X80管線(xiàn)鋼焊接工藝熱模擬

由宗彬, 李東艷, 李燁錚, 閆 臣, 劉 宇

(1.中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司, 廊坊 065001；2.輸油輸氣輸送安全國(guó)家工程試驗(yàn)室, 廊坊 065001；3.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)華北天然氣管道有限公司, 天津 300000)

隨著管線(xiàn)鋼鋼材強(qiáng)度的提高，高鋼級(jí)管線(xiàn)鋼焊接接頭產(chǎn)生焊接冷裂紋的傾向也增大。因此制定合理的焊接工藝，避免焊接冷裂紋的產(chǎn)生是焊接生產(chǎn)的關(guān)鍵。以往焊接工藝參數(shù)的確定是以焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)來(lái)確定。在實(shí)際的工作中主要根據(jù)掌握的材料焊接性能再結(jié)合工程特點(diǎn)與設(shè)計(jì)、工藝要求及合格的焊接工藝制定出適合具體施工要求的焊接工藝參數(shù)[1]。而模擬焊接試驗(yàn)則可以節(jié)約大量的人力和物力，因此現(xiàn)在常采用模擬焊接試驗(yàn)來(lái)研究材料的焊接性能，從而確定焊接工藝參數(shù)。筆者采用Gleeble 3500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)對(duì)X80管線(xiàn)鋼進(jìn)行模擬，繪制出了X80鋼的模擬焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變(SHCCT)曲線(xiàn)，分析了顯微組織和硬度隨冷卻速率的變化情況。通過(guò)分析典型熱輸入對(duì)X80鋼熱影響區(qū)沖擊韌性的影響，結(jié)合組織和硬度隨冷卻速率的變化情況，以及冷裂紋敏感性指數(shù)的計(jì)算，提出了X80鋼焊接時(shí)較合理的熱輸入范圍。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選自某廠(chǎng)生產(chǎn)的X80管線(xiàn)鋼直縫埋弧焊管，生產(chǎn)工藝為熱機(jī)械控制工藝(TMCP)，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。鋼管的力學(xué)性能優(yōu)良，屈服強(qiáng)度為601 MPa,抗拉強(qiáng)度為677 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為25.5%，沖擊吸收能量為329 J。

表1 X80管線(xiàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of X80 pipeline steel (mass fraction) %

熱模擬試樣在距離管體焊縫90°的管體橫向位置取樣，試樣取自1/4壁厚位置，分別加工出尺寸為φ6 mm×90 mm和10.5 mm×10.5 mm×75mm的兩種試樣，SHCCT曲線(xiàn)的繪制選取φ6 mm×90 mm試樣，加熱速率為130 ℃·s-1，加熱的最高溫度為1 300 ℃，保溫時(shí)間為1 s，然后以60 ℃·s-1的冷卻速率冷卻至900 ℃，之后分別以0.2,0.5,1,2,5,10,20,40 ℃·s-1的冷卻速率冷卻到室溫。通過(guò)熱膨脹儀實(shí)時(shí)采集膨脹曲線(xiàn)，利用切線(xiàn)法確定相轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)，并通過(guò)觀(guān)察試樣的顯微組織和測(cè)試維氏硬度結(jié)果，繪制出試樣的SHCCT曲線(xiàn)。之后在10.5 mm×10.5 mm×75 mm的試樣上分別進(jìn)行熱輸入為5，10，20，30 kJ·cm-1的焊接熱循環(huán)模擬，試驗(yàn)采用Rykalin 2D 模型，加熱速率為130 ℃·s-1，峰值溫度為1 350 ℃，峰值保溫時(shí)間1 s，預(yù)熱溫度150 ℃，然后將試樣加工成帶V型缺口的10 mm×10 mm×55 mm沖擊試樣，之后進(jìn)行-20 ℃的夏比沖擊試驗(yàn)[2]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 冷裂紋敏感性指數(shù)的計(jì)算

首先計(jì)算X80鋼的焊接冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm，在Pcm指數(shù)的基礎(chǔ)上計(jì)算出焊接冷裂紋敏感性Pc，同時(shí)計(jì)算出不產(chǎn)生冷裂紋的預(yù)熱溫度T0，結(jié)果如表2所示。

表2 X80管線(xiàn)鋼的Pcm,Pc及T0Tab.2 Pcm, Pc and T0 of X80 pipeline steel

根據(jù)表2可知，X80鋼的Pcm小于0.2%，具有低焊接裂紋敏感性。在焊接過(guò)程中，應(yīng)盡量采用能夠形成低氫或超低氫型焊縫的焊接材料，同時(shí)采取適當(dāng)?shù)暮附庸に嚪椒?，預(yù)熱溫度控制在47 ℃以上，避免焊接冷裂紋的產(chǎn)生。

2.2 SHCCT曲線(xiàn)

利用膨脹儀和熱模擬試驗(yàn)機(jī)測(cè)得在不同冷卻速率下的膨脹曲線(xiàn)，通過(guò)切線(xiàn)法計(jì)算各膨脹曲線(xiàn)的相變開(kāi)始點(diǎn)和相變結(jié)束點(diǎn)，然后利用杠桿法計(jì)算各冷卻速率下各相的體積分?jǐn)?shù)，測(cè)試各冷卻速率下的維氏硬度，以時(shí)間的對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)，溫度為縱坐標(biāo)繪制SHCCT曲線(xiàn)，如圖1所示。

圖1 X80管線(xiàn)鋼SHCCT曲線(xiàn)Fig.1 SHCCT curves of X80 pipeline steel

X80鋼試樣在不同冷卻速率下的顯微組織形貌如圖2所示。當(dāng)冷卻速率為0.2 ℃·s-1時(shí)，試樣的顯微組織為鐵素鐵+珠光體，當(dāng)冷卻速率增加到0.5 ℃·s-1時(shí)，貝氏體開(kāi)始析出，隨著冷卻速率的增加，鐵素體和珠光體的含量逐漸減少，貝氏體的含量逐漸增加，當(dāng)冷卻速率達(dá)到5 ℃·s-1時(shí)，完全轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w組織。貝氏體主要以板條貝氏體為主，隨著冷卻速率的增加晶界內(nèi)的鐵素體基體板條變細(xì)，馬/奧島(M/A)組織呈連續(xù)或半連續(xù)的形態(tài)分布在基體上，數(shù)量逐漸增多，同時(shí)組織取向也變得越加明顯。當(dāng)冷卻速率達(dá)到20 ℃·s-1時(shí)，馬氏體組織開(kāi)始析出，顯微組織為粒狀貝氏體+板條馬氏體，隨著溫度的降低，貝氏體的含量逐漸減少，馬氏體的含量逐漸增加。馬氏體的組織硬而脆，因此，應(yīng)避免在較快的冷卻速率下進(jìn)行焊接[4]。

圖2 不同冷卻速率下X80管線(xiàn)鋼的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of X80 pipeline steel at different cooling rates

隨著冷卻速率的增加，硬度呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。當(dāng)冷卻速率小于1 ℃·s-1時(shí)，顯微組織中含有大量的塊狀或多邊形鐵素體，并有少量的貝氏體，因而硬度較低，硬度為180～200 HV10。當(dāng)冷卻速率大于1 ℃·s-1時(shí)，隨著冷卻速率的增加，貝氏體含量增加，貝氏體的形態(tài)由板條貝氏體向粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變，M/A島的數(shù)量逐漸增多，分布更加均勻，導(dǎo)致顯微硬度上升，硬度為200～230 HV10。當(dāng)冷卻速率大于10 ℃·s-1時(shí)，組織中開(kāi)始析出淬硬性馬氏體組織，隨著冷卻速率的再增加，馬氏體組織的含量逐漸增加，硬度也逐漸上升，硬度大于230 HV10，主要原因是馬氏體組織內(nèi)的板條貝氏體位錯(cuò)密度較高，晶粒內(nèi)部組織細(xì)小[5-6]。

2.3 不同熱輸入熱影響區(qū)的沖擊性能

在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上采用Rykalin 2D模型分別進(jìn)行了熱輸入為5，10，20，30 kJ·cm-1的焊接熱循環(huán)試驗(yàn)，模擬X80鋼在不同焊接熱輸入下焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的沖擊性能，如表3所示。

由表3可知，當(dāng)熱輸入為10～20 kJ·cm-1時(shí)，粗晶區(qū)的沖擊性能較好，此時(shí)的冷卻速率為5～21 ℃·s-1，SHCCT曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)冷卻速率為5～20 ℃·s-1的冷卻曲線(xiàn)，組織以粒狀貝氏體為主。當(dāng)熱輸入為5 kJ·cm-1時(shí)，沖擊吸收能量為139 J，此時(shí)的冷卻速率為85 ℃·s-1，顯微組織應(yīng)為馬氏體組織，當(dāng)熱輸入為30 kJ·cm-1時(shí)，冷卻速率為2 ℃·s-1，SHCCT曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)冷卻速率為2 ℃·s-1的冷卻曲線(xiàn)，此時(shí)的顯微組織為鐵素體+板條貝氏體。通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果，可以初步判斷出適合X80鋼的最佳焊接熱輸入為10～20 kJ·cm-1[6]。

表3 不同焊接熱輸入下X80管線(xiàn)鋼的焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)在-20 ℃下的沖擊吸收能量Tab.3 Impact absorption energy of coarse grain zone in welding heat affected zone of X80 pipeline steel under different welding line energy at -20 ℃

3 結(jié)論

(1) X80鋼的冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm小于0.2%，具有低焊接裂紋敏感性，焊接工藝的預(yù)熱溫度控制在47 ℃以上。

(2) 由SHCCT曲線(xiàn)可知，試樣的硬度隨著冷卻速率的增加而增加，當(dāng)進(jìn)入馬氏體相區(qū)時(shí)增加更為顯著，因此應(yīng)避免在較快的冷卻速率下進(jìn)行焊接。

(3) 根據(jù)熱模擬后試樣的沖擊吸收能量和對(duì)應(yīng)的SHCCT曲線(xiàn)，初步判斷出X80鋼適合的焊接熱輸入為10～20 kJ·cm-1。