外加納米氧化鎂對X80管線鋼焊接熱影響區(qū)組織及性能影響

王嶺 陶威武 劉楊

摘 要：融制鋼材時加入外加納米MgO，通過外加納米MgO誘導(dǎo)針狀鐵素體形核、長大從而分割原奧氏體晶粒，達到降低有效晶粒尺寸的目的，由此提升焊接熱影響區(qū)韌性與強度，使得整個管線的質(zhì)量得到提高。

關(guān)鍵詞：X80管線;夾雜物;焊接熱影響區(qū)

1 概述

國際管道工程發(fā)展主要體現(xiàn)在兩個方向，一是通過提升管線口徑并提升輸送過程的壓強來提高傳輸效率。二是研發(fā)更高級別的管材并使之得到應(yīng)用[1]。不論從世界還是我國的角度來說高級別管線鋼的研發(fā)和應(yīng)用都得到了非常大的發(fā)展，起初我國對比其他技術(shù)完善國家相差程度十分明顯，但通過我國相關(guān)人員的刻苦研發(fā)以及我國多項重大工程的支持使得我國在管道鋼技術(shù)上得到了十分大的突破。我國在管線鋼的研發(fā)與應(yīng)用上都達到了世界其他先進國家的水平，而且在有些方面甚至進行了彎道超車一躍成為世界上技術(shù)最先進的國家。在所有高級別管線X80管線鋼目前來講應(yīng)用范圍最廣，生產(chǎn)和運維也十分成熟。應(yīng)加大對研發(fā)的投入來更好的提升X80鋼級管線[2]。而在管線運用過程中兩管線焊接接頭部位的性能最差。因此，提升兩管線焊接接頭性能為大勢所趨。

2 實驗步驟

第一步先將所用原料也就是Mo、Fe粉與納米MgO微米級按質(zhì)量比為42：6：1進行均勻混合。將上一步完成的物料用瑪瑙研缽繼續(xù)研碎，研碎后再進行混合。將混合好的物料分別按照占熔煉鋼0.01%wt、0.02%wt、0.05%進行分塊稱重。接著對X80管線鋼原料進行熔煉，經(jīng)上述步驟后將制成三組質(zhì)量均為5kg且MgO含量分別為0.01%wt、0.02%wt、0.05%wt的鑄態(tài)鋼錠。最后進行軋制，軋制參數(shù)如表1，最后把上述原料軋成管線鋼板，每塊厚度為11mm，軋制成6塊。

本實驗采用50kJ/cm和80kJ/cm兩種焊接輸入能量來模擬雙絲和多絲焊接，并利用ANSYS模擬軟件計算不同焊接熱輸入量條件下焊接熱循環(huán)曲線，并確定相關(guān)參數(shù)如下：

第一組：焊接線能量E定位50kJ/cm，峰值溫度θm定為1300℃。預(yù)熱溫度定位100℃，加熱速度為200℃/s。即加熱時間為6s，然后在1300℃溫度上保溫8s，在冷卻時，t8/5冷卻時間設(shè)定為90s，由500℃隨爐逐漸冷卻至室溫。第二組：焊接線能量E定位80kJ/cm，θm峰值溫度定為1320℃。預(yù)熱溫度定位100℃，加熱速度為200℃/s。即加熱時間約為6s，然后在1320℃溫度上保溫2s，在冷卻時，t8/5冷卻時間設(shè)定為80s，由500℃隨爐逐漸冷卻至室溫。第三組：對0.02MgO%wt在加熱過程中采用第一組和第二組的焊接熱模擬參數(shù)，而在冷卻過程中，分別于620℃，600℃，580℃和550℃取樣，直接水淬火至室溫，分析其在相應(yīng)溫度時組織變化情況。

采用NCINI750型沖擊試驗機，按照GB/T229-2007進行沖擊實驗。該實驗選用打擊能量為500J（10J）的大擺錘，其瞬間沖擊速度為6.0～6.5m/s。沖擊試驗在-20℃下進行，將沖擊試樣放在自制低溫冷卻槽中，用無水乙醇和液態(tài)氮氣加以冷卻，保溫15min后，將試樣從低溫槽中取出，在3～5s內(nèi)予以沖斷。

3 實驗結(jié)果

未添加納米MgO的X80管線鋼將其進行焊接熱模擬后，晶粒平均直徑為182.3μm，向其中添加0.01MgO%wt后，晶粒尺寸顯著減小至157.6μm，而當(dāng)添加0.02%MgOwt時，晶粒進一步得到細化小至121.7μm。

未添加外加納米MgO的原料鋼組織主要包括貝氏體、不規(guī)則形狀的多邊形鐵素體和M/A組元組成，其中針狀鐵素體雖然存在但含量不高，且板條平直。貝氏體絕大多數(shù)在晶內(nèi)，M/A組元既有板條狀也有顆粒狀，其中細小平直的板條狀占主體，而多邊形鐵素體則呈現(xiàn)不規(guī)則狀。原料鋼晶界十分明顯、基本無彎曲。加入0.01MgO%wt后，原始奧氏體的晶界不再平直，而轉(zhuǎn)化成彎曲狀，M/A組元變少，且主要在晶界內(nèi)呈顆粒狀彌散分布。當(dāng)加入0.02MgO%wt時，原始奧氏體晶界只有局部區(qū)域呈彎折狀其余則呈平直狀。貝氏體和多邊形鐵素變小，針狀鐵素體更為細小，M/A組元仍然呈顆粒狀分布于晶界內(nèi)。當(dāng)添加量為0.05MgO%wt后，奧氏體晶界十分明顯使得阻礙位錯運動的效果顯著提高。晶內(nèi)的M/A組元變成板條狀，長度很短，針狀鐵素體則變得更粗，比之前更大（如圖1）。

隨著納米MgO的添加，X80管線鋼焊接熱影響區(qū)沖擊吸收功逐步增大，從121J到190J。當(dāng)添加0.02MgO%wt達到了最大190J，但當(dāng)添加量到了0.05MgO%wt時沖擊韌性反而降低，可見適量納米MgO的添加能夠有效提高管線鋼焊接熱影響區(qū)沖擊韌性，過量或少量效果均不好（如圖2）。

4 結(jié)論

（1）添加納米MgO至X80管線鋼后，管線鋼的晶粒度得到較大細化，當(dāng)添加0.02%MgOwt時，晶粒細化至121.7μm。（2）添加0.02MgO%wt時，沖擊吸收功達到了190J，當(dāng)添加量到了0.05MgO%wt時沖擊韌性反而降低。

參考文獻：

[1]莊傳晶，馮耀榮，霍春勇，等.國內(nèi)X80級管線鋼的發(fā)展及今后的研究方向[J].焊管，2005（02）：10-14+67.

[2]張斌，錢成文，王玉梅，等.國內(nèi)外高鋼級管線鋼的發(fā)展及應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2012，38（01）：1-4+64+83.

基金項目：營口理工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“納米氧化鎂對X80高級別管線鋼焊接熱影響區(qū)組織及性能影響”。

通訊作者：劉楊