X80管线钢焊接冷裂纹敏感性研究

严春妍 ，李 琛 ，元 媛 ，吴立超 ，尹长华

（1.河海大学机电工程学院，江苏常州213022；2.中国石油天然气管道科学研究院，河北廊坊 065000）

0 前言

石油和天然气占全球一次能源的57%，我国陆上70%石油和99%天然气依靠管道输送，油气管道是国民经济的生命线。随着国家能源规划的推进，“十一五”以来建设了于西北中亚、东北俄罗斯、西南缅甸相连的三大路上油气输送通道，管道输送效率的提高成为人们关注的重点[1]。目前，高压、大口径输送油气成为发展的必然趋势，国内外天然气管道正在向管径1 219 mm、压力12 MPa以上发展，而正式应用的最高钢级是X80管线钢[1-3]。但由于X80管线钢强度级别较高，存在一定的冷裂纹敏感性[4-5]，因此有必要对其焊接冷裂敏感性进行研究。

采用斜Y形坡口裂纹试验和焊接热影响区（heat affected zone，HAZ）最高硬度试验，结合数值模拟技术，研究预热温度对X80管线钢冷裂纹敏感性的影响，为选择合适的预热温度、优化焊接工艺参数、保证管道的安全运行提供数据支持。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验采用X80管线钢，板厚10 mm，其化学成分和力学性能分别如表1、表2所示。最高硬度试验和斜Y形坡口焊接裂纹试验所用焊条为直径φ4 mm的BOHLER E9010G管道专用焊条。

表1 X80钢化学成分Table 1 Chemical composition of X80 steel %

表2 X80钢的力学性能Table 2 X80 mechanical properties

1.2 试验方法

斜Y形坡口焊接裂纹试验和试件尺寸必须符合 AWS B4.0：2007 Standard Methods for Mechanical Testing of Welds要求。试件的形状和尺寸如图1所示。环境相对湿度为75%，室温为25℃。焊接电流170 A，电压22～24 V，焊接速度150 mm/min。试验考察了5种预热条件的冷裂纹敏感性：不预热（25℃）、60℃预热、90℃预热、150℃预热和200℃预热，试件焊后放置48 h，检测和解剖裂纹，并分别计算出表面裂纹率和断面裂纹率。

热影响区最高硬度试验按照GB 4675.5-84《焊接热影响区最高硬度试验方法》要求进行。根据试验设计方案，测定不同预热温度下焊接热影响区的最高硬度Hmax。焊后12 h切割试样，并进行维氏硬度测定。

2 试验结果

2.1 斜Y形坡口焊接裂纹试验

X80管线钢斜Y形坡口焊接裂纹试验结果如表3所示。

由表3可知，没有预热时，冷裂纹敏感性较大；当预热温度提高时，裂纹率下降；当预热温度提高到150℃时，断面裂纹率下降到0。提高预热温度有利于降低X80管线钢的冷裂纹敏感性。

图1 斜Y形坡口裂纹试验试件尺寸Fig.1 Schematic of Y-slit cracking test specimen

表3 斜Y形坡口焊接裂纹试验结果Table 3 Results of the Y-slit cracking test

不同预热温度下，焊接热影响区粗晶区的显微组织如图2所示。粗晶区的显微组织主要由粒状贝氏体和部分板条状贝氏体组成。随着预热温度的提高，粗晶区的组织变得粗大，当预热温度为200℃时，显微组织明显粗大。因此，不能采用过高的预热温度，否则组织会变得粗大，不利于降低冷裂纹敏感性。

2.2 热影响区最高硬度试验

不同预热温度下焊接热影响区最高硬度试验结果如表4所示。由表4可知，X80管线钢焊接HAZ最高硬度值均不是很高，随着预热温度的提高，焊接热影响区最高硬度值不断下降。这说明预热可以降低X80管线钢焊接HAZ的淬硬倾向。

图2 不同预热温度下粗晶区显微组织Fig.2 Microstructures in coarse grained heat affected zone under different preheating temperatures

表4 X80管线钢焊接接头HAZ的最高硬度Table 4 Maximum hardness of heat affected zone for different preheat conditions

3 斜Y形坡口焊接裂纹试验的数值模拟

为了提高计算精度、节省计算时间，通过设置拘束条件简化焊件模型，只研究中间的试验段焊缝及两侧的母材部分。根据试验所得的焊缝形状及尺寸建立几何模型并进行网格划分，如图3所示。计算时，考虑到采用的是焊条电弧焊，因此选择接近实际情况的双椭球热源模型。

图3 斜Y形焊接裂纹试样的有限元模型Fig.3 Finite element model of the Y-slit cracking test specimen

采用ANSYS有限元分析软件对5组预热条件的焊接过程进行模拟，分析预热温度对焊接残余应力分布的影响，为实际工程中工艺参数的选择和优化提供理论依据。预热温度60℃时的纵向残余应力、横向残余应力和等效残余应力分布情况如图4所示。不同预热温度下残余应力的峰值水平如表5所示。

由表5可知，焊件中的残余应力集中出现在焊接热影响区及焊缝根部，纵向残余应力峰值大于横向残余应力峰值。当不预热时，纵向残余应力的峰值水平接近屈服强度，60～90℃范围内提高预热温度可以降低等效残余应力水平，而当预热温度提高到150℃时，等效残余应力水平升高到591 MPa。另外，还可以看出，随着预热温度的提高，横向残余应力峰值水平上升，导致焊缝根部残余应力水平过高。当预热温度达到200℃时，预热会导致焊件的应力水平过高，不利于降低冷裂纹敏感性。

图4 预热温度为60℃时焊件中残余应力分布Fig.4 Residual stress distribution in the specimen with 60℃preheating

表5 残余应力计算结果Table 5 Simulated residual stresses

4 结论

结合斜Y形坡口焊接裂纹试验裂纹率、粗晶区显微组织分析、残余应力分布的有限元计算分析以及最高硬度试验结果，对X80管线钢的冷裂敏感性进行了研究。

（1）一定程度的预热可以降低X80管线钢的焊接冷裂敏感性。预热温度低于150℃时，随着预热温度的提高，HAZ最高硬度值下降，等效残余应力水平下降，因此冷裂敏感性有所降低，断面裂纹率下降。

（2）当预热温度提高到150℃，断面裂纹率下降到0。此时CGHAZ显微组织不粗大，HAZ最高硬度值较低，焊接接头中残余应力水平也不是很高，因此冷裂敏感性最小。

（3）当预热温度为200℃时，粗晶区显微组织变得比较粗大，且横向残余应力峰值和等效残余应力峰值都明显增加。因此，不建议采用高于200℃的预热温度。