坡度X70管線鋼全自動(dòng)外焊接頭組織與性能

韓彬 高建章 周聰 賈彥杰 劉雪光 謝斐 牛盛源 李立英

摘要：采用全自動(dòng)外焊工藝對(duì)坡度為25°的X70管線鋼進(jìn)行焊接，利用光學(xué)顯微鏡和背散射電子衍射（EBSD）對(duì)焊接接頭組織進(jìn)行觀察，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸、彎曲、硬度、沖擊和裂紋尖端張開(kāi)位移（CTOD）等試驗(yàn)。結(jié)果表明：上下坡口的粗晶區(qū)寬度和焊接殘余應(yīng)力不同，上坡口粗晶區(qū)寬、殘余應(yīng)力大；焊接位置明顯影響內(nèi)表面熔合線沖擊功，平焊和立焊位置內(nèi)表面熔合線沖擊功遠(yuǎn)低于仰焊位置，是接頭的韌性薄弱區(qū)；焊縫沖擊功較高而CTOD值較低，建議評(píng)定焊接接頭韌性應(yīng)同時(shí)考慮沖擊功和CTOD值；根焊區(qū)是焊接接頭的危險(xiǎn)區(qū)，易引起環(huán)焊縫失效，建議采用等強(qiáng)或高強(qiáng)匹配，焊接工藝評(píng)定應(yīng)區(qū)分山區(qū)和平原地區(qū)，對(duì)山區(qū)條件下接頭進(jìn)行焊接工藝評(píng)定時(shí)一定要重點(diǎn)關(guān)注根焊區(qū)。

關(guān)鍵詞：大坡度； X70管線鋼； 全自動(dòng)焊； 顯微組織； 韌性

中圖分類號(hào)：TG 442?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-5005（2024）03-0145-09?? doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2024.03.016

Microstructures and properties of fully automatic welded joints of X70 pipeline steel with slope

HAN Bin1， GAO Jianzhang2， ZHOU Cong3， JIA Yanjie2， LIU Xueguang2， XIE Fei2， NIU Shengyuan1， LI Liying1

（1.School of Materials Science and Engineering in China University of Petroleum（East China）， Qingdao 266580，China;2.Southwest Pipeline Company Limited of PipeChina Group， Chengdu 610095， China;3.Offshore Oil Engineering Company Limited， Tianjin 300461，China）

Abstract： A fully automatic welding technique was used to weld X70 pipeline steel with a slope of 25°. The microstructures of the welded joint were observed by an optical microscope （OM） and electron backscattered diffraction （EBSD）. Meanwhile， the mechanical experiments on the welded joint such as tension， bending， hardness， impact and crack tip opening displacement（CTOD） were performed. The results show that the width of the coarse-grained heat-affected zone （CGHAZ） and the welding residual stress of the upper and lower grooves are different. In the upper groove， the width and the residual stress are both bigger. The welding position obviously affects the impact energy at the fusion line of the inner surface. The impact energy at the fusion line of the inner surface in the flat and vertical welding positions is much lower than that in the overhead welding position， which is the weak toughness zone of the welded joint. The impact energy of the weld is high but the CTOD value is low. Thus it is recommended to consider both the impact energy and CTOD value when evaluating the toughness of the welded joint. The root welding zone is the dangerous area of the welded joint， which is easy to cause the failure of the girth weld. It is recommended to use equal strength or high-strength matching welding materials in the root welding zone. In the welding procedure qualification we should distinguish mountainous areas and plain areas. When performing welding procedure qualification for welded joints under mountainous conditions， the root welding zone must be paid attention to.

Keywords： large slope; X70 pipeline steel; automatic welding; microstructures;? toughness

21世紀(jì)以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)石油和天然氣的需求不斷增加。管道輸送石油和天然氣作為最經(jīng)濟(jì)、安全、高效、節(jié)能的運(yùn)輸方式，被越來(lái)越多地應(yīng)用到實(shí)際工程中［1-2］。油氣管道網(wǎng)長(zhǎng)而復(fù)雜，要提高管道的輸送能力需要增大管徑，提高輸送壓力。這使得管線鋼朝著更好韌性、更高強(qiáng)度、抗大變形、耐低溫、耐腐蝕及厚壁方向發(fā)展［3-5］。管道在服役過(guò)程中因環(huán)焊縫失效而引發(fā)的事故時(shí)有發(fā)生，因此，焊接在管道安全運(yùn)行中具有重要地位，焊接接頭的質(zhì)量直接影響管線的安全［6-7］。目前，油氣長(zhǎng)輸管道焊接所用焊接方法主要有焊條電弧焊、半自動(dòng)焊和全自動(dòng)焊。全自動(dòng)焊具有焊接效率高、焊接工藝參數(shù)易控制、焊接過(guò)程穩(wěn)定、焊縫性能優(yōu)良、焊接參數(shù)可實(shí)時(shí)采集與傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，是管道焊接發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前，自動(dòng)焊在平原地區(qū)施工已比較成熟，在中俄東線工程中，自動(dòng)焊應(yīng)用比例高達(dá)96.5%。但是，中國(guó)華東、華南和西南地區(qū)大部分以山地丘陵為主，存在起伏多，坡度大，坡面和溝谷狹窄；巖質(zhì)破碎，坡積土松軟，石方區(qū)普遍；氣象條件變化大，多風(fēng)雨，易風(fēng)蝕、水毀；交通條件差，可利用道路較少等不利條件。另外，山區(qū)海拔高、電弧穩(wěn)定性差、氣孔敏感性高，以及坡度導(dǎo)致的重力作用使得焊縫成型不良，產(chǎn)生裂紋、未熔合等焊接缺陷。全自動(dòng)焊包括內(nèi)焊機(jī)根焊和外焊機(jī)根焊兩類。外焊機(jī)根焊全自動(dòng)焊接的焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良、效率高、方便靈活，易施工。然而，目前關(guān)于坡度大于12°的管道全自動(dòng)焊報(bào)道較少［8］。LI Liying等［9］對(duì)坡度25°X70管道自動(dòng)焊接頭的未熔合產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了研究，而有關(guān)坡度對(duì)接頭組織和性能的影響研究尚未見(jiàn)報(bào)道。因此筆者研究坡度為25°的X70管線鋼的全自動(dòng)外焊接頭組織和力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的X70鋼管，規(guī)格為Φ813 mm×17.5 mm。根焊采用ACL-X52C，直徑為1.0 mm，熱焊、填充和蓋面焊采用AFR-85G，直徑為1.2 mm。X70鋼管和焊材的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示。

焊接坡口為雙V型，如圖1（a）（單位：mm）所示。

所用保護(hù)氣體為100% CO2，氣體流量為30～40 L/min。焊接道次、焊接效果分別如圖1（b）、（c）所示。采用外焊機(jī)進(jìn)行根焊（RW）、熱焊（HW）、填充（F1、F2、F3、F4）和蓋面（C1、C2），焊接方向?yàn)橄孪蚝福A(yù)熱溫度為80～150 ℃，層間溫度為60～150 ℃，焊接參數(shù)如表2所示。

焊后，首先采用盲孔測(cè)定焊接接頭內(nèi)外表面的軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力。其次，對(duì)接頭進(jìn)行組織分析和力學(xué)性能試驗(yàn)。采用光學(xué)顯微鏡和背散射電子衍射（electron backscattered diffraction，EBSD）觀察接頭組織形貌。按照GB/T 228.1-2021和GB/T 232-2010采用微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭進(jìn)行拉伸和彎曲試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)過(guò)程中采用數(shù)字圖像相關(guān)法（digital image correlation，DIC）記錄應(yīng)變。按照GB/T 4340.1-2009采用Hvs-50型維氏硬度計(jì)測(cè)定接頭的硬度分布。按照GB/T 229-2020采用JB-500B擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定接頭-20 ℃沖擊韌性。按照GB/T 21143-2014采用CCQB電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行焊接接頭裂紋尖端張開(kāi)位移（crack tip opening displacement，CTOD）試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊接接頭組織

2.1.1 焊接接頭宏觀形貌

圖2為焊接接頭的宏觀形貌。由圖2可見(jiàn)，平焊、立焊和仰焊位置的接頭宏觀形貌類似。接頭橫截面無(wú)表面裂紋、孔洞、未焊透、未熔合等缺陷。根焊厚度為2.52～3.19 mm，焊縫余高為1.22～1.77 mm，焊縫寬度為4.05～16.67 mm，焊縫寬度最小在根焊處，為4.05 mm，焊縫寬度最大在蓋面處，為16.67 mm，錯(cuò)邊量小于1.17 mm。

2.1.2 母材顯微組織

X70鋼屬于典型的針狀鐵素體型鋼，其顯微組織主要是針狀鐵素體和板條貝氏體（圖3（a））。由于X70鋼除了含鈮、釩、鈦外，還加入了少量的鎳、鉻、銅和鉬，使鐵素體的形成溫度更低，有利于形成針狀鐵素體和板條貝氏體［10］。有效保證其具有優(yōu)良的韌性、較高的形變強(qiáng)化能力、較小的包申格效應(yīng)、良好的焊接性和抗氫致開(kāi)裂（hydrogen-induced cracking，HIC）性能［11］。圖3（b）為含有晶界的EBSD Euler圖，大于15°晶界標(biāo)定為黃色，小于15°晶界標(biāo)定為綠色。可知，母材主要以大角度晶界為主。大角度晶界可有效阻止裂紋擴(kuò)展，使母材具有良好的韌性和較高的強(qiáng)度。圖3（c）為EBSD KAM圖?？梢?jiàn)，應(yīng)變分布較均勻，主要集中在大角度晶界處。

2.1.3 焊縫顯微組織

由于接頭平焊、立焊和仰焊位置的接頭宏觀形貌類似，主要分析了平焊位置的接頭微觀組織形貌。圖4為焊縫顯微組織形貌。由圖4可知，焊縫組織主要是鐵素體和貝氏體。根焊、熱焊和填充焊縫經(jīng)歷了二次加熱，受到熱處理作用，晶粒被細(xì)化。根焊以準(zhǔn)多邊形鐵素體及粒狀貝氏體為主。熱焊、填充及蓋面以針狀鐵素體和板條貝氏體為主。針狀鐵素體內(nèi)部含有較高的位錯(cuò)密度，使該區(qū)域具有良好的韌性。填充焊縫含有少量沿晶界分布的鏈狀M-A島，M-A島是脆硬相，可增加材料的強(qiáng)度，但也破壞了基體材料的連續(xù)性，M-A島及粗大的第二相粒子的存在會(huì)降低接頭韌性［12-15］。由圖4（e）可知，蓋面焊縫黃色的大于15°大角度晶界與綠色的2°～15°小角度晶界數(shù)量相當(dāng)。由圖4（f）可見(jiàn)，黃色的晶界處應(yīng)變較大。

2.1.4 熱影響區(qū)顯微組織

熱影響區(qū)（heat-affected zone，HAZ）顯微組織如圖5所示。上坡口根焊、熱焊、填充和蓋面粗晶區(qū)主要是針狀鐵素體、準(zhǔn)多邊形鐵素體和粒狀貝氏體。變形過(guò)程中，鐵素體先發(fā)生應(yīng)變，可保證較高的延伸率，貝氏體可提供高強(qiáng)度［16-17］。受焊接熱輸入的影響，蓋面粗晶區(qū)針狀鐵素體比根焊、熱焊和填充多。細(xì)晶區(qū)主要是準(zhǔn)多邊形鐵素體和板條貝氏體。受重力影響，熔池有向下坡口流動(dòng)的趨勢(shì)，使得上下坡口組織存在差異。下坡口根焊粗晶區(qū)主要是準(zhǔn)多邊形鐵素體和板條貝氏體，熱焊、填充和蓋面粗晶區(qū)主要是針狀鐵素體和粒狀貝氏體，細(xì)晶區(qū)主要是準(zhǔn)多邊形鐵素體和粒狀貝氏體。由圖5（i）和（j）可見(jiàn)，HAZ晶粒較均勻，以黃色的大于15°大角度晶界為主。晶粒越小，應(yīng)變?cè)酱笄曳植荚诰Ы纭?/p>

受重力沿管道軸向分力的影響，熔池有向下坡口流動(dòng)的趨勢(shì)，導(dǎo)致上下坡口的熱影響區(qū)寬度及焊后殘余應(yīng)力分布明顯不同。如圖6所示，上坡口和下坡口粗晶區(qū)的最大寬度分別為189和138 μm，上坡口粗晶區(qū)寬度大于下坡口。圖7為焊接殘余應(yīng)力分布。由圖7可見(jiàn)，上坡口熱影響區(qū)焊后殘余應(yīng)力大于下坡口。因此，大坡度情況下，焊接接頭若受到外加載荷，上坡口屬于危險(xiǎn)區(qū)。

2.2 焊接接頭性能

2.2.1 拉伸性能

拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，焊接位置對(duì)拉伸性能影響不明顯。平焊和仰焊試樣的抗拉強(qiáng)度分別為645.5和646.5 MPa，均高于母材的下限值（570 MPa），屈服強(qiáng)度分別為563和542.5 MPa，高于母材名義屈服強(qiáng)度（482.6 MPa），斷裂位置均位于母材。平焊（試樣1）和仰焊（試樣3）試樣斷口形貌如圖9所示。由圖9可知，兩個(gè)試樣宏觀斷口形貌基本相似，呈杯錐狀。微觀可見(jiàn)大量韌窩，為韌性斷裂。DIC結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，根焊采用低強(qiáng)匹配焊材，應(yīng)變集中首先發(fā)生在根焊，然后轉(zhuǎn)移至熱焊，繼而轉(zhuǎn)移至母材，之后變形主要發(fā)生在母材，最終試樣斷裂于母材。這表明雖然焊接接頭強(qiáng)度較高，但根焊產(chǎn)生塑性應(yīng)變累積，容易產(chǎn)生開(kāi)裂，屬于危險(xiǎn)區(qū)［18］。

2.2.2 彎曲性能

彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。彎曲試樣及裂紋形貌如圖11所示。焊接位置影響接頭的彎曲性能。平焊位置的1號(hào)試樣和仰焊位置的7、8號(hào)試樣出現(xiàn)了裂紋，裂紋長(zhǎng)度分別為3.6、1.3和3.2 mm。平焊位置的2、3和4號(hào)試樣均無(wú)裂紋出現(xiàn)。仰焊位置的5和6號(hào)試樣斷裂。仰焊位置出現(xiàn)裂紋的概率高，是因?yàn)檠龊肝恢煤附訒r(shí)焊接熔池在重力作用下容易下淌，故采用的焊接熱輸入較平焊位置小，因而導(dǎo)致仰焊位置韌性差而引起彎曲開(kāi)裂。采用光學(xué)顯微鏡對(duì)裂紋形貌進(jìn)行觀察，可見(jiàn)1號(hào)及7號(hào)試樣裂紋在上坡口根焊與熱焊交界處的熔合線處起裂，沿粗晶區(qū)擴(kuò)展，最終止裂于細(xì)晶區(qū)（圖11（b）、（c））。從裂紋周圍硬度分布（圖11（d）、（e））可知，裂紋兩側(cè)硬度較高，尤其是靠近粗晶區(qū)一側(cè)硬度高于400 HV0.1。該處產(chǎn)生裂紋的原因是晶粒粗大，M-A島沿晶界分布，導(dǎo)致熱影響區(qū)脆化［19］。同時(shí)，根焊與熱焊交界處的熔合線處硬度和殘余應(yīng)力較高。受外力時(shí)，殘余應(yīng)力較大部位產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展。這說(shuō)明受到外力后，上坡口根焊與熱焊熔合線附近屬于危險(xiǎn)區(qū)域。

2.2.3 焊接接頭硬度

焊接接頭硬度分布如圖12所示。由圖12可知，硬度值總體呈現(xiàn)HAZ>焊縫>母材的趨勢(shì)（根焊除外）。由于根焊采用低強(qiáng)匹配焊材，焊縫硬度值低于母材。蓋面焊縫和HAZ的硬度高于填充焊、熱焊和根焊相應(yīng)的硬度。這是因?yàn)樯w面HAZ和焊縫未經(jīng)后續(xù)焊道的熱處理作用。另外，蓋面HAZ硬度比蓋面焊縫高。這是因?yàn)樯w面焊縫以針狀鐵素體和板條貝氏體為主，而蓋面HAZ主要為針狀鐵素體、準(zhǔn)多邊形鐵素體和粒狀貝氏體，針狀鐵素體的位錯(cuò)密度高，粒狀貝氏體中的第二相具有第二相強(qiáng)化作用。

2.2.4 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。由圖13可知，焊接位置、上下坡口和內(nèi)外表面對(duì)HAZ沖擊功影響不大。HAZ沖擊功最高，在220～246 J之間。這是因?yàn)椴捎米詣?dòng)焊接，熱輸入較小，HAZ最大寬度約2 mm。而HAZ沖擊試樣的缺口位于熔合線+2 mm處，一般位于細(xì)晶區(qū)或兩相區(qū)，甚至是母材。

焊接位置對(duì)焊縫沖擊功影響不大。平焊、立焊和仰焊焊縫的沖擊功分別為164、137和132 J。焊縫沖擊功較高，但小于HAZ沖擊功。這是因?yàn)楹缚p主要以針狀鐵素體和板條貝氏體為主，填充焊縫還含有少量的脆性M-A島，HAZ細(xì)晶區(qū)主要是準(zhǔn)多邊形鐵素體和板條貝氏體（或粒狀貝氏體），準(zhǔn)多邊形鐵素體韌性高于針狀鐵素體。

上下坡口對(duì)平焊和立焊位置的熔合線沖擊功影響不大，但內(nèi)外表面影響明顯。平焊和仰焊位置熔合線外表面的沖擊功在141～183 J之間，而內(nèi)表面在52～73 J之間。內(nèi)外表面沖擊試樣分別以管內(nèi)壁和管外壁為基準(zhǔn)取樣。試樣缺口位于等效熔合線，一半位于焊縫，一半位于粗晶區(qū)。內(nèi)表面試樣包含根焊、熱焊和填充層，外表面試樣幾乎全部為填充層。焊縫組織類似，而根焊、熱焊和填充粗晶區(qū)主要是針狀鐵素體和粒狀貝氏體。根焊、熱焊的冷卻速度比填充速度快，粒狀貝氏體較多。粒狀貝氏體的韌性比針狀鐵素體的差導(dǎo)致內(nèi)表面沖擊功低于外表面。仰焊位置熔合線的沖擊功在164～209 J之間，內(nèi)外表面、上下坡口對(duì)其影響較小。平焊和立焊位置的內(nèi)表面熔合線斷口形貌如圖14所示。由圖14可知，斷口由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇組成，纖維區(qū)占比很小，不足20%，超過(guò)60%是放射區(qū)。放射區(qū)為放射狀的河流花樣，是典型的脆性斷裂。

2.2.5 CTOD試驗(yàn)

CTOD試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。由圖15可知，焊縫平焊位置CTOD均值為0.173 mm，立焊位置CTOD均值為0.193 mm，仰焊位置CTOD均值為0.223 mm。HAZ平焊位置CTOD均值為0.70 mm，立焊位置CTOD均值為0.56 mm，仰焊位置CTOD均值為0.56 mm?？梢?jiàn)HAZ斷裂韌性明顯高于焊縫。這主要是由于焊縫采用的是金屬粉芯焊材，強(qiáng)度高，韌性相對(duì)較低，且焊縫存在脆性M-A島。對(duì)比圖13和15可知，焊縫的沖擊功較高，但CTOD值較低。

3 結(jié) 論

（1） 坡度25°的X70鋼全自動(dòng)焊接頭，上下坡口粗晶區(qū)寬度和殘余應(yīng)力不同;上坡口粗晶區(qū)較寬，殘余拉應(yīng)力水平較高；上坡口（尤其是根焊區(qū)）為焊接接頭危險(xiǎn)區(qū)域。

（2）焊接接頭強(qiáng)度較高，應(yīng)變首先發(fā)生在低強(qiáng)匹配的根焊區(qū)，根焊屬于危險(xiǎn)區(qū)，建議采用等強(qiáng)或高強(qiáng)匹配。

（3）焊接位置明顯影響內(nèi)表面熔合線沖擊功，平焊和立焊位置內(nèi)表面熔合線沖擊功遠(yuǎn)低于仰焊位置，最低沖擊功僅為52 J，是接頭的韌性薄弱區(qū)。

（4） 焊縫沖擊功較高，但CTOD值較低，鑒于長(zhǎng)輸管道多因焊接接頭韌性差而導(dǎo)致斷裂失效，建議評(píng)定焊接接頭韌性同時(shí)考慮沖擊功和CTOD值。

（5） 大坡度焊接接頭上下坡口HAZ不對(duì)稱，焊接工藝評(píng)定時(shí)應(yīng)區(qū)分山區(qū)和平原地區(qū)，山區(qū)條件下接頭一定要重點(diǎn)關(guān)注根焊區(qū)，尤其是上坡口熔合線，該處易成為環(huán)焊縫失效的起始點(diǎn)。

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（編輯 沈玉英）

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFA1000103）；國(guó)防科技創(chuàng)新特區(qū)項(xiàng)目（22-05-CXZX-04-04-29）；國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)重點(diǎn)科研計(jì)劃（CLZB20211）；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020CXGC010207，2022CXGC010202）

第一作者及通信作者：韓彬（1973-），男，教授，博士，研究方向?yàn)楸砻娓男耘c材料焊接技術(shù)。 E-mail：hbzhjh@upc.edu.cn。

引用格式：韓彬，高建章，周聰，等.坡度X70管線鋼全自動(dòng)外焊接頭組織與性能［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，48（3）：145-153.

HAN Bin， GAO Jianzhang， ZHOU Cong， et al. Microstructures and properties of fully automatic welded joints of X70 pipeline steel with slope［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2024，48（3）：145-153.