X80和X90管线钢热影响区组织与韧性对比

李国鹏，韩秀林，赵 波，陈小伟，高 磊，杜国强

（1.渤海装备研究院输送装备分院，河北 青县 062658；2.中国石油渤海装备巨龙钢管公司，河北 青县062658）

随着长距离、大直径、高压输送和极地、海洋油气输送管线的建设和使用，对管线钢的要求越来越严格[1]。为了确保输送管线建设的经济性、安全性和可靠性，不仅要求管线钢本身具有优良的韧性，而且要具有优良的焊接韧性。由于焊接过程本身固有的特点，往往使得管线钢焊接热影响区的韧性比母材的韧性更难控制，这成为了输送管线的薄弱环节。最大限度地控制和提高焊接热影响区的低温韧性是管道工作者需要迫切解决的问题之一[2-4]。

目前，X80管线钢是石油天然气输送管道用主要钢材，为适应未来长输油气管线大直径、高压输送的发展需要，X90等高性能管线钢的研制和开发日益受到重视。然而，因高钢级管线钢从成分设计到组织状态相对于低钢级管线钢有较大差异，高性能管线钢在焊接过程中出现的组织恶化和力学性能下降的问题仍未得到很好的解决[5]，尤其是X90管线钢焊接热影响区的韧性更需要研究。

管线钢的焊接热影响区是个在成分、组织、晶粒度以及性能等方面均有较大差异的不均匀体[4]。大直径高钢级焊管的焊接不可避免地会产生焊接接头局部脆性区 （热影响区），造成冲击韧性下降。由于强度的提高和合金元素含量的增加，高钢级管线钢的这一问题尤为突出。

本研究采用物理模拟技术和显微分析相结合的方法，对一种X80和X90管线钢焊接热影响区的组织性能变化规律进行了研究，分析了焊接热影响区性能恶化的原因，寻找了其韧性最薄弱的区域，并对两种钢级管线钢焊接热影响区的薄弱区域进行了对比分析。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用管线钢化学成分见表1。试样沿钢板横向截取，加工成10mm×10mm×55mm的矩形试样。

表1 试验用母材的化学成分 %

1.2 试验方法

焊接热循环是在Gleeble-3500热模拟试验机上进行，主要模拟了直缝埋弧焊管四丝焊 （焊接线能量为45 kJ/cm）时，焊接热影响区不同区域组织与性能的变化情况。具体的模拟过程为：先将试样以150℃/s的速度加热到相应的峰值温度 （650～1 350℃），保温1 s后分别以不同峰值温度对应的实际冷却速度冷却至室温，如图1所示。热循环曲线参数是在现场测试得出的每一阶段的冷却时间，所以此模拟曲线数据与实际生产基本一致，从而保证了模拟的真实性。

图1 不同峰值温度下的热循环曲线

热模拟后的矩形样沿板厚方向开V形缺口，进行-10℃的低温冲击试验。采用金相显微镜对不同焊接线能量和峰值温度下的组织进行分析。

2 结果与讨论

2.1 峰值温度对管线钢热影响区韧性的影响

X80和X90管线钢焊接线能量为45 kJ/cm，经过不同峰值温度的热循环，然后对热模拟完的试样进行夏比冲击试验，试验结果如图2所示。

图2 不同峰值温度对管线钢焊接热影响区冲击韧性的影响

由图2（a）可知，X80管线钢的热影响区存在两个韧性脆化区域，750℃左右时的临界区以及1 250～1 350℃时的粗晶区，这两个区域的韧性都较差，其中临界区冲击功为50 J，而粗晶区冲击功只有20 J左右，远不能达到标准要求。由图2（b）中可以看出，X90管线钢热影响区韧性脆化区域主要是峰值温度在1 200～1 350℃时的粗晶区，尤其是更加接近融合线附近的粗晶区，冲击功只有20 J左右，远不能达到标准要求；虽然750～800℃时的临界区较亚临界区（650～730℃）和细晶区（900～1 000℃）的冲击韧性低很多，但冲击功仍大于200 J，能够满足X90管线钢焊接热影响区的标准要求。

比较X80与X90钢热影响区的亚临界区和细晶区可知，两种管线钢的亚临界区韧性相差不大。虽然细晶区同样也是韧性较好的区域，但是X90钢级管线钢细晶区的韧性要明显低于X80管线钢细晶区的韧性。

2.2 峰值温度对管线钢热影响区组织的影响

针对上述X80和X90管线钢热影响区韧性的变化情况，选择了各个典型区域对应的峰值温度条件的金相组织，如图3和图4所示。

两种管线钢热影响区性能较好的组织区域为亚临界区和细晶区，对比分析X80和X90管线钢热影响区亚临界区（图 3（a）和图 4（a）），此时温度为650℃，还未发生相变，相当于进行了一个短暂的高温回火，且由于加热作用时间短，在瞬时的回火时效过程中，铁素体基体变化不大。但是，针状铁素体中有一定量的岛状组织，经过回火后，这些岛状组织发生一定的转变，韧性也会有相应变化。X80钢的组织类型为针状铁素体，经过回火，大量M/A分解，从而韧性有所改善。而X90钢的组织以粒状贝氏体为主，经过回火后，消除了部分的硬相组织，使其韧性较高。因此，两者冲击韧性相差不大。

对比分析X80和X90管线钢热影响区细晶区（图 3（c）和图 4（c））的组织，此时组织已经发生相变重结晶，两种钢的组织都为粒状贝氏体和块状铁素体的混合组织，而且晶粒都非常细小，而X80管线钢细晶区中贝氏体含量较高，晶界处黑色的块状组织，为更细小的贝氏体。X90管线钢细晶区的块状铁素体多于X80，由于铁素体在低温下韧性较差，因此，X80细晶区的韧性好于X90钢。

两种试验管线钢热影响区性能较差的区域为临界区和粗晶区。临界区又称相变重结晶区或正火区，因只有一部分组织发生了相变重结晶过程，因而该区在冷却后由发生相变的细小组织和未发生相变粗大组织组成[6-7]。X80钢临界区（图3（b））的组织由未发生相变的粗大的块状铁素体与已经发生相变的粒状贝氏体组成，其中晶粒内部及边缘处有M/A组织存在，从而导致冲击韧性很差。而对于X90钢，亚临界区组织为粒状贝氏体与块状铁素体，且贝氏体与铁素体分层明显，在晶粒边缘处有M/A存在，但非常细小，因此韧性较好。X80和X90钢热影响区粗晶区 （图3（d）和图4（d））的组织为块状铁素体，晶粒都很粗大，且晶粒内部出现粗大粒状和板条状的M/A组织，这使得两种管线钢粗晶区的韧性都很差，而且相差不大，都在20 J左右。

图3 X80管线钢热影响区各区域微观组织

图4 X90管线钢热影响区各区域微观组织

3 合金成分对性能的影响

为了更好地分析X80和X90管线钢热影响区的性能，对比了两种母材的合金成分发现，X90管线钢母材主要合金成分中Mo，Ni，Cr，Nb都要高于X80钢。

（1）含Mo钢中，Mo强烈阻碍先共析铁素体的析出和长大过程，促进高密度位错亚结构的针状铁素体的形成[8]；Mo不但抑制先共析铁素体的形成，延长铁素体形核的孕育期，而且降低铁素体晶粒的长大速率，当钢中添加0.10%的Mo时，奥氏体转变后形成的铁素体晶粒比不含Mo的钢更细小。钢中Mo的质量分数增至0.20%时，针状铁素体量明显增多，组织以针状铁素体为主。钢中Mo质量分数达到0.30%时，可见明显的贝氏体束和M/A组织。当Mo质量分数增至0.4%时，因0.4%的Mo能显著降低Ms点，故使得钢中残余奥氏体的数量增加，M/A组织数量增多[9-10]。因此，此种X80管线钢中加入0.168%的Mo，可充分抑制先共析铁素体析出，促进针状铁素体的形成，韧性较好。在X90管线钢中，由于Mo质量分数为0.299%，此时组织中可见明显的贝氏体束和M/A组织，从而使强度增加，但是造成韧性降低。

（2）在保证X90管线钢强度增加的同时，还要保证高的韧性，因此需要增加Ni的含量，Ni是唯一一种只对韧性起正面影响的合金成分，由于临界区只有部分组织发生了相变，且本身此种X90钢合金成分要多于X80钢，韧性也要好于X80，因此X90管线钢临界区的性能要好。

（3）在此基础上，又增加了Cr和Nb。Cr的增加显著推迟了NbC的析出时间，延迟析出主要是因为Cr可以明显增大NbC的固溶度，从而减少NbC的析出驱动力，推迟NbC的析出时间而延迟再结晶的发生；Nb同样也起到延迟奥氏体再结晶的作用，X90细晶区中再结晶的组织相对较少，晶粒相对而言粗大，韧性相对较差。

因此，通过这几种合金成分的增加，使X90管线钢热影响区各区的韧性较X80钢级相差不大，甚至个别区域要好于X80钢级，而细晶区的韧性比X80钢级要差。

4 结 论

（1）两种管线钢都是在亚临界区、细晶区韧性较好，在临界区、粗晶区韧性较差。

（2）由于合金成分的增加，保证了X90管线钢热影响区的高韧性，使X90管线钢热影响区的亚临界区、粗晶区与X80钢相对应的各区韧性相差不大，且由于临界区为部分相变区，其韧性要好于X80钢。

（3）两种试验用钢的不同点在于X90管线钢热影响区细晶区韧性较差。这主要是因X90钢细晶区中，低温韧性较差的块状铁素体要多于X80。

［1］徐学利，辛希贤，智彦利，等.X80管线钢及其接头的低温韧性和显微组织［J］.焊接技术,2005（03）：11-13.

［2］李鹤林.天然气输送钢管研究与应用中的几个热点问题［J］.中国机械工程,2001（03）：1-5.

［3］李鹤林，郭生武，冯耀荣,等.高强度微合金管线钢显微组织分析与鉴别图谱［M］.北京：石油工业出版社，2001.

［4］辛希贤.管线钢的焊接［M］.西安：陕西科学技术出版社，1997.

［5］张敏，姚成武，聂斌英.X80管线钢埋弧焊接头性能分析［J］.焊接学报，2005（09）：19-22.

［6］冯耀荣，高惠临，霍春勇，等.管线钢显微组织的分析与鉴别［M］.西安：陕西科学技术出版社，2008.

［7］闫凯娟.高钢级管线钢焊接热影响区组织性能的研究［D］.西安：西安石油大学，2012.

［8］CLIMAX MOLYBDENVM COMPANY.Molybdenumcontaining Steel for Gas and Oil Industy Applications[M].London:[s.n.],1977.

［9］孔君华，郑琳，郭斌，等.Mo对低碳微合金钢组织和性能的影响［J］.轧钢，2005，22（04）：27-29.

［10］孔君华，吴力新，谢长生.热轧工艺对低碳微合金钢组织与性能的影响［J］.热加工工艺，2004（11）：43-45.