组织特征对高强管线钢焊缝及热影响区韧性的影响*

袁雪婷， 李 丽， 杨 军，牛 辉， 刘海璋，郭 丹

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008；3.中国石油集团川庆钻探工程有限公司 安全环保质量监督检测研究院，四川 广汉618300）

组织特征对高强管线钢焊缝及热影响区韧性的影响*

袁雪婷1,2， 李 丽3， 杨 军1,2，牛 辉1,2， 刘海璋1,2，郭 丹2

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008；3.中国石油集团川庆钻探工程有限公司 安全环保质量监督检测研究院，四川 广汉618300）

为了研究组织特征对高强管线钢管焊缝及热影响区韧性的影响，降低管线建设成本，保证服役管道的安全性和可靠性，以X80管线钢为例，分析了奥氏体晶粒尺寸、第二项粒子、HAZ粗晶区第二相组织等对管线钢管焊缝及HAZ韧性的影响。分析结果表明，适当控制t8/5和tH，保证第二相粒子的数量、均匀分布及HAZ粗晶区贝氏体的均匀化和精细化，避免岛链状大尺寸尖角型M-A组元的产生是提高焊缝及热影响区韧性的有效方法。另外，在焊材的设计和制备上做好多元合金和微合金含量的精细配比和冶炼，防止合金元素偏聚，形成大尺寸夹杂和异类相影响焊缝塑韧性。

高强管线钢；韧性；焊接接头；第二相粒子

2008年我国开工建设的西气东输二线输气管线工程是世界上距离最长、直径最大、使用X80管线钢量最多、技术含量较高的天然气管线，主干线长4 918 km，全部采用X80管线钢管，钢管直径1 219 mm。与此同时，X90管线钢在我国西气东输三线的试验段应用也被提上日程，X100、X120管线钢也在试验开发中。随着石油天然气需求的不断增长，远距离高压油气输送管道的建设必向着高强度、高韧性、大壁厚、大直径以及大输量方向发展[1-5]。提高钢级、减小壁厚能有效节约管道建设成本，每提高一个钢级可节约成本约7%[6-7]。高压、远距离、大输量管线工程的建设，对管线用钢在强度、韧性、塑性等性能指标方面有更高要求，要求服役管道不但具有高的强度和优良塑性，而且具有可靠的低温冲击韧性，在冻融、地震、泥石流等自然灾害多发地带服役的管线钢还要求具有良好的抗大变形能力[8-10]。

我国西气东输二线工程采用的X80管线钢，是在C-Mn系列低碳钢中加入微量Nb、V、Ti，并利用控扎控冷技术，通过碳（氮）化合物析出强化来提高材料强度[11]，具有良好冲击韧性和焊接性。然而，随着高强管线钢管的不断推广应用，服役管线的安全性和性能的可靠性将是关注的重点。对于高压超长大输量高强管线工程而言，焊缝处性能较其他位置更受到关注。从众多研究报道[12-16]看，在无焊接缺陷影响下钢管焊缝强度一般会高于管体母材强度，但冲击功值却远小于管体其他位置，即焊缝处韧性要弱于管体母材。在相同试验条件下，热影响区冲击功值同样也小于管体母材，即热影响区韧性亦弱于管体母材。因此，本研究分析了管线钢组织特征对高强管线钢焊缝及热影响区韧性的影响，以期为高强管线钢管的生产、工程建设、服役安全及可靠性研究提供参考。

1 微观组织特征对焊缝及HAZ韧性的影响

1.1 奥氏体晶粒尺寸对韧性的影响

与母材相比，焊接热影响区粗晶区主要组织类型为针状铁素体、粒状贝氏体和板条贝氏体或以上几种组织的复相组合[17-19]。决定焊接热影响区粗晶区韧性的因素主要有贝氏体、铁素体的片条大小及M-A组元的形态、尺寸和分布，但粗晶区晶粒尺寸粗大，是造成热影响区韧性下降的主要原因。奥氏体晶粒尺寸随t8/5（温度从800℃降到500℃所需的时间）和tH（峰值温度持续的时间）变化规律如图1所示[20]。随着t8/5和tH的增大，晶粒尺寸均显著增大。在焊接连续加热与冷却过程中，晶粒长大具有热惯性，即在加热过程中最为激烈，但在冷却过程中还有继续长大的趋势。

图1 奥氏体晶粒尺寸与t8/5和tH的关系曲线

研究表明[21-22]，晶粒大小与韧性有明确关系，韧脆转变温度随晶粒粗化而上升。式（1）给出了韧脆转变温度tc和平均晶粒尺寸的关系[23]。

式中，β、B、C为常数。

晶界对裂纹扩展起阻碍作用，晶粒的粗化造成了晶界面积的减少，晶粒之间的作用力减弱，对裂纹的阻力降低，直观表现为韧性下降。另外，晶粒越细小，晶粒内部空位数目和位错数目均减少，组织均匀性提高，从而推迟了微孔和微裂纹的萌发。当晶粒尺寸小于0.1 μm时，材料具有较高韧性[23]。X80管线钢奥氏体晶粒尺寸与冲击韧度的关系如图2所示[20]。

图2 X80管线钢奥氏体晶粒尺寸与冲击韧度的关系

对于焊缝焊接粗晶区，由于焊接时经受了峰值温度的热循环作用，奥氏体晶粒长大迅速。大线能量焊接时，奥氏体晶粒粗化更严重，不可避免的导致二次转变组织的粗化，使韧性下降。为了限制HAZ粗晶区晶粒粗化，应严格限制峰值温度持续时间tH。对tH的控制主要是靠控制线能量，因此为了防止晶粒粗化，应采用小线能量和适当预热温度配合，获得理想热循环。

1.2 第二相粒子的影响

微合金高强钢是通过在C-Mn系列低碳钢中加入微量Nb、V、Ti，并利用控扎控冷技术，通过微合金元素的碳（氮）化合物析出强化提高材料强度、韧性和焊接性。第二相粒子（主要是析出强化相）的尺寸、数量、形态和分布以及在焊接热循环中的溶解、再析出和长大等行为对钢及焊缝的冲击韧性有显著影响。

1.2.1 第二相粒子的溶解和析出行为

第二相粒子在HAZ中的溶解和析出行为与“溶度积”相联系。 式（2）给出了“溶度积”的表达式[20]。

式中： M—金属元素（Nb、 V、 Ti）；

I—间隙元素（C、N）；

A、B—试验确定的常数；

m、n—化合价；

T—温度。

根据（2）式，已知A、B可求各温度下平衡溶度积，或求出某一组成时固溶温度。表1为Nb、V、Ti的碳、氮化物的固溶温度。由表1可见，TiN溶解温度高，在焊接过程中最不易分解；VC不稳定，在加热早期即发生分解。另外，由于Ti（CN）、 V（CN）和 Nb（CN）可互溶，当钢中同时添加多种碳氮化物形成元素时，将形成复合化合物，其溶解度与该复合化合物组成有关。

表1 Nb、V、Ti碳氮化合物的固溶温度

1.2.2 HAZ粗晶区第二相粒子的溶解、析出和长大

高强管线钢HAZ粗晶区韧性的提高主要靠细小弥散的第二相粒子对晶界和奥氏体晶粒的钉扎和阻碍作用。经焊接热循环后，由于大部分碳氮化物的高温稳定性差，将发生大量溶解并重新固溶于奥氏体中，在随后冷却过程中，由于冷却速度较快，第二相粒子仅部分发生沉淀析出，而未析出的主要以固溶状态存在于粗晶区中。因此，焊接热循环过程粗晶区单位面积内的粒子数量均不同程度减少，特别是形状不规则的粒子数量大大减少。图3为高温停留时间tH对HAZ第二相粒子溶解、再析出和聚集长大规律的影响[20]。 图 3（a）、 3（b）和 3（c）给出了在焊缝HAZ峰值温度和加热速度相同且tH=0 s、tH=4.5 s和tH=7.4 s条件下粗晶区第二相粒子的溶解和再析出情况。高温停留时间tH对第二相粒子的长大有显著影响。图4给出了第二相粒子平均直径随tH延长的变化曲线[20]。

图3 高温停留时间tH对HAZ第二相粒子溶解、再析出和聚集长大规律的影响

图4 第二相粒子尺寸随高温停留时间tH的变化关系

对于在加热过程中未溶解的第二相粒子，随t8/5的增加粒子尺寸逐渐增大，分布不均匀性增加，出现聚集长大现象。图3（d）给出了在峰值温度和加热速度相同且tH=7.4 s、t8/5=24.1 s的条件下粗晶区第二相粒子的聚集长大形貌。第二相粒子数量的减少和分布的不均匀将减弱对晶界的钉扎作用，使晶粒显著粗化，造成韧性下降[24]。

1.3 HAZ粗晶区二次组织的影响

少量铁素体、粒状贝氏体和板条状贝氏体或几种组织的复相组合是高强管线钢焊接热影响区粗晶区的组织类型，其与焊缝和母材组织有根本性区别和不同[17-19]。

X80及以上钢级管线钢焊接粗晶区中，贝氏体组织占了较大比例，其组织形态和分布，对韧性的影响尤为显著。在小线能量和适当预热温度条件下，焊接粗晶区晶粒较细，其组织为大量板条状贝氏体和少量粒状贝氏体。板条状贝氏体长度、宽度均较小，方向性差，而粒状贝氏体的形成起到了分割板条状贝氏体的作用，使具有相同取向的贝氏体板条变细变短。板条的边界可以起到类似于晶界的作用，当裂纹扩展到板条边界时将发生弯折，从而在低温断裂过程中能有效阻碍裂纹扩展。

当采用大线能量时，由于冷却速度减慢造成了奥氏体晶粒严重长大，转变后的组织中板条状的贝氏体含量显著增多，少量粒状贝氏体对板条状贝氏体的分割作用有限，板条尺寸粗大，方向性强，与小线能量相比，韧性显著下降。预热温度高，因此高温持续时间长，冷却速度慢，奥氏体晶粒粗大，板条状贝氏体尺寸更粗大，少量粒状贝氏体对板条几乎不存在分割作用，韧性较差。

X80及以上钢级管线钢粗晶区韧性与组织构成、形态和分布有着紧密联系[20,25]。当粗晶区粒状贝氏体含量较高时，板条状贝氏体细小，方向性差且粒状贝氏体对板条状贝氏体的分割作用显著，有效增大板条束边界（可起晶界作用）的数量，可提高焊缝冲击韧度；若粒状贝氏体含量降低，分割作用将减弱，韧性下降；板条束贝氏体变得粗大，方向性强，以及多边形铁素体含量的增大，都弱化了高强管线钢粗晶区的冲击韧度，并导致其冲击韧性的不稳定。

1.4 M-A组元的影响

图5 X90管线钢管焊缝热影响区TEM微观组织特征

图5给出了X90高强管线钢管焊缝热影响区粗晶区、细晶区和混晶区的微观组织特征及M-A组元形态、分布及尺寸。M-A组元是由富碳奥氏体在较低温度下发生不完全马氏体相变形成，相对于周围的铁素体基体来说属于硬质相，塑变能力较弱，与周围铁素体基体间的适配性和协调性欠佳，在内应力作用下容易在板条状MA组元的两端部和尖角M-A组元的尖角处引起应力集中，最终在相界处萌生微裂纹或微孔洞。相关研究表明[26-27]，焊接热影响区M-A组元的形态、数量、尺寸和分布对性能有很大影响，是引起焊接热影响区韧性降低的重要原因。

研究表明[28]，M-A组元中的高硬度马氏体，在变形过程易产生应力集中，与相变过程产生的残余应力交叠影响，导致了脆性裂纹的萌生和扩展。脆性裂纹形核中心的产生主要由M-A组元与基体的分离及其内部自断裂引起，且长条状M-A组元相比于块状更易与基体分离，而块状M-A组元则更易发生断裂，尤其是大尺寸块状M-A组元。

2 夹杂物的影响

图6 X90级管线钢管焊缝内夹杂物形貌特征、形核特征、成分分析及分布情况

焊接是母材金属与焊材金属熔化再凝固的过程。焊接过程，对熔敷金属采用了诸如惰性气体、焊剂熔渣等保护措施，但对各种夹杂物的形成抑制作用有限。焊丝的多元合金化和微合金化设计保证了焊缝金属中能形成一定量的夹杂物作为针状铁素体的形核中心[29]，X90管线钢管焊缝夹杂物形貌特征、形核特征、成分分析及分布情况如图6所示[30]。图6（a）为焊缝冲击试样断口面纤维区形貌，图中在韧窝底部存在球状夹杂；图6（b）中夹杂物尺寸约 1.0 μm，周围针状铁素体以其为核心呈放射状生长。当球形夹杂物尺寸在0.4～1.0 μm且数量少到彼此间距超过10 μm时对针状铁素体的形核最为有利且不会对材料宏观性能造成影响[31]。但大尺寸夹杂物则是微孔、微裂纹形成及聚集长大最有利位置，极易萌生裂纹，引发断裂，使得焊缝韧性降低。图6（c）为焊缝冲击试样断口面放射区形貌，夹杂呈不规则形态，大小尺寸约 20 μm×15 μm，经图 6（d）EDS 分析，其主要为Al2O3、 MgO、 Ti2O3、 MnO、 SiO2等氧化物组成，分析结果见表2；图6（e）是焊缝冲击试样近断口区夹杂物分布情况，在大小为75 μm×75 μm的视域内，存在约50个可辨夹杂，夹杂形状不规格，多呈圆形，分布不均，直径为0.4～2.0 μm，如图6中箭头所示。焊丝多元合金化和微合金化设计保证了焊缝金属中存在一定量的微细夹杂物，但同时大尺寸、密集分布的夹杂物增大了对韧性的损伤，使材料中裂纹形成的机率增多，对材料韧性有极大损伤，且密集分布的大尺寸夹杂物更易加快微裂纹连接和发展，最终造成焊缝断裂[16]。

表2 X90管线钢管焊缝内夹杂物EDS分析结果

3 结束语

管道的安全性是油气管道输送的重点。管线设计和安全评定主要使用平面应变冲击韧性、平面应变断裂韧性作为材料破坏的指标。韧性是管线钢重要的性能之一，也是管道设计必须考虑的重要因素。

高强管线钢管焊缝及热影响区韧性影响因素众多，对于提高焊缝熔敷金属区和热影响区韧性的有效方法便是正确制定焊接工艺，合理控制t8/5和tH，保证第二相粒子的数量和均匀分布及HAZ粗晶区贝氏体的均匀化和精细化，避免岛链状大尺寸尖角型M-A组元的产生。另外，在焊材的设计和制备上做好多元合金和微合金含量的精细配比和冶炼，防止合金元素偏聚，形成大尺寸夹杂和异类相影响焊缝塑韧性。

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Influence of Microstructure Characteristics on the Toughness of High Strength Pipeline Steel Weld and Heat Affected Zone

YUAN Xueting1,2，LI Li3，YANG Jun1,2，NIU Hui1,2，LIU Haizhang1,2，GUO Dan2
（1.National Engineering Technology Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China；3.Safety,Environment,Quality Supervision and Testing Research Institute,CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd.,Guanghan 618300,Sichuan,China）

In order to research the influence of microstructure characteristics on the toughness of high strength line pipe weld and heat affected zone(HAZ),reduce costs of pipeline construction and ensure safety and reliability of service,a case study of X80 pipeline steel,the influence of austenite grain size,second phase particles,second phase structure of HAZ coarse grain zone on the toughness of weld and HAZ were analyzed.The analysis results showed that the effective ways to improve the toughness on welded and HAZ of high strength pipeline steel pipe were to control t8/5and tHproperly for guarantees the number and uniform distribution of the second phase particles and the uniformity and refinement of bainite in HAZ coarse grain area,and avoid the formation of the large-size angle-shaped M-A element of island chain.In addition,in the design and preparation of welding materials,achieve the subtle proportion and smelting of the content of the multi-alloy and micro-alloy to prevent forming inclusions and heterogeneous phases which influenced plasticity and toughness in the weld caused by the segregation of alloy elements.

high strength pipeline steel;toughness;welded joints;second phase particles

TG142.1

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.11.005

国家科技支撑计划项目“超高强度油气输送管材关键技术研究”（项目编号2011BAE35B01）。

袁雪婷（1988—），女，助理工程师，硕士，研究方向为油气管材开发及焊接技术。

2017-06-13

编辑：罗 刚