X80焊接热影响区组织与性能的模拟试验研究

刘 宇，由宗彬，韩 涛

(中国石油天然气管道科学研究院有限公司，油气管道输送安全国家工程实验室 河北 廊坊 065000)

0 引 言

现场环焊是长输油气管道最关键的施工环节之一，环焊接头的质量性能对于保障整条管道的安全运营十分重要。近年来，我国X80管线钢管的工程应用越来越广泛，在环焊工艺评定和性能检测时发现部分环焊接头存在软化和脆化现象，这对管道的安全运行造成一定的风险和隐患[1]。X80管线钢在经历复杂的焊接热循环后，组织与性能发生改变，且呈不均匀分布，因此有必要对X80管线钢环焊热影响区显微组织和力学性能的主要影响因素和规律进行深入研究，从而采取相应措施，有效减小环焊接头软化和脆化倾向，保障X80环焊接头的质量性能满足工程要求[2-5]。

1 试验材料与方法

试验材料取自三种不同化学成分的X80管线钢，试验钢的主要化学成分见表1。由此可知，三种X80管线钢化学成分存在一定差异，其中X80-C的碳当量高于其它两种钢，添加Mo、V，且Nb含量较高；另外两种钢中未添加Mo，其中X80-A中Cu含量较高，而X80-B含较高的Ni和Nb。

表1 试验用X80管线钢化学成分(质量分数) %

采用Gleeble 3500热模拟试验机对三种X80试验钢进行了焊接热影响区(HAZ)的热循环模拟试验，试验参数见表2。

表2 焊接热影响区模拟试验参数

热模拟拉伸试样规格为D10 mm×110 mm圆棒，热模拟后加工成拉伸试样，试样尺寸见图1，然后采用MTS 810试验机进行室温拉伸试验。热模拟冲击试样规格为10.5 mm×10.5 mm×70 mm，热模拟后对试样进行磨抛，然后采用4%硝酸酒精溶液对磨抛面进行侵蚀，对试样中心经历热循环的位置进行光学金相和扫描电镜观察与分析，以及维氏硬度HV10测试；然后将该试样加工为10 mm×10 mm×55 mm标准夏比冲击V型缺口试样，进行-10 ℃冲击韧性测试。为了减小试验误差，降低偶然因素对结果的影响，在试验中采取了相应技术措施，包括保证热模拟试验设备状态参数、操作人员，以及试验夹持、试样加工、缺口位置等关键环节的一致性和稳定性，确保试验数据准确、可靠。

图1 热模拟后拉伸试样规格示意图

2 结果分析与讨论

2.1 X80模拟焊接热影响区的拉伸性能

图2为三种X80钢模拟焊接热影响区在不同峰值温度下的屈服强度和抗拉强度对比(冷却时间t8/5为15 s)。由图2(a)可知，当峰值温度小于700 ℃时，屈服强度相对于母材的变化较小；当峰值温度大于800 ℃时，屈服强度显著下降；当峰值温度为900～1 000 ℃时，屈服强度降至最低，即细晶热影响区(FGHAZ)存在明显软化；随着峰值温度的进一步升高，屈服强度逐步增大。

图2 峰值温度对X80模拟焊接热影响区屈服强度和抗拉强度的影响(t8/5=15 s)

由图2(b)可知，模拟焊接热影响区抗拉强度的变化幅度小于屈服强度。当峰值温度为800 ℃，X80-C的抗拉强度出现高值，即临界热影响区(IGHAZ)存在硬化倾向。随着峰值温度的增大，X80-A和X80-B的抗拉强度均呈缓慢下降趋势；当峰值温度大于1 000 ℃，抗拉强度开始增大，其中X80-B的增大趋势显著，当峰值温度为1 300 ℃时，即粗晶热影响区(CGHAZ)的抗拉强度高于母材，存在一定的硬化倾向。

图3为X80-B钢模拟焊接热影响区在不同冷却时间t8/5下的屈服强度和抗拉强度对比。由此可知，随着冷却时间t8/5的增大，屈服强度和抗拉强度的软化率和软化温度范围均呈增大趋势；当t8/5≤15 s时，模拟CGHAZ(峰值温度为1 300 ℃)的抗拉强度显著增大。

图3 冷却时间t8/5对X80-B钢模拟焊接热影响区屈服强度和抗拉强度的影响

2.2 X80模拟焊接热影响区的维氏硬度

图4为三种X80钢模拟焊接热影响区在不同峰值温度下维氏硬度的对比(冷却时间t8/5为15 s)。由此可知，当峰值温度为900～1 000 ℃时，三种X80钢模拟焊接热影响区维氏硬度均出现软化现象，其中X80-A与X80-C的维氏硬度下降更为显著；当峰值温度大于1 000 ℃时，维氏硬度逐步增大。

图4 峰值温度对X80模拟焊接热影响区维氏硬度的影响(t8/5=15 s)

2.3 X80模拟焊接热影响区软化参数对比

三种X80钢模拟焊接热影响区软化参数的对比(冷却时间t8/5为15 s)见表3～表5，包括屈服强度、抗拉强度、维氏硬度相对于母材的最大软化率，以及出现软化的温度范围。由此可知，三种X80钢模拟焊接热影响区均存在一定程度的软化，其中屈服强度的下降较为显著。对比可知，X80-A屈服强度与抗拉强度的软化率和软化温度范围最大，X80-C维氏硬度的软化率最大。综合可知，X80-B模拟焊接热影响区的软化程度小于其它两种钢。

表3 X80模拟焊接热影响区屈服强度Rt0.5相对母材的软化参数

表4 X80模拟焊接热影响区抗拉强度Rm相对母材的软化参数

表5 X80模拟焊接热影响区维氏硬度(HV10)

2.4 X80模拟焊接热影响区的低温冲击韧性

图5为三种X80钢模拟焊接热影响区在不同峰值温度下的-10 ℃夏比冲击吸收功对比(冷却时间t8/5为15 s)。由此可知，X80-A模拟焊接热影响区在不同峰值温度下均具有良好的低温韧性，冲击功均高于300 J；X80-B在峰值温度为1 300 ℃时，即粗晶热影响区(CGHAZ)出现明显脆化，冲击功仅为15 J；X80-C在峰值温度为800 ℃和1 300 ℃时出现了两个冲击功低值，即临界热影响区(ICHAZ)和粗晶热影响区(CGHAZ)均存在脆化现象。

图5 峰值温度对X80模拟焊接热影响区低温韧性的影响(t8/5=15 s)

2.5 X80模拟焊接热影响区的显微组织

图6为三种X80钢母材及部分模拟焊接热影响区的金相组织(冷却时间t8/5为15 s)。由此可知，三种X80钢母材金相组织存在明显差异，X80-A母材为细小的准多边形铁素体(QF)、针状铁素体(AF)与少量粒状贝氏体(GB)组织；X80-B母材为多边形铁素体(PF)和板条状贝氏体铁素体(BF)组成的双相组织；X80-C母材为针状铁素体(AF)组织。其中X80-B为典型的抗大变形管线钢双相组织，具有较高的形变硬化指数、较大的均匀塑形变形能力、较低的屈强比等性能特点，其现场环焊性能也受到较大关注[6-7]。

当峰值温度为900 ℃时，三种X80钢的模拟FGHAZ组织均转变为细小的PF和QF，原母材组织中的马氏体-奥氏体组元(M-A)明显减少，带状分布形态完全消失，此时的基体组织已基本完成奥氏体化，但由于奥氏体的不均匀性及大量细小的Nb(CN)析出抑制了奥氏体晶粒长大，因此在冷却时相变温度高，显微组织细小，韧性得到改善，但强度和硬度出现下降[8]，其中X80-B的模拟FGHAZ组织中存在更多细小且均匀分布的M-A岛，因此软化程度小于其它两种X80钢。当峰值温度为1 300 ℃时，X80-A模拟CGHAZ组织由GB和板条BF组成，其中M-A细小且分布较均匀，韧性良好；X80-B、X80-C组织为粗大的板条BF，M-A数量较多且尺寸粗大，韧性出现显著恶化。

图6 X80母材及模拟焊接热影响区的金相组织(t8/5=15 s)

图7为X80-C钢在峰值温度为800 ℃时的金相和扫描电镜照片。由此可知， X80-C钢模拟ICHAZ组织由QF、GB和粗大的M-A组成，其中M-A数量较多，

图7 X80-C钢在峰值温度为800℃时的显微组织(t8/5=15 s)

尺寸较大且分布不均匀。由于峰值温度处于Ac1和Ac3之间，组织发生不完全相变，晶粒尺寸不均匀，粗大的M-A岛沿原奥氏体晶界分布，造成低温韧性显著下降。

3 结 论

1)X80模拟焊接热影响区存在一定软化现象，软化的峰值温度范围为800～1 000 ℃，即临界区ICHAZ和细晶区FGHAZ；屈服强度的软化比抗拉强度和维氏硬度更为显著。

2)随着冷却时间t8/5的增大，即焊接热输入量的增大，X80 焊接热影响区的软化率和软化温度范围均呈增大趋势。

3)碳当量较高的X80-C焊接热影响区存在临界区ICHAZ和粗晶区CGHAZ脆化现象。

4)对X80管线钢化学成分及原始组织状态进行合理设计，可有效减小焊接热影响区的软化和脆化趋势。