X60M管線鋼高頻焊接焊縫壓扁試驗(yàn)開(kāi)裂原因分析

摘要：文中通過(guò)宏觀形貌及金相組織觀察、EDS 能譜檢測(cè)、化學(xué)成分、學(xué)性能測(cè)試等方法對(duì)X60M管線鋼高頻焊接焊縫壓扁開(kāi)裂原因進(jìn)行了研究分析。結(jié)果表明，焊接速度過(guò)慢，未將焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氧化物擠出焊縫，是導(dǎo)致焊縫部位壓扁試驗(yàn)開(kāi)裂的主要原因。

關(guān)鍵詞：管線鋼；高頻焊接焊；開(kāi)裂；焊接速度

0 引言

世界日益增長(zhǎng)的能源需求給石油和天然氣勘探領(lǐng)域帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，受輸送介質(zhì)（即高H2S含量，高工作壓力）和管道運(yùn)行的環(huán)境（即低溫度）影響，所使用的管線鋼需要具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性、良好的焊接性和對(duì)H2S的高耐腐蝕性。為了滿足更高壓力下的使用，需要更大的壁厚管道。

高頻焊管焊接工藝是一種現(xiàn)代、廣泛應(yīng)用的焊接技術(shù)，是利用高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，將電流集中在焊接的 V角區(qū)域，通過(guò)高頻電流產(chǎn)生的電阻熱將板邊加熱至熔融狀態(tài)，在電磁排斥力和焊接擠壓輥擠壓的作用下將成型后的板邊焊接在一起，將焊接產(chǎn)生的氧化物夾雜從焊縫中排除出去 [1-5]。焊接過(guò)程對(duì)于管道制造的質(zhì)量具有重要意義，焊接過(guò)程是在沒(méi)有保護(hù)氣體環(huán)境的情況下進(jìn)行的，焊接產(chǎn)生的氧化物夾雜未能從焊縫中排除是導(dǎo)致焊縫壓扁開(kāi)裂的主要原因之一。

本文以某鋼廠生產(chǎn)的X60M熱軋鋼帶母材樣品和在直縫焊管壓扁試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)點(diǎn)狀爆裂缺陷樣品作為研究對(duì)象。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)材料為X60M ，需按API-5LPSL-2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行壓扁試驗(yàn)，管徑為273 mm，壓扁試驗(yàn)需壓扁至136 mm，但是部分試樣壓到200 mm就發(fā)生無(wú)規(guī)律點(diǎn)狀爆裂缺陷。對(duì)焊接工藝進(jìn)行調(diào)整，擠壓力和焊接速度調(diào)至最大（設(shè)備最大能力），調(diào)試焊接熱輸入為720 KW、675 KW和660 KW，720 KW熱輸入時(shí)焊縫擠出毛刺明顯加大，660 KW時(shí)焊縫毛刺明顯減少。對(duì)調(diào)參后的樣品進(jìn)行壓扁試驗(yàn)仍未通過(guò)。

首先，在樣品的開(kāi)裂處切取試樣；然后，對(duì)試樣進(jìn)行機(jī)械磨拋腐蝕處理，通過(guò)光學(xué)顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）觀察其裂紋處的宏觀和微觀組織變化；最后，利用配有能譜儀（EDS）的掃描電子顯微鏡（SEM）表征夾雜物的形貌和成分。通過(guò)分析熱軋鋼帶和焊管壓扁試驗(yàn)開(kāi)裂區(qū)域微觀組織的變化及夾雜物行為，找出造成焊管壓扁試驗(yàn)開(kāi)裂的原因，避免此類質(zhì)量缺陷的發(fā)生。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 缺陷宏觀形貌

焊管進(jìn)行壓扁后，焊縫處出現(xiàn)爆點(diǎn)開(kāi)裂現(xiàn)象，裂紋形態(tài)相近均沿焊縫分布，裂紋口部張開(kāi)，嚴(yán)重的裂紋兩側(cè)有明顯塑性變形，具有大應(yīng)力韌性開(kāi)裂裂紋形貌特征。試樣焊縫中心開(kāi)裂共三處，最大開(kāi)裂長(zhǎng)度約2.75 mm、寬度約0.80 mm，最小開(kāi)裂長(zhǎng)度約0.37 mm、寬度約0.26 mm。

2.3 母材夾雜物檢測(cè)評(píng)級(jí)

從成品管母材上截取并制備剖面金相，在金相顯微鏡下觀察到非金屬夾雜物形貌如圖3所示。參照GB/T 10561-2005對(duì)其進(jìn)行評(píng)級(jí)為細(xì)系D類0.5級(jí)、B類 1.0、C類 1.0。母材夾雜物檢測(cè)符合API標(biāo)準(zhǔn)要求：輸氣用管線鋼夾雜物A、B、C、D類夾雜物粗、細(xì)系均不大于2.0級(jí)，輸油及其他流體類用管線鋼夾雜物A、B、C、D類夾雜物粗、細(xì)系均不大于2.5級(jí)，且未發(fā)現(xiàn)夾雜物聚集現(xiàn)象。因此，母材夾雜物控制情況比較理想，符合API標(biāo)準(zhǔn)要求，夾雜物不是導(dǎo)致焊管壓扁試驗(yàn)開(kāi)裂的原因。

2.3 焊縫處顯微組織檢測(cè)

（1）焊縫 “腰鼓形”熱影響區(qū)

焊縫熱影響區(qū)不但是反映線能量大小的依據(jù)，也是判定其他焊接工藝參數(shù)的重要特征?？梢赃@樣認(rèn)為，焊接線能量越大，母材受熱影響就越嚴(yán)重，“腰鼓形”熱影響區(qū)就可能變寬；反之，“腰鼓形”就變窄。在某種程度上，其他工藝參數(shù)也可能給 “腰鼓形”熱影響區(qū)的寬度和組織形態(tài)帶來(lái)一定的影響。 當(dāng)焊接線能量一定時(shí)，焊速越慢，熱擴(kuò)散就受到抑制，“腰鼓形”就有可能變寬；反之，“腰鼓形”就變小。當(dāng)焊接線能量與焊接速度都相對(duì)合理時(shí)，若擠壓力過(guò)小，大量熔化的金屬未被擠出，則 “腰鼓形”也要變寬；相反，擠壓力過(guò)大，則 “腰鼓形”就變得細(xì)小些。

因此，“腰鼓形”的寬度和形態(tài)也能真實(shí)地反映出焊接工藝的變化規(guī)律。合理的 “腰鼓形”中心部位的寬度為卷板厚度的1/4～1/3［6］，按實(shí)際厚度8.55 mm計(jì)算，合理的 “腰鼓形”中心部位寬度應(yīng)為2.14-2.85 mm，實(shí)測(cè)開(kāi)裂部位“腰鼓線”中心部位的寬度為約3.5 mm，見(jiàn)圖4。分析主要原因是焊接速度偏低，實(shí)際焊接速度12 m/min（設(shè)備最大的焊接速度）。焊接速度是影響輸入熱量主要因素，焊接速度合理，則熱影響區(qū)寬度和熔合線寬度較為理想，焊縫質(zhì)量良好。因此，在焊機(jī)輸出功率、設(shè)備生產(chǎn)能力、生產(chǎn)制造工藝允許范圍內(nèi)，一般采用較高的焊接速度，焊接速度應(yīng)高于16 m/min［7］?！把男巍钡膶挾冗^(guò)大，容易導(dǎo)致焊接過(guò)程產(chǎn)生的氧化物不能完全被擠壓出去。

（2）焊縫熔合線寬窄度的控制情況

目前，對(duì)熔合線寬窄度的控制世界各國(guó)還沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)一般為企業(yè)的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。譬如，日本新日鐵規(guī)定熔合線寬度為0.02～

0.2 mm，日本川崎要求為 0.07～0.13 mm， 德國(guó)規(guī)定為0.02～0.12 mm， 韓國(guó)PSP公司則要求控制在0.05～0.3 mm。我國(guó)焊管行業(yè)曾有人認(rèn)為，將熔合線寬度控制在0.02～0.11最合適［6］。

如圖5所示，通過(guò)顯微組織對(duì)比看出，開(kāi)裂部位焊縫與母材組織基本一致為鐵素體+珠光體的混合組織，焊縫及其附近母材組織均勻細(xì)小，母材組織橫向晶粒度評(píng)級(jí)為12.5級(jí)（參照GB/T 6394-2017 ），晶粒度控制比較理想，均勻細(xì)化。熔合線實(shí)際測(cè)量寬度為0.05 mm～0.10 mm，控制比較合理。因此，從母材組織晶粒度以及焊縫熔合線寬度控制情況來(lái)看，不是造成開(kāi)裂的原因。

2.4 焊縫開(kāi)裂處夾雜物EDS 能譜檢測(cè)與分析

圖6為焊縫開(kāi)裂處夾雜物 EDS 能譜檢測(cè)結(jié)果。由圖 6（b） 中可以觀察到，裂紋左右兩側(cè)（焊縫熔合線區(qū)域內(nèi)）均發(fā)現(xiàn)大小不等的非金屬夾雜夾雜，呈不規(guī)則線型，最大夾雜物尺寸長(zhǎng)約

36 μm，寬約12 μm。在掃描電鏡下用能譜分析儀對(duì)非金屬夾雜物的成分進(jìn)行半定量分析，結(jié)果也見(jiàn)圖圖6（c）、圖6（d）、圖7，均為復(fù)合夾雜，主要成分為Fe、Mn、Si和O元素。

焊縫中存在的成分為Fe、Mn、Si和O非金屬夾雜物，該類非金屬夾雜物與鋼材中原生夾雜物有顯著不同，主要是焊接高溫過(guò)程中產(chǎn)生的氧化物，與鋼的化學(xué)成分有關(guān)，鋼中錳硅含量對(duì)該類復(fù)合夾雜物的熔點(diǎn)有重要影響，化學(xué)反應(yīng)見(jiàn)公式（1）～（3）：

（FeO）+[Mn]=[Fe]+（MnO）（1）

2（FeO）+[Si]=2[Fe]+（SiO2）（2）

x（MnO）+y（SiO2）=（xMnO·ySiO2）（3）

按照GB/T6417.2-2015《金屬壓力焊接頭缺欠分類及說(shuō)明》缺欠代號(hào)為P303，類別為氧化物夾雜，英文稱“Penetrator Defect”熔透缺陷，是高頻焊管常見(jiàn)缺陷。其形成機(jī)理為鋼帶邊緣在高溫下氧化形成，在焊接速度較低的情況下氧化物沒(méi)有隨熔融金屬擠出而被夾在熔合面上。這些金屬氧化物是V型口熔融金屬表面形成的。如果鋼帶邊緣的焊接速度小于熔化速度，熔化速度高于熔融金屬排出速度，在V型口頂點(diǎn)之后形成一個(gè)含有熔融金屬和金屬氧化物的狹窄扇形區(qū)，這些熔融金屬和金屬氧化物經(jīng)過(guò)正常的擠壓不能完全排出，從而形成一個(gè)夾雜帶，主要元素成分是 Fe、Mn、Si、O，與鋼基體的A、B、C、D、DS夾雜在形態(tài)和成分上完全不同。該類金屬氧化物是導(dǎo)致焊縫處壓扁試驗(yàn)爆點(diǎn)開(kāi)裂的主要原因。

2.5 原料化學(xué)元素Mn/Si對(duì)焊接質(zhì)量的影響

在焊接過(guò)程中，如果產(chǎn)生的復(fù)合夾雜物熔點(diǎn)高于焊接部分鋼材的熔點(diǎn)（約1530℃），易殘留于焊縫中，不利于排出，造成缺陷。鋼材成分Mn/Si比率對(duì)該類非金屬夾雜物形成有顯著影響。高頻加熱的時(shí)候，鋼帶邊緣的Fe氧化成FeO，同時(shí)Mn和Si元素也發(fā)生氧化反應(yīng)，希望產(chǎn)生接近MnO-SiO2共晶點(diǎn)的氧化物（見(jiàn)圖8），形成低熔點(diǎn)、低粘度氧化物的有利于在焊接擠壓過(guò)程中從熔體中去除。當(dāng) Mn/Si 比大于 6，基本上不存在高熔點(diǎn)的復(fù)合夾雜物了，日本的一些企業(yè)認(rèn)為Mn/Si比應(yīng)控制在4～15范圍內(nèi)比較易于氧化物擠出[8]，一般管線鋼成分設(shè)計(jì)Mn/Si比率為6～10。

試驗(yàn)鋼種成分見(jiàn)表1，Mn/Si比率為8，Mn/Si比率比較合理。

2.6 力學(xué)性能

在未進(jìn)行壓扁試驗(yàn)鋼管焊縫區(qū)域及對(duì)側(cè)母材區(qū)域橫向（垂直裂紋方向）各取一個(gè)Φ3拉伸試樣；采用拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)其室溫力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表2所示，表中同時(shí)列出了API 5L-2018《管線鋼管》對(duì)X60M材料的力學(xué)性能要求。

焊縫及母材區(qū)的力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但焊縫區(qū)域抗拉強(qiáng)度較對(duì)側(cè)母材區(qū)域低88 Mpa，規(guī)定總延伸強(qiáng)度較對(duì)側(cè)母材區(qū)域低29 Mpa，斷后伸長(zhǎng)率較對(duì)側(cè)母材區(qū)域低9.5%。分析主要也是受焊接過(guò)程產(chǎn)生的Fe、Mn、Si和O非金屬夾雜物影響，降低了材料的局部塑韌性，焊縫區(qū)域材料低于對(duì)側(cè)母材區(qū)域材料強(qiáng)度，壓扁過(guò)程中，在焊縫熔合線處沿薄弱處（非金屬夾雜物聚集處）韌性撕裂，形成張開(kāi)的微裂紋。

3 結(jié)論

（1）母材非金屬夾雜物評(píng)級(jí)為細(xì)系D類0. 5級(jí)、B類1.0、C類1.0，晶粒度達(dá)到12.5級(jí)，控制比較理想，不是導(dǎo)致壓扁試驗(yàn)開(kāi)裂的原因。

（2）按實(shí)際厚度8.55 mm計(jì)算，合理的“腰鼓形”中心部位寬度應(yīng)為2.14-2.85 mm，實(shí)測(cè)開(kāi)裂部位“腰鼓形”中心部位的寬度為約3.5 mm，容易導(dǎo)致焊接過(guò)程產(chǎn)生的氧化物不能完全被擠壓出去。

（3）開(kāi)裂部位焊縫與母材組織基本一致為鐵素體+珠光體的混合組織，焊縫及其附近母材組織均勻細(xì)小，橫向取樣晶粒度12.5級(jí)，熔合線寬度為0.05 mm～0.10 mm，控制比較合理。

（4）焊縫中存在的成分為Fe、Mn、Si和O非金屬夾雜物，分析主要是焊接工藝不當(dāng)造成的，焊接速度過(guò)慢，未將焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氧化物擠出焊縫，是導(dǎo)致焊縫部位壓扁試驗(yàn)開(kāi)裂的主要

原因。

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