè)的粗晶區(qū)組織進行了觀察分析，組織結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 1#焊接接頭焊縫及兩側(cè)粗晶區(qū)組織結(jié)構(gòu)

從圖2 可以看出，X60 側(cè)粗晶區(qū)主要由粒狀貝氏體（GB） +多邊形鐵素體（PF） +少量珠光體（P） 組成；焊縫區(qū)主要由晶內(nèi)成核針狀鐵素體（IAF） +GB+PF 組成；而X80 側(cè)粗晶區(qū)組織為板條狀貝氏體（SB） +GB，幾乎不含鐵素體。SB、GB 均因板條狀或粒狀M/A 島的存在而具有較高的硬度，而鐵素體和多邊形鐵素體硬度較低，因此X80 側(cè)粗晶區(qū)硬度最高；相比X60 粗晶區(qū)，焊縫區(qū)雖然GB 較少，但其IAF 與GB 大量相互交錯增強了位錯強化作用，因此也具有較高的硬度。將兩側(cè)進行對比，X80 側(cè)粗晶區(qū)、細晶區(qū)、兩相區(qū)、母材硬度均高于X60 側(cè)，這也是由于X80 側(cè)含有較多的貝氏體導(dǎo)致的。硬度的分布規(guī)律與管材鋼級相對應(yīng)，即強度越高，硬度越高。

2.2 L245-X70 環(huán)焊縫

圖3 為L245-X70 環(huán)焊縫硬度打點位置和硬度曲線圖，金相顯微照片中打點位置與硬度曲線中的硬度值相對應(yīng)，HV1 打點間隔400 μm，在粗晶區(qū)適當(dāng)加密打點。

圖3 2#焊接接頭熱影響區(qū)的硬度分布

從圖3 中可以看出，在熱影響區(qū)內(nèi)，從粗晶區(qū)、細晶區(qū)到兩相區(qū)硬度有明顯降低趨勢，兩相區(qū)硬度與母材基本相同，這與X60—X80 環(huán)焊縫的規(guī)律相同。將兩側(cè)進行對比，可以看出，X70 側(cè)粗晶區(qū)硬度較焊縫有所降低，降幅不大，與X80、X60 具有類似的特征，但是L245 側(cè)粗晶區(qū)硬度較焊縫出現(xiàn)大幅降低?？梢?，焊縫和X70 粗晶區(qū)（靠近焊縫處）是焊接接頭較硬的地方，其塑性和韌性也會較差，在考察環(huán)焊縫韌性時應(yīng)該給予重點關(guān)注，而L245側(cè)的硬度較低，其塑性和韌性也將相對較好，但因其鋼級較低，在考察環(huán)焊縫韌性時也不應(yīng)忽略。

L245-X70 接頭從粗晶區(qū)到細晶區(qū)的降低趨勢與X80-X60 接頭的機理相同，均是由粗晶區(qū)的粗大晶粒和第二相粒子決定的。對焊縫及兩側(cè)的粗晶區(qū)組織進行了觀察分析，如圖4 所示。

圖4 2#焊接接頭焊縫及兩側(cè)粗晶區(qū)組織結(jié)構(gòu)

從圖4 可以看出，X70 側(cè)粗晶區(qū)由GB+少量SB 組成，焊縫區(qū)組織為IAF+GB+PF，L245 側(cè)粗晶區(qū)由PF+P+少量GB 組成。相比X70 粗晶區(qū)，焊縫區(qū)雖然鐵素體含量較高，但是大量針狀結(jié)構(gòu)與GB 的交錯也增強了位錯強化機制，從而導(dǎo)致了較高的硬度，而L245 側(cè)粗晶區(qū)則主要由PF 組成，僅含有少量GB，相比貝氏體組織，PF 具有明顯更低的硬度，因此L245 側(cè)粗晶區(qū)硬度明顯較低。將兩側(cè)進行對比，X70 側(cè)粗晶區(qū)、細晶區(qū)、兩相區(qū)、母材硬度均明顯高于L245 側(cè)，這也是由于L245 側(cè)各區(qū)域均主要由PF 組成，貝氏體含量較少。X70 側(cè)熱影響區(qū)的組織結(jié)構(gòu)與硬度分布與X80、X60 側(cè)有類似的特征，而L245 側(cè)則區(qū)別明顯。

3 結(jié)論

在不同材質(zhì)、不等壁厚對接環(huán)焊縫接頭中，焊縫區(qū)因為針狀結(jié)構(gòu)與粒狀貝氏體交錯作用，硬度明顯較母材高，熱影響區(qū)內(nèi)粗晶區(qū)的硬度最高，向母材方向逐漸降低。M/A強化及位錯強化機制是粗晶區(qū)硬度較高的主要原因，二次相粒子的不均勻分布使粗晶區(qū)的硬度分散性較大。X80、X70、X60 側(cè)熱影響區(qū)的硬度分布規(guī)律相似，硬度也逐漸降低，與鋼級相對應(yīng)。粒狀貝氏體、針狀鐵素體由于位錯強化作用有利于硬度的提高，板條狀貝氏體綜合了板條鐵素體高位錯密度和M/A 板條束結(jié)構(gòu)的作用表現(xiàn)出較粒狀貝氏體更高的硬度，而鐵素體、多邊形鐵素體硬度較粒狀貝氏體明顯更低。焊縫熱影響區(qū)的硬度分布特征是由組織成分和各成分的形態(tài)結(jié)構(gòu)共同決定的。