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    焊材匹配與鋼板合金成分對(duì)X80管線鋼管低溫韌性的影響

    2021-11-30 05:12:48張婷婷劉志華金振亞姚洪昆
    鋼管 2021年4期
    關(guān)鍵詞:焊劑鋼級(jí)沖擊韌性

    張婷婷,劉志華,金振亞,姚洪昆,嵇 峰

    (1.安徽工業(yè)大學(xué),安徽 馬鞍山243002;2.南京巨龍鋼管有限公司,江蘇 南京210061;3.中國(guó)石化國(guó)際事業(yè)有限公司,北京100728)

    油氣長(zhǎng)輸管道是原油、成品油與天然氣的主要運(yùn)輸載體之一,是最經(jīng)濟(jì)、合理的運(yùn)輸方式,在石油天然氣行業(yè)發(fā)揮著巨大作用。中國(guó)四大油氣戰(zhàn)略通道之一的中俄東線工程,其線路沿線自然環(huán)境復(fù)雜,冬季極端氣溫環(huán)境低至-48℃[1-6]。在低溫環(huán)境下,管道材料的機(jī)械性能較常溫下有明顯變化,隨著溫度的不斷降低,管線鋼的強(qiáng)度、硬度、塑性、彈性、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度等均會(huì)發(fā)生變化[7-12],致使管道在低溫環(huán)境發(fā)生失效的概率增大。隨著中俄東線工程建設(shè)的不斷推進(jìn),已有部分地區(qū)應(yīng)用了X80鋼級(jí)低溫鋼管,但由于各鋼管廠家采用的鋼板原材料以及焊材存在一定的差異,生產(chǎn)時(shí)表現(xiàn)出X80鋼級(jí)鋼管的低溫韌性具有較大的離散性,產(chǎn)品合格率有待進(jìn)一步提高。因此,探索不同焊材匹配與不同鋼板合金成分對(duì)X80鋼級(jí)管線鋼管低溫韌性的影響,為低溫環(huán)境下高強(qiáng)度管線鋼管的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供可靠的實(shí)踐基礎(chǔ)具有重要意義。

    本文研究的X80鋼級(jí)低溫鋼管依據(jù)Q/SY GD 0507.5—2018《中俄東線天然氣管道工程站場(chǎng)低溫環(huán)境用 管材、管件技術(shù)條件 第5部分:站內(nèi)鋼管》進(jìn)行生產(chǎn),技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

    表1 -45℃低溫環(huán)境用X80鋼級(jí)低溫鋼管的技術(shù)指標(biāo)

    1 試驗(yàn)材料

    采用了兩種合金體系的X80M管線用板材,經(jīng)JCOE成型與雙面多絲埋弧焊接方式制成直縫埋弧焊管,鋼管規(guī)格為Φ1 219 mm×27.5 mm。針對(duì)兩種合金體系的板材開(kāi)展了5種焊材匹配方案的焊接試驗(yàn),擴(kuò)徑率選用0.7%,制管后檢測(cè)鋼管母材與焊接接頭的綜合機(jī)械性能,優(yōu)選出適用于X80低溫鋼管焊接的焊接材料,并分析兩種合金體系對(duì)鋼管低溫性能的影響,篩選出更優(yōu)的成分設(shè)計(jì)方案。

    表2列出了兩種合金體系板材的主要化學(xué)成分,合金1中添加了較多的Ni,同時(shí)微調(diào)了Si、Mo、Cu和Ti的含量,w(V+Nb+Ti)較合金2高出0.008%,然而兩種板材的CEPcm均較低,具有良好的可焊性。兩種合金板材的金相顯微組織如圖1所示,合金1主要以針狀鐵素體(AF)為主,伴有極少量的多邊形鐵素體(PF),以及彌散分布MA組元;合金2主要以粒狀貝氏體(GB)為主,其中存在一定比例的多邊形鐵素體,MA組元的尺寸較大??梢?jiàn),合金1的針狀鐵素體比例較合金2更多一些,多邊形鐵素體更少,且晶粒更細(xì)小。

    表2 -45℃低溫環(huán)境用X80鋼級(jí)低溫鋼管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

    圖1 兩種合金板材的金相顯微組織

    2 焊接試驗(yàn)及焊接方案的優(yōu)選

    選用合金2鋼板為試驗(yàn)材料,采用3種焊絲和3種焊劑,設(shè)計(jì)了5種焊材匹配方案進(jìn)行焊接。其中,焊絲A和C均為Mn-Mo-Ti-B系埋弧焊絲,只是成分上略有微調(diào),焊絲A中的碳含量略高于焊絲C,其他合金含量?jī)煞N焊絲相當(dāng);焊絲E是在Mn-Mo-Ti-B系的基礎(chǔ)上,降低了Mo含量,增加了Cu和Ni的含量。3種埋弧焊絲的主要合金成分見(jiàn)表3。

    表3 3種埋弧焊絲的主要合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

    焊劑均選用氟堿型燒結(jié)焊劑,3種焊劑在S、P雜質(zhì)含量和堿度上有所區(qū)別,雜質(zhì)含量從高到低依次為D∧B∧F,堿度由高到低依次為F∧B∧D。3種埋弧焊劑雜質(zhì)含量及堿度見(jiàn)表4。

    采用5種焊接方案進(jìn)行X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×27.5 mm鋼管的焊接,測(cè)試管體與焊縫的拉伸性能。按照鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)要求,管體母材采用圓棒橫向拉伸試樣,焊縫采用板狀橫向拉伸試樣。X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×27.5 mm焊接試驗(yàn)管體與焊縫的拉伸性能見(jiàn)表5??梢钥闯?,采用不同焊絲、焊劑匹配的鋼管,其管體與焊接接頭拉伸性能均能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

    對(duì)5種焊接方案的鋼管焊縫進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)溫度-45℃,采用10 mm×10 mm×55 mm全尺寸試樣。X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×27.5 mm焊接試驗(yàn)鋼管焊縫低溫(-45℃)夏比沖擊性能見(jiàn)表6。

    表6 X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×27.5 mm焊接試驗(yàn)鋼管焊縫低溫(-45℃)夏比沖擊性能

    試驗(yàn)結(jié)果表明:5種焊接方案下的焊縫沖擊性能均能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,但不同焊材匹配獲得的焊縫沖擊韌性水平存在較大差異。

    方案1~4的-45℃夏比沖擊功平均值都能達(dá)到100 J以上;焊劑B搭配A和C焊絲兩種方案的夏比沖擊功均處于較高水平;焊劑D搭配的A和C焊絲的夏比沖擊功波動(dòng)較大,平均水平低于焊劑B的兩種匹配方案??梢钥闯觯诤附z成分相當(dāng)?shù)那闆r下,使用較高堿度和較低S、P雜質(zhì)含量的焊劑可以獲得更優(yōu)的低溫沖擊韌性。這是由于提高堿度能減小焊縫金屬中的S、P,降低焊縫中[O]、Si含量,從而使原奧氏體晶粒尺寸增大,并產(chǎn)生了有利于針狀鐵素體形核的夾雜物和分布,促進(jìn)了針狀鐵素體在焊縫金屬中的形成,有利于改善焊縫沖擊韌性;此外,焊劑中S、P含量越低,越有利于焊縫金屬的沖擊韌性。P是一種易偏析元素,會(huì)提高焊縫的脆性轉(zhuǎn)變溫度,對(duì)焊縫的低溫沖擊韌性產(chǎn)生不良影響[13-15]。因此,焊劑B搭配A和C焊絲的方案獲得的焊縫沖擊功高且穩(wěn)定性好。

    方案5的焊縫低溫沖擊韌性明顯低于方案1~4,該方案采用了高堿度和低S、P雜質(zhì)的焊劑,匹配相應(yīng)焊絲,與方案1~4相比,焊劑組分上更有利于低溫韌性的提高,然而焊絲中增Ni降Mo的設(shè)計(jì)思路在提高高強(qiáng)度管線鋼焊縫韌性方面并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。原因可能是:Mo含量偏低時(shí),添加0.28%的Ni對(duì)于焊縫固態(tài)相變中形成針狀鐵素體的作用不明顯,加之試驗(yàn)板材的厚度為27.5 mm,厚度較大,大線能量焊接時(shí)使得焊絲中合金元素的燒損較為明顯,因此獲得的焊縫低溫沖擊韌性并不理想。

    3 合金體系對(duì)鋼管低溫性能的影響

    選用焊接方案1(焊絲A+焊劑B)對(duì)兩種合金體系的板材進(jìn)行焊接,合金1取樣8組,合金2取樣6組,制管后的X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×27.5 mm焊接試驗(yàn)鋼管的落錘撕裂試驗(yàn)(DWTT)性能見(jiàn)表7,兩種合金的DWTT性能對(duì)比如圖2所示。

    從表7和圖2可以看出:-45℃下,合金1鋼管管體的DWTT剪切面積百分比為58%~82%,平均值為69%;合金2鋼管DWTT剪切面積百分比為20%~85%,平均值為52%,出現(xiàn)一個(gè)單個(gè)值不合格;合金1的平均水平普遍優(yōu)于合金2,且合金1的DWTT低溫穩(wěn)定性較好。

    圖2 兩種合金的DWTT性能對(duì)比

    表7 X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×27.5 mm焊接試驗(yàn)鋼管DWTT性能

    X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×27.5 mm焊接試驗(yàn)鋼管的-45℃夏比沖擊韌性見(jiàn)表8,沖擊功單個(gè)值分布如圖3所示。

    從表8和圖3可以看出:合金1鋼管焊縫的夏比沖擊功為64~209 J,平均值為154 J;合金2鋼管焊縫的夏比沖擊功為75~199 J,平均值為138 J;雖然兩種合金的沖擊功均能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,但仍出現(xiàn)個(gè)別單個(gè)值偏低的情況??梢?jiàn),兩種合金下,使用相同的焊接材料焊接鋼管,其焊縫在沖擊韌性方面均能滿足要求,但均存在一定的離散性。

    圖3 兩種合金的沖擊功單個(gè)值分布情況

    表8 X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×27.5 mm焊接試驗(yàn)鋼管的-45℃夏比沖擊韌性

    從表8還可以看出,合金1鋼管熱影響區(qū)的夏比沖擊功為140~239 J,平均值179 J;合金2鋼管熱影響區(qū)的夏比沖擊功為46~237 J,平均值174 J,均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,但合金2出現(xiàn)低值較多,離散性較大。整體上講,合金1鋼管熱影響區(qū)的沖擊韌性穩(wěn)定性要優(yōu)于合金2。

    通過(guò)分析上述試驗(yàn)結(jié)果可知,合金1較合金2具有更加優(yōu)良的低溫DWTT性能,以及更加優(yōu)良的熱影響區(qū)低溫沖擊韌性。原因主要是:合金1添加了較多的Ni,Ni在鋼中不形成碳化物,可以與Fe形成固溶體;Ni能擴(kuò)大相變時(shí)的γ相區(qū),是奧氏體形成和穩(wěn)定元素,有利于提高鋼的淬透性,降低鋼的臨界冷卻速度,促進(jìn)針狀鐵素體的形成,使大角晶界比例增加,有效晶粒尺寸減小,從而改善鋼的低溫韌性。此外,微量增加的Mo、Ti等合金元素,可以有效改善熱影響區(qū)的軟化和脆化問(wèn)題,有利于在大的焊接線能量條件下細(xì)化晶粒,提高熱影響區(qū)的低溫韌性。

    4 結(jié) 語(yǔ)

    (1)通過(guò)對(duì)X80鋼級(jí)板材進(jìn)行5種方案的焊接試驗(yàn)以及理化性能研究,優(yōu)選出適用于-45℃直縫埋弧焊鋼管焊接的焊接材料匹配方案,即采用低S、P的高堿度氟堿型燒結(jié)焊劑B搭配Mn-Mo-Ti-B系焊絲A和C組合,均可獲得低溫沖擊韌性優(yōu)良的焊縫;

    (2)采用合金1的成分體系的鋼板,其焊接鋼管具有更優(yōu)的低溫DWTT性能和熱影響區(qū)沖擊性能;適量增加Ni含量有利于提高熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性和母材DWTT性能的穩(wěn)定性。

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