焊材匹配與鋼板合金成分對(duì)X80管線鋼管低溫韌性的影響

張婷婷，劉志華，金振亞，姚洪昆，嵇 峰

（1.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽 馬鞍山243002；2.南京巨龍鋼管有限公司，江蘇 南京210061；3.中國(guó)石化國(guó)際事業(yè)有限公司，北京100728）

油氣長(zhǎng)輸管道是原油、成品油與天然氣的主要運(yùn)輸載體之一，是最經(jīng)濟(jì)、合理的運(yùn)輸方式，在石油天然氣行業(yè)發(fā)揮著巨大作用。中國(guó)四大油氣戰(zhàn)略通道之一的中俄東線工程，其線路沿線自然環(huán)境復(fù)雜，冬季極端氣溫環(huán)境低至-48℃［1-6］。在低溫環(huán)境下，管道材料的機(jī)械性能較常溫下有明顯變化，隨著溫度的不斷降低，管線鋼的強(qiáng)度、硬度、塑性、彈性、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度等均會(huì)發(fā)生變化［7-12］，致使管道在低溫環(huán)境發(fā)生失效的概率增大。隨著中俄東線工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，已有部分地區(qū)應(yīng)用了X80鋼級(jí)低溫鋼管，但由于各鋼管廠家采用的鋼板原材料以及焊材存在一定的差異，生產(chǎn)時(shí)表現(xiàn)出X80鋼級(jí)鋼管的低溫韌性具有較大的離散性，產(chǎn)品合格率有待進(jìn)一步提高。因此，探索不同焊材匹配與不同鋼板合金成分對(duì)X80鋼級(jí)管線鋼管低溫韌性的影響，為低溫環(huán)境下高強(qiáng)度管線鋼管的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供可靠的實(shí)踐基礎(chǔ)具有重要意義。

本文研究的X80鋼級(jí)低溫鋼管依據(jù)Q/SY GD 0507.5—2018《中俄東線天然氣管道工程站場(chǎng)低溫環(huán)境用 管材、管件技術(shù)條件 第5部分：站內(nèi)鋼管》進(jìn)行生產(chǎn)，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 -45℃低溫環(huán)境用X80鋼級(jí)低溫鋼管的技術(shù)指標(biāo)

1 試驗(yàn)材料

采用了兩種合金體系的X80M管線用板材，經(jīng)JCOE成型與雙面多絲埋弧焊接方式制成直縫埋弧焊管，鋼管規(guī)格為Φ1 219 mm×27.5 mm。針對(duì)兩種合金體系的板材開(kāi)展了5種焊材匹配方案的焊接試驗(yàn)，擴(kuò)徑率選用0.7%，制管后檢測(cè)鋼管母材與焊接接頭的綜合機(jī)械性能，優(yōu)選出適用于X80低溫鋼管焊接的焊接材料，并分析兩種合金體系對(duì)鋼管低溫性能的影響，篩選出更優(yōu)的成分設(shè)計(jì)方案。

表2列出了兩種合金體系板材的主要化學(xué)成分，合金1中添加了較多的Ni，同時(shí)微調(diào)了Si、Mo、Cu和Ti的含量，w（V+Nb+Ti）較合金2高出0.008%，然而兩種板材的CEPcm均較低，具有良好的可焊性。兩種合金板材的金相顯微組織如圖1所示，合金1主要以針狀鐵素體（AF）為主，伴有極少量的多邊形鐵素體（PF），以及彌散分布MA組元；合金2主要以粒狀貝氏體（GB）為主，其中存在一定比例的多邊形鐵素體，MA組元的尺寸較大?？梢?jiàn)，合金1的針狀鐵素體比例較合金2更多一些，多邊形鐵素體更少，且晶粒更細(xì)小。

表2 -45℃低溫環(huán)境用X80鋼級(jí)低溫鋼管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖1 兩種合金板材的金相顯微組織

2 焊接試驗(yàn)及焊接方案的優(yōu)選

選用合金2鋼板為試驗(yàn)材料，采用3種焊絲和3種焊劑，設(shè)計(jì)了5種焊材匹配方案進(jìn)行焊接。其中，焊絲A和C均為Mn-Mo-Ti-B系埋弧焊絲，只是成分上略有微調(diào)，焊絲A中的碳含量略高于焊絲C，其他合金含量?jī)煞N焊絲相當(dāng)；焊絲E是在Mn-Mo-Ti-B系的基礎(chǔ)上，降低了Mo含量，增加了Cu和Ni的含量。3種埋弧焊絲的主要合金成分見(jiàn)表3。

表3 3種埋弧焊絲的主要合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

焊劑均選用氟堿型燒結(jié)焊劑，3種焊劑在S、P雜質(zhì)含量和堿度上有所區(qū)別，雜質(zhì)含量從高到低依次為D∧B∧F，堿度由高到低依次為F∧B∧D。3種埋弧焊劑雜質(zhì)含量及堿度見(jiàn)表4。

采用5種焊接方案進(jìn)行X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×27.5 mm鋼管的焊接，測(cè)試管體與焊縫的拉伸性能。按照鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)要求，管體母材采用圓棒橫向拉伸試樣，焊縫采用板狀橫向拉伸試樣。X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×27.5 mm焊接試驗(yàn)管體與焊縫的拉伸性能見(jiàn)表5?？梢钥闯?，采用不同焊絲、焊劑匹配的鋼管，其管體與焊接接頭拉伸性能均能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)5種焊接方案的鋼管焊縫進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度-45℃，采用10 mm×10 mm×55 mm全尺寸試樣。X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×27.5 mm焊接試驗(yàn)鋼管焊縫低溫（-45℃）夏比沖擊性能見(jiàn)表6。

表6 X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×27.5 mm焊接試驗(yàn)鋼管焊縫低溫（-45℃）夏比沖擊性能

試驗(yàn)結(jié)果表明：5種焊接方案下的焊縫沖擊性能均能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但不同焊材匹配獲得的焊縫沖擊韌性水平存在較大差異。

方案1～4的-45℃夏比沖擊功平均值都能達(dá)到100 J以上；焊劑B搭配A和C焊絲兩種方案的夏比沖擊功均處于較高水平；焊劑D搭配的A和C焊絲的夏比沖擊功波動(dòng)較大，平均水平低于焊劑B的兩種匹配方案?？梢钥闯觯诤附z成分相當(dāng)?shù)那闆r下，使用較高堿度和較低S、P雜質(zhì)含量的焊劑可以獲得更優(yōu)的低溫沖擊韌性。這是由于提高堿度能減小焊縫金屬中的S、P，降低焊縫中［O］、Si含量，從而使原奧氏體晶粒尺寸增大，并產(chǎn)生了有利于針狀鐵素體形核的夾雜物和分布，促進(jìn)了針狀鐵素體在焊縫金屬中的形成，有利于改善焊縫沖擊韌性；此外，焊劑中S、P含量越低，越有利于焊縫金屬的沖擊韌性。P是一種易偏析元素，會(huì)提高焊縫的脆性轉(zhuǎn)變溫度，對(duì)焊縫的低溫沖擊韌性產(chǎn)生不良影響［13-15］。因此，焊劑B搭配A和C焊絲的方案獲得的焊縫沖擊功高且穩(wěn)定性好。

方案5的焊縫低溫沖擊韌性明顯低于方案1～4，該方案采用了高堿度和低S、P雜質(zhì)的焊劑，匹配相應(yīng)焊絲，與方案1～4相比，焊劑組分上更有利于低溫韌性的提高，然而焊絲中增Ni降Mo的設(shè)計(jì)思路在提高高強(qiáng)度管線鋼焊縫韌性方面并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。原因可能是：Mo含量偏低時(shí)，添加0.28%的Ni對(duì)于焊縫固態(tài)相變中形成針狀鐵素體的作用不明顯，加之試驗(yàn)板材的厚度為27.5 mm，厚度較大，大線能量焊接時(shí)使得焊絲中合金元素的燒損較為明顯，因此獲得的焊縫低溫沖擊韌性并不理想。

3 合金體系對(duì)鋼管低溫性能的影響

選用焊接方案1（焊絲A+焊劑B）對(duì)兩種合金體系的板材進(jìn)行焊接，合金1取樣8組，合金2取樣6組，制管后的X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×27.5 mm焊接試驗(yàn)鋼管的落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT）性能見(jiàn)表7，兩種合金的DWTT性能對(duì)比如圖2所示。

從表7和圖2可以看出：-45℃下，合金1鋼管管體的DWTT剪切面積百分比為58%～82%，平均值為69%；合金2鋼管DWTT剪切面積百分比為20%～85%，平均值為52%，出現(xiàn)一個(gè)單個(gè)值不合格；合金1的平均水平普遍優(yōu)于合金2，且合金1的DWTT低溫穩(wěn)定性較好。

圖2 兩種合金的DWTT性能對(duì)比

表7 X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×27.5 mm焊接試驗(yàn)鋼管DWTT性能

X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×27.5 mm焊接試驗(yàn)鋼管的-45℃夏比沖擊韌性見(jiàn)表8，沖擊功單個(gè)值分布如圖3所示。

從表8和圖3可以看出：合金1鋼管焊縫的夏比沖擊功為64～209 J，平均值為154 J；合金2鋼管焊縫的夏比沖擊功為75～199 J，平均值為138 J；雖然兩種合金的沖擊功均能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但仍出現(xiàn)個(gè)別單個(gè)值偏低的情況?？梢?jiàn)，兩種合金下，使用相同的焊接材料焊接鋼管，其焊縫在沖擊韌性方面均能滿足要求，但均存在一定的離散性。

圖3 兩種合金的沖擊功單個(gè)值分布情況

表8 X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×27.5 mm焊接試驗(yàn)鋼管的-45℃夏比沖擊韌性

從表8還可以看出，合金1鋼管熱影響區(qū)的夏比沖擊功為140～239 J，平均值179 J；合金2鋼管熱影響區(qū)的夏比沖擊功為46～237 J，平均值174 J，均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但合金2出現(xiàn)低值較多，離散性較大。整體上講，合金1鋼管熱影響區(qū)的沖擊韌性穩(wěn)定性要優(yōu)于合金2。

通過(guò)分析上述試驗(yàn)結(jié)果可知，合金1較合金2具有更加優(yōu)良的低溫DWTT性能，以及更加優(yōu)良的熱影響區(qū)低溫沖擊韌性。原因主要是：合金1添加了較多的Ni，Ni在鋼中不形成碳化物，可以與Fe形成固溶體；Ni能擴(kuò)大相變時(shí)的γ相區(qū)，是奧氏體形成和穩(wěn)定元素，有利于提高鋼的淬透性，降低鋼的臨界冷卻速度，促進(jìn)針狀鐵素體的形成，使大角晶界比例增加，有效晶粒尺寸減小，從而改善鋼的低溫韌性。此外，微量增加的Mo、Ti等合金元素，可以有效改善熱影響區(qū)的軟化和脆化問(wèn)題，有利于在大的焊接線能量條件下細(xì)化晶粒，提高熱影響區(qū)的低溫韌性。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)X80鋼級(jí)板材進(jìn)行5種方案的焊接試驗(yàn)以及理化性能研究，優(yōu)選出適用于-45℃直縫埋弧焊鋼管焊接的焊接材料匹配方案，即采用低S、P的高堿度氟堿型燒結(jié)焊劑B搭配Mn-Mo-Ti-B系焊絲A和C組合，均可獲得低溫沖擊韌性優(yōu)良的焊縫；

（2）采用合金1的成分體系的鋼板，其焊接鋼管具有更優(yōu)的低溫DWTT性能和熱影響區(qū)沖擊性能；適量增加Ni含量有利于提高熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性和母材DWTT性能的穩(wěn)定性。