直縫埋弧焊管焊縫夏比沖擊性能試驗(yàn)研究

王林林，楊鵬飛，范 潔，韓鐵利，吳振宇，王立柱

（巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

從20 世紀(jì)80 年代至今，我國油氣輸送管材的鋼級從以鐵素體+珠光體組織（晶粒尺寸為8 μm 左右，珠光體相含量占30%左右）為主的X42～X65 中低強(qiáng)度鋼（C 含量0.06%～0.09%，Nb+V+Ti 含量≤0.12%）［1-2］，發(fā)展到了以針狀鐵素體主導(dǎo)的復(fù)相組織的X70、X80 高強(qiáng)度管線鋼（C 含量0.02%～0.05%，S 含量≤0.005%）［3-4］。在發(fā)展初期，由于國內(nèi)鋼廠的技術(shù)水平還較弱，主要通過添加一定量的Mn、Mo、Cr、Ni、Cu 等合金元素來確保管線鋼鋼板的強(qiáng)度和韌性［5］。但隨著控制軋制和控制冷卻（TMCP）技術(shù)的發(fā)展［6-7］，鋼廠出于成本考慮，更多的是通過提高控軋控冷技術(shù)來保證管線鋼鋼板的力學(xué)性能，合金元素添加量總體呈下降趨勢，而合金元素添加量的減少將導(dǎo)致焊管焊縫中的合金含量也隨之降低，焊縫夏比沖擊功降低［8-9］，管線項(xiàng)目要求焊管焊縫的夏比沖擊功較高時(shí)，則很可能發(fā)生焊管夏比沖擊試驗(yàn)不合格的情況。按照API Spec 5L—2018《管線鋼管規(guī)范》和GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》要求，管線用管的夏比沖擊試驗(yàn)不合格時(shí)，不能進(jìn)行復(fù)取，被取樣管材將直接被降廢處理，這給工廠造成很大的損失。在合金元素添加量有限的情況下，目前主要通過優(yōu)化焊接工藝來改善焊縫的低溫沖擊韌性［10］。巨龍鋼管有限公司利用現(xiàn)有焊材進(jìn)行了焊材交叉匹配試驗(yàn)，制定超低合金含量鋼板的最佳焊接工藝，并在某項(xiàng)目中成功應(yīng)用。現(xiàn)對該焊材交叉匹配試驗(yàn)進(jìn)行介紹。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鋼板為某鋼廠提供的X65M 鋼板。按照ASTM A 751—2014a《鋼制品化學(xué)分析標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)操作和術(shù)語》檢驗(yàn)X65M 鋼板的化學(xué)成分，檢驗(yàn)設(shè)備為ARL 4460 直讀光譜儀；在NI750C 沖擊試驗(yàn)機(jī)上，按照ASTM A 370—2017《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和定義》進(jìn)行-30 ℃夏比沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm。X65M鋼板的化學(xué)成分見表1，沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 X65M 鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 X65M 鋼板的沖擊試驗(yàn)結(jié)果

對于鋼板元素含量，很多標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了上限值，未規(guī)定下限值，導(dǎo)致不同鋼廠生產(chǎn)的鋼板的合金元素含量波動較大，鋼板的夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果雖然合格，但是沖擊功數(shù)值離散度較大。后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步對鋼板的元素含量加嚴(yán)控制，如中俄東線天然氣管道工程項(xiàng)目技術(shù)要求中對X80M 鋼級鋼板Mo、Ni 元素的下限進(jìn)行了限制［11］，沖擊試驗(yàn)結(jié)果就十分理想。

2 試驗(yàn)方案

2.1 管段試驗(yàn)

焊接試驗(yàn)預(yù)焊及預(yù)焊修補(bǔ)均使用CHW-60C 氣體保護(hù)焊絲；內(nèi)焊與外焊使用不同廠家生產(chǎn)的H08MnMoTiB 焊絲和燒結(jié)焊劑，焊絲化學(xué)成分見表3。內(nèi)焊和外焊均為三絲焊，一絲與二絲焊絲的直徑為4.0 mm，三絲直徑為3.2 mm，焊接線能量為2 kJ/mm［12］。在合理的焊接線能量范圍內(nèi)，隨著焊接線能量的降低，焊縫及熱影響區(qū)的組織呈細(xì)化趨勢，同時(shí)可減少焊縫中氧和氮的含量［13-14］。焊材匹配情況見表4。

表3 H08MnMoTiB 焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

制成管段后，在焊縫處截取夏比沖擊試樣，并加工成55 mm×10 mm×10 mm 全尺寸試樣，在NI750C 沖擊試驗(yàn)機(jī)上，按照ASTM A 370—2017 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行-20 ℃夏比V 型沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 焊材匹配情況及試驗(yàn)管段沖擊功

對比發(fā)現(xiàn)，使用a 焊絲，搭配e 或g 焊劑時(shí)，鋼管焊縫沖擊功均較高。隨后，對兩組焊材匹配分別做了焊接工藝評定試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)拉伸與彎曲等性能也都全部合格。

2.2 批量生產(chǎn)

通過管段試驗(yàn)確定出焊絲應(yīng)選用a，焊劑可以選用e 和g 焊劑。用這兩種焊材匹配方案批量生產(chǎn)了某項(xiàng)目X65M 鋼級Ф559 mm 規(guī)格直縫埋弧焊管，共計(jì)1 200 余根，根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求取夏比沖擊試樣54 組，試驗(yàn)溫度均為-20 ℃，沖擊功情況見表5和如圖1 所示。

圖1 用兩種焊劑焊接的X65M 鋼級Ф559 mm 規(guī)格直縫埋弧焊管的沖擊功分布

表5 X65M 鋼級Ф559 mm 規(guī)格直縫埋弧焊管的沖擊功

從圖1 可以看出，使用e 焊劑進(jìn)行焊接時(shí)，X65M 鋼級Ф559 mm 規(guī)格直縫埋弧焊管的沖擊功主要分布在70～100 J，而使用g 焊劑時(shí)的沖擊功主要分布在90～140 J。

3 分 析

將使用e 焊劑焊接的X65M 鋼級Ф559 mm 規(guī)格直縫埋弧焊管編號為A 組，使用g 焊劑焊接的直縫埋弧焊管編號為B 組，按照ASTM A 751—2014a 標(biāo)準(zhǔn)，采用ARL 4460 直讀光譜儀分析這兩組直縫埋弧焊管焊縫的化學(xué)成分，結(jié)果見表6。

表6 X65M 鋼級Ф559 mm 規(guī)格直縫埋弧焊管焊縫化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

從表7 可以看出，使用g 焊劑時(shí)，焊縫內(nèi)的Mn、Mo、Ni 含量以及Ti 含量都略有增加。一定含量的Mn、Ni 等元素能起到固溶強(qiáng)化的作用，同時(shí)還可改善材料韌性，使得焊縫在調(diào)質(zhì)后具有足夠高的強(qiáng)度和韌性。在碳鋼及低合金鋼的焊縫中，Mn是最常加入的元素，Mn 含量在一定范圍時(shí)，焊縫的強(qiáng)度和韌性會隨著Mn 含量的增加而增加；此外，Mn 含量的增加還可促進(jìn)焊縫中針狀鐵素體增加、多邊形鐵素體減少，有利于得到細(xì)化的針狀鐵素體。Ni 可使焊縫的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT 曲線）右移，因而可促進(jìn)針狀鐵素體形成，使焊縫韌性提高。Mo 是促進(jìn)針狀鐵素體形成元素，因而適當(dāng)?shù)腗o 含量有利于提高焊縫韌性。在鋼中加入適量的Ti 等強(qiáng)碳化物形成元素，可以減小奧氏體晶粒長大傾向，從而得到細(xì)晶粒鋼［15］。

X65M 鋼級Ф559 mm 規(guī)格直縫埋弧焊管焊縫的金相組織如圖2 所示。從圖2 可以看出，B 組鋼管的晶粒得到了細(xì)化，要小于A 組鋼管晶粒的尺寸，晶粒尺寸的細(xì)化有助于提升焊縫的夏比沖擊性能，與上述沖擊試驗(yàn)結(jié)果相一致。

圖2 X65M 直縫埋弧焊管焊縫的金相組織

4 結(jié)語

受鋼板合金元素含量下降的影響，焊管焊縫夏比沖擊功也會下降。管線用管項(xiàng)目要求焊管焊縫夏比沖擊功較高時(shí)，必須提前作出預(yù)判，并改變焊接工藝，以避免產(chǎn)生損失；在批量制管開始前，最好先進(jìn)行焊接工藝評定試驗(yàn)，優(yōu)選出最適宜的焊材組合。