焊条中Al元素对X80钢焊接接头组织和性能的影响

黄本生，陈　鹏，卢　杰

(1. 西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 成都 610500;2. 西南石油大学 材料科学与工程学院， 成都 610500)



焊条中Al元素对X80钢焊接接头组织和性能的影响

黄本生1,2，陈鹏2，卢杰2

(1. 西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 成都 610500;2. 西南石油大学 材料科学与工程学院， 成都 610500)

采用自制的手工电弧焊焊条焊接X80管线钢，利用能谱仪和光学显微镜对X80钢焊缝进行化学成分分析和金相观察；进行硬度、拉伸和冲击实验分析焊接接头的力学性能；在含硫环境下，开展电化学实验和浸泡实验研究焊缝中Al含量对X80钢焊缝抗硫化物腐蚀性能的影响。结果表明，当药皮中Al含量在8%范围内时，随Al含量的增加，焊缝含Al量升高，焊接接头硬度和抗拉强度增大，焊缝冲击韧性和抗硫化物腐蚀性能先升高后降低，腐蚀产物膜形态存在明显的变化。

X80钢；Al元素；焊接接头；抗硫化物腐蚀

0　引　言

X80钢是目前国内外广泛使用的油气管线用钢，在我国“西气东输”工程中已经得到成功的应用[1-2]。但其腐蚀失效事故频繁发生，导致严重的经济损失，在高含硫油气田中腐蚀事故更为严重[3-4]。由于腐蚀失效主要发生在焊接接头上，所以研究X80管线钢焊接接头的组织和性能具有显著的现实意义[5-8]。目前，国内外学者针对X80管线钢焊接接头组织和性能做了大量研究，但主要集中在管材研究和焊接工艺的选择方面，对于抗硫焊材的报道相对较少，并且国内已有的关于X80钢配套焊材的研究主要是针对埋弧焊焊丝的研制，对于手工电弧焊焊条的研究还比较有限[9-12]。陈耕耘等[13]研究了X80管线钢配套焊条CHE657GX，表明CHE657GX焊条基本满足“西气东输”工程管道焊接对力学性能的要求，但仍缺乏针对在含硫环境下管线钢焊接焊条的深入研究，且也未涉及有关元素Al的探讨。Stafford等[14]根据元素Al对铁合金硫化影响的研究表明，Al能有效提高合金的抗硫化性，随着Al元素含量的增加，合金发生硫化腐蚀速率降低。Al元素可以在合金表层形成具有较高电化学稳定性和更低腐蚀速率的Al2O3钝化膜，阻滞阳极过程的进行，进而提高焊缝的化学稳定性，增强X80钢焊接接头的抗腐蚀性能；在焊接过程中Al与焊缝金属作用生成Al的夹杂物，进而影响焊缝的抗硫腐蚀性能[15-18]。因此，研制X80管线钢用含Al焊条，探究焊接接头的组织及性能具有重要的实际意义。

本文通过控制元素Al的含量设计焊条配方，配合H10Mn2焊丝研制手工焊焊条并用于焊接X80钢，在探究接头显微组织和力学性能的基础上，进一步研究其抗硫化物腐蚀性能，旨在探索适合含硫环境下焊接的X80管线钢用焊条。

1　实验方法

1.1实验材料

实验采用国内某钢厂生产的X80管线钢，规格为Ø1 016 mm×18 mm，其化学成分如表1所示。

1.2焊条设计

1.2.1焊芯

实验焊芯选用H10Mn2焊丝，其直径为4.0mm，长380mm。焊芯的化学成分如表2所示。

1.2.2药皮配方

研制了Al含量分别为0%，2%，4%，6%和8%的5种药皮，并分别编号为1，2，3，4和5#。药皮配方如表3所示。

表1　X80钢化学成分(质量分数，%)

表2　H10Mn2焊丝化学成分(质量分数，%)

表3　药皮成分(质量分数，%)

1.2.3焊条成型

按照既定方案配制药皮并完成焊条制作过程，保证焊条直径在6.5 mm范围内，焊芯预留出不少于20 mm的夹持端；制作完成后在干燥的环境中晾晒24 h，然后依次在60和200 ℃的烘箱中进行烘干，各8 h；优选出药皮表面无裂纹、无剥落的焊条进行磨头最终完成焊条的制作。

1.3焊接实验

X80管线钢焊接采用焊条电弧焊(SMAW)，选用E9010焊条进行打底焊，自制焊条完成填充和盖面，采用带钝边V型45°坡口，焊接工艺如表4所示。

1.4测试手段

1.4.1焊缝成分分析和金相观察

利用INCA Energy 350能谱仪对焊缝金属进行化学成分分析，采用XTL-500金相显微镜观察X80钢焊缝的显微组织，金相腐蚀液为4%的硝酸酒精。

1.4.2力学性能测试

参照《GB/T 2654-2008焊接接头硬度实验方法》在HV-1000数字式显微硬度计上测试焊接接头的硬度变化，焊缝形貌及硬度测试分布点如图1所示；参照《GB/T 228-2002金属材料室温拉伸实验方法》在WDW-1000型微机控制电子万能实验机上进行拉伸实验；参照《GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤冲击实验方法》在ZBC2302-D型摆锤冲击实验机上进行冲击实验。拉伸和冲击实验根据研制的焊条设计5组实验，每组3个试样，最后求测试结果的平均值。

表4　焊接工艺

图1　焊缝形貌及硬度测定分布点

1.4.3耐蚀性测试

电化学实验在PGSTAT 302N电化学工作站上进行，腐蚀液为8%的硫化钠溶液，得到极化曲线，分析X80钢焊缝的腐蚀电位变化。常温常压下，利用失重法测试X80钢焊缝的腐蚀速率，腐蚀环境为TM0177-2005标准中的A溶液通以饱和硫化氢气体，实验周期为96 h，利用TESCAN VEGA Ⅱ XMH扫描电子显微镜(SEM)观察腐蚀产物表面的形貌。

2　结果与分析

2.1焊缝金属化学成分

合金元素的过渡情况如图2所示。由图2可知，随着药皮中Al含量的增加，焊缝中的Al也相应提高；当药皮中Al含量为0时，焊缝中Al含量为0；当药皮中Al含量为8%时，焊缝中Al含量达到了0.83%，这表明焊条中的Al能够实现较好的过渡。Al具有脱氧、脱硫、固氮的作用，可以形成保护性较好的熔渣，有效地稳定电弧、减小飞溅、保护焊缝金属，有利于合金元素Mn、Si等的过渡，保障焊缝较高的力学性能，避免由氧引起的热脆、冷脆和失效脆化等问题。

2.2显微组织

焊缝金相组织如图3所示。由图3可知，X80钢焊缝组织主要为铁素体+贝氏体。随焊缝中Al元素含量增加，焊缝中铁素体尺寸先减小后增大；3#焊缝晶粒最为细小，分布更为均匀；2和4#焊缝组织较为粗大，1和5#焊缝分布不均匀，含夹杂物较多。晶粒越细小，晶界总长越大，能降低裂纹的有害影响，改善焊缝金属的冲击韧性。一定含量Al的夹杂物质点可作为非自发结晶核心细化组织，但由于Al是强铁素体形成元素，能扩大铁素体相区，促使在高温下形成的先共析铁素体不经过奥氏体变化直接得到室温下粗大的铁素体组织，因此Al含量过高，夹杂物增加，焊缝组织反而粗大，分布不均匀，导致熔敷金属力学性能的下降。由此可知，用Al元素含量为4%的3#焊条焊接，可得到良好的焊缝组织。

图2　X80钢焊缝的EDS结果

图3　X80钢焊缝金相

2.3力学性能

2.3.1硬度测试

焊接接头硬度变化如图4。由图4可知，焊缝和热影响区的最大硬度值分别为260.59和261.63 HV，均满足小于275 HV的要求，因此焊缝硬度检验合格。对比5组焊缝的硬度值发现，焊缝金属的硬度值随Al含量的增加而增大，这是由于药皮中的Al保障了Mn、Si等合金元素的过渡，使焊缝合金化程度更高，而Mn、Si等元素可以增强焊缝基体的硬度，同时更多Al存在使焊缝夹杂物增加，弥散的夹杂物同样可以强化基体，提高焊缝的硬度值。

图4　焊接接头的硬度变化

2.3.2抗拉强度

焊接接头的拉伸实验结果如图5所示。由图5可知，实验自制焊条所得焊接接头具有较高的抗拉强度；随着焊条药皮中Al含量增加，焊接接头的抗拉强度逐渐增大。Al与氧、氮反应生成的氧化物和氮化物部分未能上浮到熔渣中而残留下来形成夹杂，并且这些夹杂物弥散分布在焊缝金属中，夹杂物对位错具有钉扎作用，阻碍位错的运动，夹杂物越多钉扎作用越强，对位错运动的阻碍越大，因此焊缝金属抗拉强度越大。所以随着药皮中Al含量的增加，焊缝金属中夹杂物越多，焊缝的抗拉强度越大。另外，Mn等合金元素的增加能增强铁素体基体的强度，进而提高焊接接头的抗拉强度。

图5　X80钢焊接接头拉伸实验数据

2.3.3冲击韧性

5组焊缝的冲击韧性测试结果如图6所示。

图6　X80钢焊缝冲击韧性实验结果

Fig 6 Impact toughness test results of X80 pipeline steel welded seam

由图6可知，含Al焊条与不含Al焊条相比，含Al焊条焊接焊缝的冲击韧性变化较为明显，但是随着焊条药皮中Al含量的增加，焊缝冲击韧性呈先上升后降低；当药皮Al含量小于4%时，焊缝主要为细小的针状铁素体，晶界总长度更长，组织更均匀，冲击韧性更大。当药皮Al含量为8%时，焊缝中夹杂物增多，焊缝中弥散的氮化物和氧化物与焊缝金属的变形能力不同，在夹杂物与焊缝金属接触的表面产生应力集中，促使裂纹的产生，且这类夹杂物属于脆性夹杂，变形时易产生裂纹，因此导致冲击韧性的下降。另一方面，由于Al元素的增加缩小了奥氏体的形成相区，进而形成更多粗大的先共析铁素体，这也是导致冲击韧性下降的重要原因。因此X80钢焊缝的冲击韧性随着药皮中Al元素含量的增加，先增大后减小。

图7　极化曲线测试结果

2.4腐蚀实验

2.4.1电化学腐蚀

焊缝极化曲线如图7所示。由图可知，用3和4#焊接时相比较1，2和5#焊条，其焊缝的腐蚀电流密度更小、自腐蚀电位最高，因此腐蚀倾向更小、腐蚀速率更低，表明焊缝的耐蚀性更好。X80管线钢属于低碳微合金钢，合金元素含量总体偏低，合金元素直接作用于性能的可能性相对比较小，因此，通过改变显微组织来影响焊缝性能的解释更为合理。

本实验用X80钢的焊缝组织主要为铁素体+贝氏体，而随Al含量增加，焊缝夹杂物增多，夹杂物作为针状铁素体的形核核心促进铁素体的形成，因此针状铁素体可看做由夹杂物、包围在夹杂物周围的铁素体和外围的富碳层组成，针状铁素体的晶界相对其它组织具有更高的电极电位，在局部电化学腐蚀中以阴极形式存在，所以针状铁素体的富碳层难以被腐蚀，降低了自身腐蚀速率，且此时焊缝组织更加均匀、大量存在的针状铁素体使基体具有更好的抗腐蚀性能；但当药皮Al含量为8%时，焊缝中开始出现粗大的铁素体组织，这部分铁素体是由先共析铁素体直接形成，其晶界上的杂质较多、化学成分的不均匀，提高了焊缝金属的晶间腐蚀速率，因此焊缝的耐蚀性下降。所以，随着焊缝中Al含量的增加，焊缝的抗腐蚀性能呈先增大后降低的趋势。

2.4.2硫化氢腐蚀实验

焊缝的浸泡实验结果如图8所示，腐蚀产物形貌如图9所示。由图可知，在一定范围内，随焊缝中Al元素含量的升高，焊接接头腐蚀速率先减小后增大。由图9可知，1#焊缝表面存在较多的腐蚀产物，并且存在腐蚀产物脱落的现象。2和3#焊缝表面产物膜整体较为平坦，腐蚀膜结构致密、完整，存在极少数的晶须，具有较好的保护作用；4#焊缝表面的腐蚀产物膜发生了龟裂和腐蚀产物脱落；5#焊缝腐蚀产物膜呈溃烂状，存在大量的腐蚀晶须，部分区域存在严重的腐蚀孔洞，因此抗腐蚀性能显著降低。

在饱和硫化氢环境下，焊缝金属与H2S作用生成FeS，FeS为致密的薄膜可阻止铁离子的通过，一定程度上降低了腐蚀速率。当用Al含量为4%的焊条进行焊接时，焊缝中夹杂物增多，但夹杂物作为针状铁素体的形核核心促进晶粒细化、组织均匀，因此焊缝腐蚀产物膜更加致密、平整，抗硫腐蚀性能更好。当用Al含量为8%的焊条进行焊接时，焊缝中夹杂物迅速增多，并且弥散的分布在焊缝中，而弥散分布的夹杂物特别是铝氧化物、硅的夹杂物等化合物通常是裂纹的起源点，促进裂纹的产生而破坏原本致密的保护膜，产生龟裂，使硫能直接接触内层金属进一步腐蚀基体，显著增大腐蚀速率，故产物膜呈现溃烂和孔洞。因此，随Al元素含量的加入过多，焊缝的抗硫腐蚀性能反而下降。

图8　X80钢焊缝浸泡实验测试结果

3　结　论

(1)利用自制的焊条进行焊接，得到了焊缝组织良好和力学性能优异的焊接接头，当药皮中Al含量低于8%时，随Al含量的递增，X80钢焊接接头硬度和抗拉强度均提高；焊缝的冲击韧性先增大后减小，其中用3#(4%Al)焊条焊接时，焊缝组织最细小、分别最均匀，力学性能更好。

(2)在含硫环境下，随焊缝中Al元素含量的增加，焊缝的抗腐蚀性能呈先增大后减小的趋势。电化学实验中用药皮Al含量为4%的焊条焊接，焊缝腐蚀倾向最小；而浸泡实验证明用药皮中Al含量为2%的焊条焊接，焊缝测得的腐蚀速率最低，因此药皮Al含量在2%～4%的范围内，可能存在一个能提高焊缝抗硫腐蚀性能的最优值。

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文章编号：1001-9731(2016)08-08120-04

Effect of the element of Al in electrode on microstructure and mechanical properties of X80 pipeline steel welding joints

HUANG Bensheng1,2, CHEN Peng2,LU Jie2

(1. State Key Lab of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2. School of Materials Science and Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500,China)

In this study, an independent development electrode was developed to weld X80 pipeline steel. Moreover, the chemical composition and microstructure of welded seam was analyzed by Energy Dispersive Spectrometer (EDS) and Optical Microscope (OM). Hardness test, tensile test and impact test were also chosen to check the mechanical properties of welded joints. Electrochemical experiment test and immersion test were investigated to research the effect of the content of Al on resistance sulfur corrosion of the X80 pipeline steel welded seam, within the sulfur-bearing environment. The results show that, as addition of the content of Al in coating less than 8%, the content of Al in welded seam is improved and the hardness and the tensile strength are also increased, but the impact toughness and the resistance sulfur corrosion are enhanced first and then reduced, besides, the corrosion product film morphology changes obviously.

X80 pipeline steel; Al; welded joint; resistance sulfur corrosion

1001-9731(2016)08-08114-06

石油天然气装备教育部重点实验室开放基金资助项目(OGE201402-02)；四川省教育厅重点资助项目(15ZA0057)；四川省科技创新苗子工程资助项目(20131014)

2015-05-20

2015-09-16 通讯作者：黄本生，E-mail: hbslxp@163.com.

黄本生(1969-)，男，安徽省巢湖人，教授，博士，主要从事资源综合利用、材料表面工程研究。

TG406

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.019