牛愛(ài)軍 ，牛 輝 ，黃曉輝 ，劉海璋 ，趙紅波

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

管道輸送是將石油天然氣從遙遠(yuǎn)的開(kāi)采地向最終用戶(hù)端長(zhǎng)距離輸送的重要方式［1］。目前國(guó)際上陸地天然氣管道的鋼級(jí)己從X70發(fā)展到X80。新建的X80鋼級(jí)天然氣長(zhǎng)輸管道大量采用了螺旋縫焊管，提高了管道的經(jīng)濟(jì)性和競(jìng)爭(zhēng)力，大大推進(jìn)了X80鋼級(jí)管線鋼在陸地天然氣管道上的應(yīng)用［2-3］。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速增長(zhǎng)，石油和天然氣等能源開(kāi)發(fā)，特別是以西氣東輸工程為標(biāo)志的天然氣管網(wǎng)建設(shè)，推動(dòng)了我國(guó)管線鋼和焊接鋼管生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，西氣東輸國(guó)產(chǎn)化大直徑焊接鋼管的實(shí)物質(zhì)量已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。我國(guó)焊接鋼管的生產(chǎn)能力、制造技術(shù)和裝備水平得到了極大地提高［4-6］。在不到10年的時(shí)間里，我國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道用鋼從X70發(fā)展到X80，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平［3］。

當(dāng)前，國(guó)際社會(huì)對(duì)以天然氣為代表的清潔能源的需求依然強(qiáng)勁。隨著所需輸送天然氣流量的增加，對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管道的單管輸量要求也越來(lái)越高［7］。為了進(jìn)一步提高輸送效率，大直徑、高壓力、大輸送量成為管道工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，只有采用大直徑、厚壁、高鋼級(jí)管線鋼才能保證高壓輸送的安全性，降低管道建設(shè)成本，使管道運(yùn)營(yíng)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益［8］。X80鋼級(jí)高強(qiáng)度厚壁螺旋縫焊管可適用于陸上埋地輸送符合GB 17820—2012《天然氣》二類(lèi)氣質(zhì)要求的天然氣，且輸送氣體CH4含量大于92%的天然氣輸送管道，替代西氣東輸三線管道工程（簡(jiǎn)稱(chēng)西三線）中段等管道設(shè)計(jì)原計(jì)劃采用的同規(guī)格直縫埋弧焊管，降低管線成本，同時(shí)保障管道的安全運(yùn)行。大直徑、大壁厚X80鋼級(jí)高強(qiáng)度螺旋縫焊接鋼管的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用仍然是當(dāng)今管線鋼管的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司下屬的制管企業(yè)正在向22 mm壁厚規(guī)格發(fā)起沖擊，壁厚22 mm的螺旋縫埋弧焊管試制已取得初步成功，可能在西三線中段建設(shè)中采用［9］。提高高鋼級(jí)厚壁埋弧焊管的生產(chǎn)能力和質(zhì)量保證水平，以適應(yīng)新形勢(shì)下國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)高質(zhì)量焊管的要求，也將為進(jìn)入國(guó)際天然氣管線市場(chǎng)打下基礎(chǔ)。

隨著西氣東輸二線管道工程的建設(shè)，我國(guó)高鋼級(jí)管線鋼焊接技術(shù)得以快速發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)X70、X80管線鋼焊接技術(shù)已相對(duì)穩(wěn)定，但在焊管性能檢驗(yàn)中仍存在的一個(gè)突出問(wèn)題就是導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)不合格［10-14］。由于焊接質(zhì)量問(wèn)題引起的焊接接頭塑性和韌性不合格一般都會(huì)通過(guò)導(dǎo)向彎曲和夏比沖擊試驗(yàn)表現(xiàn)出來(lái)［15］。本文針對(duì)在X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm大直徑厚壁螺旋縫焊管試制過(guò)程中連續(xù)出現(xiàn)的導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)不合格問(wèn)題，通過(guò)對(duì)彎曲不合格鋼管及彎曲斷口進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，詳細(xì)分析產(chǎn)生彎曲斷裂的原因，并提出具體的改進(jìn)措施。

1 厚壁鋼管埋弧焊接工藝

試驗(yàn)原料為國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的X80鋼級(jí)1 550 mm×22 mm管線鋼卷板，試制焊管規(guī)格為X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm螺旋縫埋弧焊管。采用的焊接坡口為Ⅹ型，內(nèi)坡口角度70°，外坡口角度80°，鈍邊為10 mm。內(nèi)焊焊絲選用了寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司生產(chǎn)的BG-H06H1焊絲，外焊焊絲選用大西洋牌CHW-SG4焊絲；內(nèi)焊1號(hào)焊絲和外焊1號(hào)焊絲規(guī)格分別為Φ4.0 mm和Φ4.8 mm，內(nèi)焊2號(hào)焊絲和外焊2號(hào)焊絲規(guī)格均為Φ3.2 mm；焊劑采用鄭州某公司生產(chǎn)的SJ102G焊劑。試制X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm螺旋縫埋弧焊管時(shí)，使用了較高的焊接線能量（25.25～28.48 kJ/cm），焊接速度為1.50～1.55 m/min。對(duì)所采用的焊接工藝參數(shù)及焊接材料匹配，經(jīng)采用其他鋼廠原料進(jìn)行X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm制管焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示焊接接頭的拉伸、彎曲、沖擊等性能全部合格。

2 導(dǎo)向彎曲性能試驗(yàn)及缺陷分析

2.1 導(dǎo)向彎曲性能試驗(yàn)

焊縫導(dǎo)向彎曲性能是力學(xué)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通過(guò)采用規(guī)定直徑的彎模對(duì)焊縫進(jìn)行正、反向彎曲試驗(yàn)，然后測(cè)量焊縫彎曲后橫向、縱向裂紋的擴(kuò)展長(zhǎng)度和深度，以檢驗(yàn)焊接接頭拉伸面上的塑性及顯示缺陷，對(duì)焊縫的彎曲性能進(jìn)行評(píng)價(jià)［16］。正確判斷彎曲試驗(yàn)中的表面缺陷對(duì)于及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)工藝、保證鋼管產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義［17］。

在X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm試制鋼管沿焊縫中心處取彎曲試樣進(jìn)行導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)。試樣寬度為38.1 mm，厚度為焊管全壁厚，試驗(yàn)前焊縫余高己去除。彎軸直徑為132 mm（6 t，t為試樣厚度），彎曲角度為180°，試驗(yàn)按ASTM A 370—2011《鋼產(chǎn)品機(jī)械測(cè)試的試驗(yàn)方法及定義》規(guī)范進(jìn)行。結(jié)果表明：有多個(gè)彎曲試樣出現(xiàn)開(kāi)裂或斷裂現(xiàn)象，彎曲斷口的宏觀形貌如圖1所示。從圖1中可見(jiàn)：在彎曲試樣受拉面上裂紋沿焊縫熱影響區(qū)呈直線性開(kāi)裂，并貫穿了整個(gè)試樣寬度方向；在深度方向，裂紋從表面起裂，并沿?zé)嵊绊憛^(qū)向斜下方擴(kuò)展［10］。

圖1 彎曲斷口宏觀照片

2.2 缺陷原因分析

在導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)出現(xiàn)開(kāi)裂的焊管上取樣進(jìn)行化學(xué)成分、拉伸性能、夏比沖擊、硬度等理化性能檢驗(yàn)及試驗(yàn)，并對(duì)彎曲不合格試樣斷口進(jìn)行斷口微觀形貌、能譜及組織分析。

2.2.1 化學(xué)成分

X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm螺旋縫埋弧焊管的化學(xué)成分見(jiàn)表1。從表1可以看出：該管線鋼采用了低C、高M(jìn)n和Nb、Ti微合金化的成分設(shè)計(jì)體系，產(chǎn)品化學(xué)成分滿(mǎn)足X80鋼級(jí)管線鋼技術(shù)要求，碳當(dāng)量CEPcm處于較低水平，在鋼管焊接中出現(xiàn)淬硬組織的傾向較小［10］。

表1 X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm螺旋縫埋弧焊管的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.2.2 拉伸性能

X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm螺旋縫埋弧焊管的管體及焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出：該焊管焊接接頭的抗拉強(qiáng)度明顯低于母材的抗拉強(qiáng)度，平均值相差達(dá)23 MPa；斷裂位置在熱影響區(qū)，表明焊接接頭熱影響區(qū)軟化對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的降低影響較大。熱影響區(qū)是焊接接頭中強(qiáng)度最低的部位［10］，因此在焊接接頭進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)，塑性變形主要集中在熱影響區(qū)，導(dǎo)致試樣在熱影響區(qū)處啟裂。

表2 X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm螺旋縫埋弧焊管管體及焊接接頭拉伸性能

2.2.3 沖擊韌性

X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm螺旋縫埋弧焊管的管體及焊接接頭在-10℃下的沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出：該焊管母材、焊縫及熱影響區(qū)部位的沖擊韌性均保持了較好的低溫沖擊韌性，在-10℃下焊縫的最低沖擊功為170 J，熱影響區(qū)的最低沖擊功為215 J，達(dá)到了管線設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表3 X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm螺旋縫埋弧焊管的管體及焊接接頭沖擊韌性（-10℃）

2.2.4 硬 度

X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm螺旋縫埋弧焊管的焊接接頭硬度檢測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示，各點(diǎn)的硬度值檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可看出：焊管的母材、焊縫及熱影響區(qū)的硬度值均滿(mǎn)足≤280 HV10的硬度控制指標(biāo)要求；熱影響區(qū)的硬度值最低，與管體母材及焊縫硬度值相比平均硬度值分別降低了19 HV10和7 HV10，進(jìn)一步表明焊管在焊接過(guò)程中熱影響區(qū)存在明顯的軟化現(xiàn)象。

2.2.5 斷口分析

采用OUANTA 400型掃描電鏡、PHOENIX型X射線能譜儀和ZEISS Axiovert 200 MAT光學(xué)顯微鏡，對(duì)X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm螺旋縫埋弧焊管的彎曲斷口分別進(jìn)行缺陷分析、能譜分析及金相組織分析。

圖2 X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm螺旋縫埋弧焊管焊接接頭硬度檢測(cè)點(diǎn)分布示意

表4 X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm螺旋縫埋弧焊管的焊接接頭硬度HV10

（1）典型缺陷及能譜分析。對(duì)彎曲不合格試樣的斷口進(jìn)行掃描后發(fā)現(xiàn)，斷口中有大量疑似夾渣及氣孔類(lèi)缺陷，在厚度1/2位置處最多；對(duì)缺陷部位進(jìn)行能譜分析，夾渣類(lèi)缺陷顯示成分含Si、Mg、Al、Ca、K、Na、F、O等，典型缺陷及其能譜分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 斷裂彎曲斷口典型的缺陷及能譜分析

（2）金相組織分析。斷裂彎曲斷口金相組織如圖4所示。由圖4可看出：焊管母材組織較為均勻，但焊縫部位有明顯的帶狀組織，熔合線附近熱影響區(qū)粗晶區(qū)原始奧氏體晶界比較明顯，組織以粗大粒狀貝氏體為主；M/A島較為粗大，呈長(zhǎng)條狀，部分長(zhǎng)條M/A島貫穿整個(gè)奧氏體晶粒。粗大的M/A島極易誘發(fā)裂紋，造成粗晶區(qū)性能惡化［18］。有文獻(xiàn)認(rèn)為：當(dāng)M/A島的有效直徑大于l μm、體積分?jǐn)?shù)大于3%時(shí)，材料的韌性將顯著下降［10，19］。通過(guò)對(duì)彎曲斷口分析發(fā)現(xiàn)：焊接接頭粗晶區(qū)組織中含粗大M/A島，在外力誘發(fā)下形成裂紋源，導(dǎo)致彎曲斷裂。

圖4 斷裂彎曲斷口金相組織

3 討論與分析

管線鋼熱影響區(qū)軟化作用與材料的碳當(dāng)量及熱輸入有關(guān)：碳當(dāng)量越大，焊后熱影響區(qū)的硬度越高；熱輸入越大，焊接過(guò)程中熱影響區(qū)的軟化越明顯［20］。彎曲開(kāi)裂鋼管在進(jìn)行導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)時(shí)，受拉面承受拉伸作用，由于其熱影響區(qū)部位的弱化，致使彎曲過(guò)程的塑性變形主要集中在熱影響區(qū)；隨著彎曲角度的增大，熱影響區(qū)的塑性變形進(jìn)一步增加；熱影響區(qū)在變形過(guò)程中，熔合線附近粗晶區(qū)中硬而脆的M/A島將對(duì)變形起阻礙、拉拽作用。隨著變形的積累，M/A島與板條鐵素體基體間的界面產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中程度超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，焊接接頭中的粗大的M/A島就成為裂紋源，導(dǎo)致裂紋在熔合線附近產(chǎn)生［10］。

拉伸及硬度試驗(yàn)結(jié)果表明：彎曲開(kāi)裂焊管熱影響區(qū)在焊接過(guò)程中軟化明顯，熱影響區(qū)強(qiáng)度受損嚴(yán)重，其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于母材，熱影響區(qū)成為焊接接頭中最“薄弱”的環(huán)節(jié)。彎曲試驗(yàn)時(shí)，由于焊縫、熱影響區(qū)、母材的塑性及硬度差異，使熔合線兩側(cè)的變形量不同，造成焊縫熔合線上的開(kāi)裂。

隨著壁厚的增大，焊接線能量呈明顯上升趨勢(shì)。厚壁焊管大規(guī)模焊接時(shí)，焊接熔池較深、較大，通過(guò)一系列冶金反應(yīng)產(chǎn)生的氣體和雜質(zhì)上浮的距離變長(zhǎng)，難度增加，尤其對(duì)于內(nèi)焊，熔池處于一個(gè)下坡的位置逐漸凝固，焊縫表面液態(tài)金屬的倒流對(duì)氣體和雜質(zhì)的逸出也不利，這都增加了氣孔和夾渣形成的幾率［21］。

彎曲斷口分析表明：在斷口上多處發(fā)現(xiàn)因存在異物和氣孔而誘發(fā)斷裂的裂紋源。異物來(lái)源可能是煉鋼過(guò)程中的保護(hù)渣或在焊管焊接過(guò)程中未能上浮的夾渣。進(jìn)一步的成分檢測(cè)表明，異物多含有大量Mg、Al、Ca、F等元素，推斷應(yīng)為因焊劑引起的夾渣。氣孔位置在焊縫中部，且數(shù)量眾多，形狀各異，有的還密集分布，推斷應(yīng)為焊接工藝或焊接材料選擇不當(dāng)造成。

4 結(jié)論及建議

（1）埋弧焊管在焊接過(guò)程中采用較大的熱輸入，熱影響區(qū)會(huì)產(chǎn)生明顯軟化現(xiàn)象，強(qiáng)度受損嚴(yán)重，成為焊接接頭中最“薄弱”的環(huán)節(jié)，致使彎曲過(guò)程的塑性變形主要集中在熱影響區(qū)，導(dǎo)致彎曲裂紋產(chǎn)生。

（2）在彎曲塑性變形過(guò)程中，焊接接頭粗晶區(qū)中硬而脆的M/A島與板條鐵素體基體間的界面產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，形成裂紋源，導(dǎo)致彎曲裂紋產(chǎn)生。

（3）焊接工藝或焊材選擇不當(dāng)，會(huì)造成在焊管焊接過(guò)程中形成的夾渣未能完全上浮以及氣孔留在焊接接頭中成為裂紋源，在受力條件下誘發(fā)彎曲斷裂。

建議：①在厚壁埋弧焊管生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)格控制焊接過(guò)程中的熱輸入，盡量減少焊接中熱影響區(qū)的軟化，避免引起熱影響區(qū)與母材強(qiáng)度的較大差異；②在厚壁埋弧焊管生產(chǎn)前，應(yīng)根據(jù)原料的化學(xué)成分、組織及性能的差異，分別進(jìn)行焊接工藝及焊接材料匹配工藝試驗(yàn)，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，優(yōu)選焊接材料，解決單一焊接工藝及焊材匹配造成的原料不適應(yīng)問(wèn)題。

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