李建一等：Ｘ１２０管线钢焊接热影响区组织与韧性 Ｘ１２０管线钢焊接热影响区组织与韧性 李建一 ，谷 雨 ，韩秀林 ，潘 强 ，王海生 ，乔桂英 （１．中国石油集团渤海石油装备制造有限公司，河北青县０６２６５８； ２．燕山大学材料科学与工程学院，河北秦皇岛０６６００４； ３．燕山大学环境与化学工程学院，河北秦皇岛０６６００４） 摘要：采用热模拟试验技术，研究了Ｘ１２０管线钢焊接热影响区的组织与性能变化规律，结果 表明：在Ｘ１２０钢的焊接热影响区中存在两个脆化区，即焊接粗晶区和两相临界区。粗晶区随焊 接热输入的增加，脆化有减弱的趋势。该钢采用低Ｃ、高Ｎｂ、微Ｔｉ复合成分设计，有利于抑制 焊接粗晶区原奥氏体晶粒长大，但高的合金含量及Ｂ的添加增加了钢的淬透性，导致了粗晶区韧 性的降低。沿原奥氏体晶粒形成的岛状组织是导致两相区韧性降低的主要原因。 关键词：Ｘ１２０管线管；焊接热影响区；模拟；组织；性能 中图分类号：ＴＧ４４５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—３９３８（２０１２）０３—００１１—０４ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ Ｗｅｌｄ Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ ｆｏｒ Ｘ１２０ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｓｔｅｅｌ ＬＩ Ｊｉａｎ－ｙｉ ，ＧＵ Ｙｕ２，ＨＡＮ Ｘｉｕ－ｌｉｎ ，ＰＡＮ Ｑｉａｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｈａｉ－ｓｈｅｎｇ ，ＱＩＡＯ Ｇｕｉ—ｙｉｎｇ （１．ＣＮＰＣ Ｂｏｈａｉ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｑｉｎｇｘｉａｎ ０６２６５８，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｎｄ ａＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｓｈａｎ Ｕｎｗｅ￣ｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６００４，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｎｄ ａＣｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｙａｎｓｈａｎ Ｕｎｗｅ￣ｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６００４，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆｗｅｌｄ ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ（ＨＡＺ）ｏｆＸ１２０ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｓｔｅｅｌ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｗｏ ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ ｒｅｇｉｏｎｓ ｅｘｉｓｔ ｉｎ ＨＡＺ， ｎａｍｅｌｙ，ｔｈｅ ｃｏａｒｓｅ ｇｒａｉｎ ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ（ＣＧＨＡＺ）ａｎｄ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｒｅｇｉｏｎ．Ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｗｅｌｄｉｎｇ ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ ｉｎｃｒｅａｓｅ， ｔｈｅ ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ ｏｆｃｏａｒｓｅ ｇｒａｉｎ ｚｏｎｅ ｗｅａｋｅ￣ｔｈｉｓ ｓｔｅｅｌ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆｌｏｗ Ｃ，ｈｉｇｈ Ｎｂ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ Ｔｉ，ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｐｉｔｉｏｕｓ ｔｏ ｉｎｈｉｂｉｔ ｐｒｉｏｒ ａｕｓｔｅｎｉｔｅ ｇｒａｉｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｒｓｅ ｇｒａｉｎ ｚｏｎｅ．Ｄｕｅ ｔｏ ｇｒｅａｔ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ Ｍｌｏｙｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｂ ａｄｄｅｄ ｉｎ ｓｔｅｅｌ，ｔｈｅ ｈａｒｄｅｎａｂｉｌｉ￣ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｉｎｃｒｅａｓ￣ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｃｏａｒｓｅ ｇｒａｉｎ ｚｏｎｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ．Ｔｈｅ ｉｓｌａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ａｌｏｎｇ ｐｒｉｏｒ ａｕｓｔｅｎｉｔｅ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｒｅａｓｏｎ ｆｏｒ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｉｎ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｒｅｇｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｘ１２０ ｌｉｎｅ ｐｉｐｅ；ｗｅｌｄ ＨＡＺ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｐｒｏｐｅｒｔｙ ０前言 经成为了油气输送最为经济有效的方式之一。为 提高输送效率，管线输送正在向大直径、高压、 石油、天然气是现代经济发展所需的重要能 源。已探明的油气主要集中分布在深海和环境条 件恶劣的偏远地区，而油气的需求市场则集中在 城市。油气管线作为连接这两个地区的桥梁，已 富气输送方向发展，从而显著推动了管线钢进一 步向高钢级方向发展［１］。目前Ｘ８０管线钢已经在 中国西气东输二线工程上大量应用，Ｘ１００也开 始敷设试验段。为进一步提高输送压力，世界各 基金项目：河北省自然科学基金（Ｅ２０１１２０３１６９；Ｅ２００９０００４４３）；河北省科技计划项目（０９２７６７０５Ｄ）。 ＨＡＮ ＧＵＡＮ ＼ ・１１・ 随峰值温度降低，原奥氏体晶粒减小，组织 细化，板条特征的组织退化，如图３（ｂ）和图４（ｂ）所 示。但当峰值温度降低到１ ０００℃以下时，组织发 生明显的变化，奥氏体晶界消失，组织中板条特征 钢的研究中得到证实 ］。同时也说明采用高Ｎｂ设 计对提高Ｘ１２０钢焊接性能是有利的。然而，从 低温冲击试验结果看，低温冲击韧性仍显著降低， 而且随焊接热输入的增加，降低的趋势有所减小， 如图２所示。由组织分析可见，在低的焊接热输入 条件下，组织中出现马氏体特征，如图３（ａ）所示， 完全消失，表现为块状特征，但晶粒内部有短棒状 或点状黑色岛状组织，如图３（ｃ）和图４（ｃ）所示。 然而当峰值温度降低到９００℃以下时，组织 的变化更加明显，组织出现带状特征，即存在较 大晶粒的区域及细小晶粒组织的区域。而且随峰 而在高的热输入条件下，组织为贝氏体组织，如 图４（ａ）所示。不同相变组织导致了这种韧性的 变化。从钢的成分看，其碳当量较高，Ｃｅｑ达到 值温度的降低，较大晶粒的组织区域增加，表观 晶粒尺寸也增大。这在峰值温度为７５０℃时表现 ０．５６％，而且钢中添加有Ｂ，这种高的碳当量是 导致该钢焊接热影响粗晶区韧性降低的直接原 的更加明显，如图３（ｄ）和图４（ｄ）所示。可见该组 织是由细小岛状组织围绕在较大拉长晶粒周围。 这种拉长的晶粒与钢板的原奥氏体晶粒尺寸相当。 正是由于这种不均匀的组织，导致了在该温度条 因。因此，控制管线钢的碳当量及添加Ｂ是今 后管线钢成分设计应该考虑的。 另外，从试验结果看，峰值温度为７５０℃左 右时也存在脆性最大的区域，如图２所示。该条件 下的组织观察发现，组织中出现沿晶界分布的黑色 岛状组织，如图３（ｄ）和图４（ｄ）所示。该区域为刚刚 进入两相区的区域，在焊接过程的快速两相区加热 件下的低温冲击功达到一个最低值。随温度降低 到７００℃以下时，组织与钢板的组织相差不大， 仅仅表现为贝氏体基体退火现象。 中，奥氏体相变最先在奥氏体晶界和Ｃ及合金元 ３分析讨论 在焊接热影响区中，由于靠近熔池的区域加 热温度高，会导致原奥氏体晶粒急剧长大，往往 被认为是最脆的区域 ］，而且随焊接热输入量的 素高的区域形成，即组织原始组织中的Ｍ／Ａ岛， 所形成的奥氏体也往往有较高的Ｃ及合金含量， 因此，在后续的快速冷却过程中，就以Ｍ／Ａ岛的 形式保留下来，Ｍ／Ａ岛的尺寸和分布对低温冲击 韧性有很大的影响，文献认为，当Ｍ／Ａ岛的尺寸 大于２ Ｉｘｍ时，就可能成为裂纹源，导致脆性断 裂 。。，然而，在实际焊缝中，脆化区域相对很小， 对实际焊接接头性能的影响程度还需要深入研究。 增加，高温停留时间的增加，原奥氏体晶粒长大 明显，使脆化更加严重。然而通过试验发现，焊 接热影响粗晶区的原奥氏体晶粒尺寸虽然有所增 大，但晶粒尺寸为４０－－６０ Ｉｘｍ，如图３（ａ）和图４（ａ） 所示，这和该钢的低碳微合金设计有关。由表ｌ 可见，该钢同时采用了Ｔｉ和Ｎｂ微合金设计。ＴｉＮ 被认为是最稳定的化合物之一，钢中微量细小的 （１）Ｘ１２０管线钢热影响区中，存在两个严 重脆性区，即峰值温度为７５０ ｏＣ时的两相临界 区，以及峰值温度超过１ １５０℃的粗晶区。而 ４结 论 ＴｉＮ均匀存在起到强烈抑制奥氏体晶粒长大的作 用。但一些相近成分钢研究结果中，焊接粗晶区 的原奥氏体晶粒均能达到７０￣１２０ ｔｘｍ范围＿７］。这 且，粗晶区的脆化随焊接热输入的增加，脆化有 减弱的趋势。 说明该钢中添加的Ｎｂ也可能起到了一定抑制奥 氏体晶粒长大的作用。一般观点认为Ｎｂ的碳氮化 物的稳定性远低于Ｔｉ的化合物，其对奥氏体晶粒 长大的抑制作用不大。但也有研究者认为［８］，在 Ｔｉ和Ｎｂ钢中，即使在１ ３００℃的长时间保温过程 中Ｎｂ也不会完全溶解，而且随着钢中Ｎｂ含量的 增加，这种未溶解的Ｔｉ和Ｎｂ化合物对抑制原奥 氏体晶粒长大具有一定的作用，这在对高Ｎｂ Ｘ８０ （２）该钢采用的低Ｃ、高Ｎｂ、微Ｔｉ复合的 成分设计，有利于抑制焊接粗晶区原奥氏体晶粒 长大，但该钢高的合金含量及Ｂ添加导致影响 钢的相变组织的变化，是该钢脆化的关键因素。 因此，控制管线钢的碳当量及添加Ｂ是今后管 线钢成分设计应该考虑的。 （下转第２８页） ３ 结 论 （１）制备的Ｎ８０—１、Ｎ８０一Ｑ ＨＦＷ焊管力学 性能相当，Ｎ８０—１金相组织为铁素体、珠光体及 ［３］王兆霞．宝钢ＨＦＷ焊管线自动控制系统［Ｊ］．宝钢技 术，２００８（０５）：２５—２９． ［４］田青超，董晓明，丁维军．高频电阻焊Ｋ５５钢级套管的 研发［Ｊ］．钢管，２００８，３７（０４）：２８—３２． ［５］ＴＩＡＮ Ｑ Ｃ，ＤＯＮＧ Ｘ Ｍ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｎｄ Ｍｉ— ｃｒｏｓｔｍｃｔｕｒｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＴＲＩＰ Ｓｔｅｅｌ Ｐｌａｔｅｓ Ｕｎｄｅｒ 少量贝氏体，Ｎ８０一Ｑ组织为回火索氏体。 （２）Ｎ８０—１ＨＦＷ焊管宏观残余应力达２３５—２５８ Ｖａｒｉｏｕｓ Ｈｅａｔ・ｔｒｅａｔｉｎｇ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／Ｓｔｅｅｌ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｍｅｔ— ａ１１ｕｒｇｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＭＰａ，而Ｎ８０一Ｑ残余应力很小，整管热处理可以 有效的消除焊管残余应力，但增加了生产成本。 （３）随着应力的增大，沟槽腐蚀系数增大。 腐蚀前后的电流差与加载应力的关系反映了焊缝 ２００７ Ｃｏｎｆｅ ｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ．Ｄｅｔｒｏｉｔ：『ｓ．ｎ．１．２００７： ５３７—５４５． ［６］张作贵，董晓明，田青超．Ｎ８ＯＨＦＷ套管调质前后焊缝 组织演变的ＥＢＳＤ研究［Ｊ］＿电子显微学报，２０１０，２９（０１）： ７５９－７６４． 腐蚀产生的沟槽和加载应力的耦合强度。 参考文献： ［１］史宏德，王宁，赖兴涛．宝钢ＨＦＷ ６１０焊管机组的技 术特点［Ｊ］．焊管，２００９，３２（１２）：４３—４９． ［７］董晓明，田青超．电阻焊直缝焊接套管残余应力分布的 测定［Ｊ］．理化检验（物理分册），２００９，４５（０１）：５—８． ［８］宝山钢铁股份有限公司．一种应力状态下的测量焊管 腐蚀的装置和测量方法：ＣＮ２００７１００４５３１６．２［Ｐ］． 作者简介：史宏德（１９５４一），男，主任工程师，从事ＨＦＷ焊 管生产研发、工艺技术、质量控制等工作。 ［２］ＴＩＡＮ Ｑ Ｃ，ＤＯＮＧ Ｘ Ｍ，ＳＨＩ Ｈ Ｄ，ｅｔ １．ａＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｂｅ— ｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｗｅｌｄｅｄ Ｐｉｐｅｓ Ｕｎｄｅｒ Ｐｉｐｅ－ ｍａｋｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．Ｂａｏｓｔｅｅｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０１０，４ （０３）：３２—３５． 收稿日期：２０１１－１１－２０ 编辑：刘志军 （上接第１４页） （３）在两相区加热时，沿原奥氏体晶界形成 的岛状组织，是导致峰值温度为７５０℃时韧性较 低的主要原因，但该区域较窄，其对实际焊接热 ｎｏｌｏｇｙ，２００８，２０７（０１－－０３）：３０＿３９． 『７］Ｍ０ＥＩＮＩＦＡＲＡ Ｓ，Ｋ０ＫＡＢＩＢ Ａ Ｈ，ＭＡＤＡＡＨ Ｈ Ｒ． Ｒｏｌｅ ｏｆ Ｔａｎｄｅｍ Ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｙｃｌｅｓ ｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ ｉｎ Ｘ８０ Ｍｉ— 影响区性能的影响程度还有待于进一步研究。 参考文献： ［１］陶鹏，张弛，杨志刚．高钢级管线钢的组织和力学性能 ［Ｊ］．焊管，２００８，３１（０２）：１９－２２． ｃｒｏａｌｌｏｙｅｄ Ｐｉｐｅ Ｌｉｎｅ Ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉｌａｓ Ｐｒｏ— ｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１，２１１（０３）：３６８—３７５． ８］ＹＵＡＮ Ｓ Ｑ．ＬＩＡＮＧ Ｇ Ｌ．Ｄｉｓｓｏｌｖｉｎｇ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｓｅｃｏｎｄ Ｐｈａｓｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎ Ｎｂ—Ｔｉ Ｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｅｄ Ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉ— ａｌｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００９，６３（２７）：２３２４—２３２６． ［９］乔桂英，郭宝峰，陈小伟，等．热循环对高铌管线钢焊接 热影响区冲击韧性的影响［Ｊ］．金属热处理，２００９，３４（１２）： ３２—３４． ［２］王晓香，李延丰．高强度管线钢管开发在中国的新进展［Ｊ］． 焊管，２０１１，３４（０１）：１２—１８． ［３］赵英利，时捷，包耀宗，等．Ｘ１２０级超高强度管线钢生 产工艺研究现状［Ｊ］．特殊钢，２００９，３０（０５）：２５－１７． ［１０］徐学利，辛希贤，石凯，等．焊接热循环对Ｘ８０管线钢粗 晶区韧性和组织的影响［Ｊ］．焊接学报，２００５，２６（０８）：７０— ７４． ［４］谢勇，余伟，武会宾，等．优化控冷制度改善Ｘ１２０管线钢 的组织和性能［Ｊ］．上海金属，２００７，２９（０２）：４０＿４３． ［５］张骁勇，高惠临，庄传晶，等．焊接热输入对Ｘｌ００管线 钢粗晶区组织及性能的影响［Ｊ］．焊接学报，２０１０，３１（０３）： ２９—３２． 作者简介：李建一（１９８３一），男，工程师，中国石油集团渤 海石油装备制造有限公司华油钢管公司焊接技术员，主要 从事螺旋埋弧焊管焊接工艺技术研究工作。 收稿日期：２０１１－１１－２０ 编辑：刘志军 ［６］ＳＨＩＡ Ｙ Ｗ，ＨＡＮ Ｚ Ｘ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆＷｅｌｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｙｃｌｅ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ Ｈｅａｔ－ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ ｆｏｒ ａ ８００ ＭＰａ Ｇｒａｄｅ Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｌｏｗ Ａｌｌｏｙ Ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉｌｓａ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈ—