X65MS酸性服役管线钢焊接性研究

胡美娟，李炎华，吉玲康，杨 放，池 强

（中国石油集团石油管工程技术研究院，西安710065）

0 前 言

为了满足全球未来石油和天然气需求，含H2S钻井的开发数量同过去相比大大增加。与此同时，酸性服役用管线钢的需求也在随之增加。由于用于提高管线钢强度的合金元素大都具有产生偏析的倾向，偏析又是引起管线钢氢致开裂的主要因素，因此用于严重酸性气体服役条件下管线钢的强度级别大都在X65及以下[1-5]。

管道工程就是一项大规模的焊接成型和长距离的焊接安装工程。良好的焊接性能是管线钢不可或缺的基本要求。酸性服役条件下用管线钢合金元素含量较小，焊接后热影响区可能存在组织粗大，局部软化和韧性损伤等问题。本研究利用Gleeble 3500热模拟试验机，根据测得不同冷却速度下材料的相变温度，建立了X65MS耐酸管的SH-CCT曲线，并对其焊接性进行分析，可为其工程中的应用提供技术支持。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

试验材料取自中信金属和宝钢联合研制生产的 准508 mm×9.53 mm X65MS耐酸 HFW 焊管，化学成分见表1，表1中列出计算所得的CEⅡW，Ceq和Pcm值。

表1 X65MS管线钢的化学成分%

由表1可知，为了减少偏析，该焊管材料合金元素含量低，材料的冷裂纹敏感指数Pcm仅仅为0.1%。

X65MS管线钢微观组织如图1所示，为多边形铁素体、少量贝氏体和珠光体的混合物，晶粒度为10.6级。材料的力学性能见表2。母材的维氏硬度值为207 HV0.5。

图1 X65MS管线钢微观组织

表2 X65MS管线钢拉伸性能

1.2 试验方法

X65MS管线钢临界相变点AC1和AC3的测量方法是：将试样以20℃/s的速度加热到400℃，然后以0.05℃/s的速率缓慢加热至1 000℃。根据加热过程中试样的膨胀量曲线确定材料的AC1和AC3。

X65MS管线钢焊后不同冷却速度下相变温度的测量方法是：将试样以100℃/s的速度加热到峰值温度1 300℃，保温1 s。从1 300℃降温到950℃的时间固定为10 s。然后分别以0.2℃/s，0.3℃/s，0.5℃/s，1℃/s，2℃/s，3℃/s，5℃/s，7℃/s，10℃/s，12℃/s，15℃/s，20℃/s，30℃/s，40℃/s和50℃/s的速度冷却到室温。根据冷却过程中试样的膨胀量曲线确定对应的相变温度和相变时间[6-8]。

将不同冷却速度的热模拟试样，在试验后沿试样轴向剖开，经研磨、抛光和腐蚀后，用MEF4M金相显微镜观察材料显微组织和维氏硬度的变化。根据测得的临界相变温度和不同冷却速度下的相变温度、相变时间以及金相组织，绘制X65MS管线钢的SH-CCT曲线。

2 试验结果和讨论分析

2.1 临界相变点

本研究采用切线法和斜率法相结合的方法，确定材料的相变温度。图2为X65MS管线钢加热过程中热膨胀量随温度的变化曲线，对膨胀量求斜率所得曲线绘于图中（红线）。由图可知，随着温度的增加，试样的膨胀量线性增加，此时材料的热膨胀量仅是其物理热效应的结果，膨胀量斜率基本保持稳定。当加热温度在828～883℃时，发生贝氏体向奥氏体的转变，试样膨胀量减小，斜率曲线发生陡降。在883～917℃时，发生珠光体向奥氏体的转变。在917～958℃区间，铁素体完成奥氏体化。当加热温度大于958℃，相变完成试样膨胀量随温度变化线性增加。对三组试样所得临界相变温度求平均值，X65MS管线钢AC1为820℃，AC3为951℃[4-5]。

图2 X65MS管线钢热膨胀量曲线

2.2 SH-CCT曲线

图3为X65MS管线钢SH-CCT曲线。由图可知，当焊接冷却速度低于2℃/s时，焊接热影响区组织为多边形铁素体和少量珠光体混合物。当冷却速度大于等于12℃/s时，焊接热影响区组织全部为粒状贝氏体。当焊接冷却速度在2～12℃/s之间时，焊接热影响区组织为粒状贝氏体、铁素体和珠光体的混合物，并且随着冷却速度的增加，铁素体含量减少，粒状贝氏体含量增加，具体见图4[9]。

图3 X65MS管线钢SH-CCT曲线

图4 不同冷却速度下X65MS管线钢热影响区的组织

2.3 显微硬度

图5为X65MS管线钢焊接热影响区显微硬度曲线。

图5 X65MS管线钢热影响区显微硬度

由图5可知，当冷却速度小于2℃/s时，随着冷却速度的增加，热影响区显微硬度线性增加。当冷却速度≥2℃/s后，微观组织中开始出现粒状贝氏体。随着冷却速度的增加，粒状贝氏体含量的增加，显微硬度逐渐减小，并在12℃/s时达到局部最小值，显微硬度为183HV0.5。此时热影响区组织全部转变为粒状贝氏体。此后随着冷却速度的增加，粒状贝氏体中马氏体-铁素体含量增加，显微硬度值逐渐上升。当冷却速度在2～5℃/s和30～50℃/s时，焊接粗晶区显微硬度值大于母材。

2.4 讨论分析

X65MS管线钢焊接冷裂纹敏感指数Pcm仅仅为0.1%，焊接热影响区组织中没有出现马氏体转变，所以产生冷裂纹的倾向较小。

实际焊管生产基本都采用双丝或多丝埋弧焊进行焊接，且一般采用多道次（内焊和外焊）焊接方法。根据现场检测和统计，当外焊在之前的内焊道上进行，金属已经处于预热状态，在这种情况下，800～500℃区间的冷却速度可能在5～7℃/s的范围变化。然而，如果金属在冷态下焊接，则该冷速则提高到10～12℃/s[10]。结合焊接粗晶区组织和显微硬度的变化结果可知，此时X65MS管线钢焊接热影响区组织主要以粒状贝氏体为主，显微硬度值低于母材，HAZ软化现象在12℃/s时达到最大。随着冷却速度的增加，贝氏体中呈粒状分布的马氏体-奥氏体组元逐渐增加，并变细、变长，进而使热影响区组织硬度增加。当焊后冷却速度大于20℃/s时，热影响区硬度值大于母材。即提高埋弧焊接时冷却速度，可以有效改善热影响区域软化现象。

3 结 论

（1）X65MS管线钢焊接粗晶区组织分为三种情况，当焊接冷却速度低于2℃/s时，焊接热影响区组织为多边形铁素体和少量珠光体混合物。当冷却速度大于等于12℃/s时，焊接热影响区组织全部为粒状贝氏体。当焊接冷却速度在2～12℃/s之间时，焊接热影响区组织为粒状贝氏体、铁素体和珠光体的混合物。

（2）X65MS管线钢制管埋弧焊时存在热影响区软化问题，提高焊后冷却速度至20℃/s可以改善热影响区软化现象。

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