陳小偉，王 旭，王立柱，劉鑒衛(wèi)，楊 魁，李國(guó)鵬

（1.渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣 062658；2.渤海裝備鋼管設(shè)計(jì)研究院，河北 青縣062658）

X80管線鋼焊接熱影響區(qū)軟化問(wèn)題研究

陳小偉1，王 旭1，王立柱1，劉鑒衛(wèi)1，楊 魁1，李國(guó)鵬2

（1.渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣 062658；2.渤海裝備鋼管設(shè)計(jì)研究院，河北 青縣062658）

為了提高管線鋼焊接熱影響區(qū)組織性能，控制熱影響區(qū)軟化問(wèn)題，分析了當(dāng)前超低碳微合金X80直縫埋弧焊管焊接熱影響區(qū)的軟化現(xiàn)象，以及熱影響區(qū)軟化導(dǎo)致的彎曲開裂等質(zhì)量問(wèn)題。采用焊接熱模擬及批量生產(chǎn)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等方法，研究了影響X80管線鋼焊接熱影響區(qū)軟化的因素。研究結(jié)果表明，母材合金元素、焊接熱輸入、母材強(qiáng)度以及三者之間的匹配是影響焊接熱影響區(qū)軟化的關(guān)鍵因素。指出，母材合金設(shè)計(jì)應(yīng)考慮焊后熱影響區(qū)的強(qiáng)度，母材強(qiáng)度應(yīng)與熱影響區(qū)強(qiáng)度相匹配。

X80管線鋼；HAZ軟化；合金設(shè)計(jì)；焊接熱輸入

Abstract:In order to improve the structure performance of pipeline steel welding heat affected zone,control the softening of problem of heat affected zone,in this article,it analyzed the softening phenomenon of current ultra-low carbon microalloy X80 pipeline steel straight seam submerged arc welded pipe welding heat affected zone,as well as bending cracking caused by HAZ softening,and other quality problems.It adopted the methods of welding thermal simulation and mass production test data analysis to study the factors affecting HAZ softening.The results showed that the base metal alloy elements,welding heat input,base metal strength and the matching of the above three factors are the key factors of affecting HAZ softening.The improvement method was proposed,which is that the base metal alloy design should consider the strength of HAZ after welding,and the strength of base metal should match the strength of HAZ.At the same time,It should accelerate the development of low heat input welding technology.

Key words:X80 pipeline steel;welding HAZ softening;alloy design;welding heat input

1 概 述

油氣輸送用高鋼級(jí)、大直徑直縫埋弧焊管制造過(guò)程均采用多絲、大線能量焊接方式焊接。在焊接過(guò)程中，緊鄰熔合線附近的母材經(jīng)歷了復(fù)雜的熱循環(huán)過(guò)程，發(fā)生了組織性能的改變。焊接熱影響區(qū)性能被認(rèn)為是鋼管最薄弱的區(qū)域。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于管線鋼焊接熱影響區(qū)組織性能開展了大量的研究工作[1-4]，但之前的絕大部分研究工作主要集中在焊接熱影響區(qū)粗晶脆化及其控制方面，關(guān)于熱影響區(qū)軟化的研究很少。這主要是由于管線鋼從誕生一直到21世紀(jì)初，合金強(qiáng)化始終是管線鋼強(qiáng)化的主要方式。通過(guò)添加一定量的Mn、Mo、Cr、Ni、Cu等合金元素，確保管線鋼的強(qiáng)韌性。合金元素的添加導(dǎo)致焊接過(guò)程中熱影響區(qū)馬氏體傾向的增加，焊接冷裂紋敏感性增加。因此，無(wú)論是API 5L、ISO 3183等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，還是各大石油公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，均對(duì)管線鋼中合金元素添加量的上限及代表冷裂紋敏感指數(shù)的碳當(dāng)量上限進(jìn)行了限制。

隨著TMCP技術(shù)的發(fā)展，管線鋼中合金元素含量總體呈下降趨勢(shì)。但直到本世紀(jì)初，合金強(qiáng)化在管線鋼強(qiáng)化方式中仍起到舉足輕重的作用。以西氣東輸管道用X70直縫埋弧焊管為例，母材中Mo、Ni含量均在0.2%以上，碳當(dāng)量Ceq在0.40%以上；西氣東輸濟(jì)寧聯(lián)絡(luò)線采用的X80鋼級(jí)Φ1 016 mm×18.4 mm直縫埋弧焊管，母材中Mo、Ni含量均在0.2%以上，碳當(dāng)量Ceq為0.43%~0.45%。這些管線鋼在焊接過(guò)程中可能出現(xiàn)的主要問(wèn)題表現(xiàn)為熱影響區(qū)脆化。

近年來(lái)，隨著我國(guó)管線鋼制造業(yè)裝備技術(shù)的提升以及TMCP技術(shù)、ACC技術(shù)的快速發(fā)展應(yīng)用，管線鋼的強(qiáng)韌化越來(lái)越多地依靠采用大壓下量及大壓縮比細(xì)化奧氏體晶粒，隨后采用加速冷卻技術(shù)促進(jìn)奧氏體中溫相變技術(shù)，對(duì)合金元素的依賴逐步減弱。這種利用形變細(xì)晶強(qiáng)化和加速冷卻獲得中溫轉(zhuǎn)變組織強(qiáng)化的現(xiàn)代高強(qiáng)管線鋼，在焊接熱循環(huán)過(guò)程中，熱影響區(qū)局部不可避免地發(fā)生晶粒粗化、相變、再結(jié)晶、晶?；貜?fù)以及組織轉(zhuǎn)變。當(dāng)熱影響區(qū)局部晶粒粗化、重新奧氏體化后，二次相變溫度高于母材加速冷卻過(guò)程中的相變溫度時(shí)，在這個(gè)區(qū)域?qū)⒖赡馨l(fā)生軟化。

我國(guó)2004年首次成功研制并應(yīng)用了X80鋼級(jí)Φ1 016 mm×18.4 mm直縫埋弧焊管，2006年開始進(jìn)行西氣東輸二線用X80寬厚板及直縫埋弧焊管的研制。國(guó)內(nèi)寶鋼、鞍鋼、首鋼、沙鋼等鋼廠依據(jù)自身工藝裝備和技術(shù)積淀，采用不同技術(shù)路線開發(fā)出了X80管線鋼寬厚板。在鋼管的研制過(guò)程中，對(duì)焊接熱影響區(qū)組織性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，尤其是焊接熱影響區(qū)軟化問(wèn)題受到特別關(guān)注。隨后的中衛(wèi)—貴陽(yáng)管線項(xiàng)目、中緬管線項(xiàng)目、西氣東輸三線等項(xiàng)目中，均不同程度出現(xiàn)過(guò)因熱影響區(qū)軟化導(dǎo)致的質(zhì)量問(wèn)題，關(guān)于X80管線鋼焊接熱影響區(qū)軟化及其影響因素的研究取得了較系統(tǒng)的進(jìn)展。目前，焊接熱影響區(qū)軟化問(wèn)題已經(jīng)超越脆化問(wèn)題，成為影響X80管線鋼管質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題。焊接熱影響區(qū)軟化問(wèn)題的研究將對(duì)X80管線鋼成分、組織性能設(shè)計(jì)以及鋼管焊接工藝設(shè)計(jì)帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。

2 X80直縫埋弧焊管焊接熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象

焊接熱影響區(qū)軟化是指焊接后焊縫兩側(cè)母材受熱區(qū)域材料的硬度低于母材原始硬度的現(xiàn)象，即材料變軟，稱為焊接熱影響區(qū)軟化[5-6]。軟化并非發(fā)生在整個(gè)焊接熱影響區(qū)，而是主要發(fā)生在焊接熱循環(huán)條件下，材料發(fā)生重新再結(jié)晶的區(qū)域。熱影響區(qū)軟化本身是一個(gè)相對(duì)概念，軟化的程度既與自身組織轉(zhuǎn)變有關(guān)，更受到母材組織性能的影響。軟化意味著弱化，即強(qiáng)度的降低。當(dāng)軟化達(dá)到一定程度時(shí)，可能對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件的安全性和使用壽命造成一定影響。

2.1 焊接接頭維氏硬度分布規(guī)律

焊接接頭硬度試驗(yàn)表明，在熱影響區(qū)距離熔合線一定位置出現(xiàn)了明顯的硬度降低。圖1為典型的X80雙面直縫埋弧焊管焊接接頭宏觀形貌及相應(yīng)位置的硬度分布情況。由圖1可以看出，硬度最低點(diǎn)出現(xiàn)在熱影響區(qū)外輪廓區(qū)域，距離焊縫熔合線3~4 mm，寬度約為1 mm。研究表明，該區(qū)域?yàn)楹附訜嵊绊憛^(qū)重新結(jié)晶區(qū)。緊鄰熔合線的焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)硬度稍高于母材硬度，未發(fā)生軟化。

圖1 焊接接頭硬度分布規(guī)律

圖2為焊接接頭不同位置的顯微組織。圖2（a）為緊鄰熔合線位置的熱影響區(qū)顯微組織，主要為粒狀貝氏體組織，可見明顯的原始奧氏體晶界，原始奧氏體晶粒粗大，該位置被稱為焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)。圖2（b）為距離熔合線約3 mm的熱影響區(qū)組織，主要由細(xì)小的等軸鐵素體構(gòu)成，在鐵素體晶界有少量的馬奧組織，該位置也被稱為熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)。由于粗晶區(qū)原始奧氏體晶粒粗大，形成的二次粒狀貝氏體硬度較高，因此未表現(xiàn)出軟化現(xiàn)象；而細(xì)晶區(qū)形成細(xì)小鐵素體組織，硬度較低，因此表現(xiàn)為軟化。

圖2 焊接接頭不同區(qū)域顯微組織

2.2 焊接接頭斷裂位置

焊接接頭拉伸試樣的測(cè)試部分包含母材、焊縫及熱影響區(qū)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果既是對(duì)整個(gè)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的一個(gè)檢驗(yàn)，也是對(duì)所包含的3個(gè)區(qū)域相對(duì)強(qiáng)度的檢驗(yàn)。當(dāng)某一個(gè)區(qū)域強(qiáng)度相對(duì)較低時(shí)，拉伸試驗(yàn)過(guò)程中徑縮和斷裂將發(fā)生在此區(qū)域。因此，焊接接頭斷裂位置可表明母材、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)域的相對(duì)強(qiáng)度。以往的X70及以下級(jí)別管線鋼焊接接頭拉伸試樣均在母材位置發(fā)生斷裂，如圖3（a）所示，表明焊縫及熱影響區(qū)的強(qiáng)度高于母材。然而，自西氣東輸二線以來(lái)，X80管線鋼管焊接接頭拉伸試樣90%以上均斷裂于熱影響區(qū)位置，如圖3（b）所示。從試樣徑縮及斷裂的位置和形狀看，徑縮和斷裂均發(fā)生在緊鄰熔合線，但距離熔合線約3~5 mm的區(qū)域，該區(qū)域與硬度試驗(yàn)證明的熱影響區(qū)軟化位置一致。這表明該區(qū)域強(qiáng)度低于焊縫及母材的強(qiáng)度，焊接接頭斷裂強(qiáng)度可以看作是焊接熱影響區(qū)宏觀抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，盡管斷裂強(qiáng)度符合鋼管斷裂強(qiáng)度的最低要求，但與母材斷裂強(qiáng)度相比，焊接接頭斷裂強(qiáng)度明顯偏低。

圖3 直縫埋弧焊管焊接接頭拉伸試樣斷裂形貌

3 熱影響區(qū)軟化導(dǎo)致的彎曲不合格及分析

盡管自X80研制開始就出現(xiàn)了較為明顯的熱影響區(qū)軟化趨勢(shì)，開始并未因此導(dǎo)致批量鋼管產(chǎn)品不合格，所以，關(guān)于熱影響區(qū)軟化的危害及技術(shù)預(yù)防措施并未受到鋼廠和制管廠的高度重視。

2012年，在某重點(diǎn)管道工程項(xiàng)目X80直縫埋弧焊管生產(chǎn)過(guò)程中，有一批X80鋼板在制管后進(jìn)行理化性能檢驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)批量導(dǎo)向彎曲不合格的現(xiàn)象。由于該項(xiàng)目前期已經(jīng)采用了多家鋼廠的原料進(jìn)行同規(guī)格鋼管的生產(chǎn)，技術(shù)人員對(duì)于鋼管制造過(guò)程的幾何尺寸控制、焊接參數(shù)等進(jìn)行了檢查核實(shí)，并未發(fā)現(xiàn)異常情況。焊接熱影響區(qū)的韌性試驗(yàn)結(jié)果也表明夏比沖擊功平均在200 J以上，并非熱影響區(qū)脆化所致。

圖4 焊接接頭導(dǎo)向彎曲試樣

該批鋼管導(dǎo)向彎曲試樣如圖4所示。由圖4可以看出，幾乎所有導(dǎo)向彎曲試樣試驗(yàn)后均在焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)部位出現(xiàn)明顯兩道凹槽，類似拉伸過(guò)程的徑縮，寬度約2~3 mm。發(fā)生彎曲開裂的試樣，裂紋均出現(xiàn)在熱影響區(qū)凹陷位置，從斷口形貌來(lái)看，均以塑性斷裂為主，裂紋處未見明顯的脆性開裂特征。初步分析認(rèn)為，造成彎曲開裂的主要原因可能是焊接熱影響區(qū)嚴(yán)重軟化導(dǎo)致彎曲過(guò)程中塑性變形集中在熱影響區(qū)熔合線附近，由于過(guò)變形導(dǎo)致的塑性開裂。

對(duì)該批鋼管母材、焊接接頭拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，圖5為母材、焊接接頭抗拉強(qiáng)度對(duì)比情況。由圖5可以看出，鋼管母材抗拉強(qiáng)度均高于焊接接頭。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，母材平均抗拉強(qiáng)度為745 MPa，焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度為690 MPa，母材平均高出55 MPa，可見本批鋼管焊接熱影響區(qū)軟化較為嚴(yán)重。

圖5 鋼管母材、焊接接頭抗拉強(qiáng)度分布

彎曲不合格鋼管母材、焊接接頭抗拉強(qiáng)度見表1。由表1可見，彎曲不合格鋼管焊接接頭熱影響區(qū)軟化程度平均值為68 MPa，高出了本批鋼管平均軟化程度，最大軟化程度達(dá)95 MPa，結(jié)果表明，熱影響區(qū)軟化越嚴(yán)重，發(fā)生彎曲開裂的幾率越大。需要指出的是，盡管絕大部分彎曲不合格的鋼管母材和焊接接頭抗拉強(qiáng)度差值均高出鋼管的平均差值，但數(shù)據(jù)上并不存在嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。比如38#試樣焊接接頭抗拉強(qiáng)度比母材低45 MPa，導(dǎo)向彎曲開裂；而某根鋼管焊接接頭抗拉強(qiáng)度比母材低70 MPa，卻沒(méi)有發(fā)生開裂。這與母材拉伸試樣和焊接接頭拉伸試樣取樣位置的差異、材料性能不均勻、試驗(yàn)誤差以及材料韌性、塑性差異等因素有關(guān)。

表1 彎曲不合格鋼管母材、焊接接頭拉伸性能

表2為不同廠家鋼板制管后拉伸性能對(duì)比結(jié)果，其中D鋼板出現(xiàn)彎曲不合格，其余幾家的鋼板在制管過(guò)程中均未出現(xiàn)彎曲不合格。從表2可以看出，A鋼板和C鋼板制管后焊接接頭抗拉強(qiáng)度高于母材，未發(fā)生宏觀上的軟化現(xiàn)象；B鋼板制管后焊接接頭平均軟化10 MPa；D鋼板制管后焊接接頭平均軟化55 MPa，同時(shí)發(fā)生了批量彎曲不合格。通過(guò)統(tǒng)計(jì)和對(duì)比可以看出，熱影響區(qū)軟化與彎曲開裂存在直接關(guān)系。

表2 不同廠家鋼板制管后拉伸性能對(duì)比

另外，X80鋼級(jí)Φ1 219 mm×22 mm直縫埋弧焊管導(dǎo)向彎曲開裂也與熱影響區(qū)軟化有關(guān)。圖6為鋼管母材抗拉、焊接接頭抗拉強(qiáng)度對(duì)比圖。母材抗拉強(qiáng)度比焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均高46 MPa。其中有3組彎曲試樣在6倍壁厚導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)后沿?zé)嵊绊憛^(qū)出現(xiàn)塑性開裂，其焊接接頭抗拉強(qiáng)度比母材抗拉強(qiáng)度分別低85 MPa、84 MPa和65 MPa。

圖6 鋼管母材、焊接接頭抗拉強(qiáng)度對(duì)比圖

4 影響X80鋼焊接熱影響區(qū)軟化的因素分析

焊接過(guò)程本身是一個(gè)特殊的熱處理過(guò)程。從熱處理原理可知，合金成分、熱循環(huán)參數(shù)（由焊接線能量決定）是影響后續(xù)組織性能的關(guān)鍵因素。合金元素對(duì)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變溫度及二次相變組織具有重要影響，合金元素含量越高，材料淬透性越好，則奧氏體化后相變溫度越低，形成的組織強(qiáng)度越高；而合金元素較低時(shí)，奧氏體化后轉(zhuǎn)變溫度較高，形成的組織硬度及強(qiáng)度較低。焊接線能量越高，熱影響區(qū)冷卻速率越慢，熱影響區(qū)高溫停留時(shí)間越長(zhǎng)，晶粒長(zhǎng)大越明顯，奧氏體化后冷卻轉(zhuǎn)變溫度越高，形成的組織強(qiáng)度越低；反之，焊接線能量越低，熱影響區(qū)冷卻速率越快，熱影響區(qū)高溫停留時(shí)間越短，奧氏體晶粒越細(xì)小，奧氏體過(guò)冷度大，相變溫度越低，形成的組織硬度及強(qiáng)度越高。

4.1 X80鋼焊接熱影響區(qū)軟化的熱模擬研究

采用GLeeble熱模擬方法研究了兩種不同成分的X80級(jí)、厚度22 mm鋼板在不同焊接熱輸入條件下、不同峰值溫度區(qū)域熱影響區(qū)的性能。兩種鋼的主要化學(xué)成分見表3。A鋼的原始屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別為585 MPa和680 MPa；B鋼的原始屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別為570 MPa和680 MPa。采用兩種焊接線能量分別為4.0 kJ/mm、5.5 kJ/mm。由于焊接熱影響區(qū)韌性優(yōu)良，不存在實(shí)質(zhì)問(wèn)題，因此只對(duì)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

表3 兩種不同成分試驗(yàn)用鋼的主要化學(xué)成分

圖7和圖8分別為屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度與焊接線能量及峰值溫度的關(guān)系。

圖7 屈服強(qiáng)度與焊接線能量及峰值溫度的關(guān)系

圖8 抗拉強(qiáng)度與焊接線能量及峰值溫度的關(guān)系

從圖7和圖8可以看出，無(wú)論是屈服強(qiáng)度還是抗拉強(qiáng)度，均在峰值溫度為900~1 000℃范圍內(nèi)出現(xiàn)最低值。高于或低于該溫度，熱影響區(qū)的強(qiáng)度逐步升高。這是由于該區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)完全再結(jié)晶區(qū)，焊接加熱過(guò)程奧氏體化后晶粒細(xì)小，冷卻相變溫度較高，二次組織細(xì)小，硬度、強(qiáng)度較低，即熱影響區(qū)軟化區(qū)。

從圖7和圖8還可以看出，隨著焊接線能量增加，熱影響區(qū)軟化區(qū)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均下降。即使在焊接線能量為4.0 kJ/mm時(shí)，熱影響區(qū)軟化區(qū)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度也有一定程度的下降，尤其是屈服強(qiáng)度已經(jīng)低于制管后鋼管的屈服強(qiáng)度下限要求。

對(duì)比兩種鋼在相同條件下熱影響區(qū)的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，相同峰值溫度條件下兩種鋼熱影響區(qū)屈服、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異，B鋼焊接熱影響區(qū)的抗拉強(qiáng)度在同等條件下均高于A鋼。這種差異主要是因?yàn)楹辖鹪匾约霸冀M織的差異引起的。盡管兩種鋼碳當(dāng)量接近，但B鋼中碳元素對(duì)于碳當(dāng)量的貢獻(xiàn)要高于A鋼，而碳元素對(duì)于焊接熱過(guò)程熱影響區(qū)奧實(shí)體化及冷卻相變組織的影響顯著強(qiáng)于其它合金元素，這可能是導(dǎo)致B鋼熱影響區(qū)強(qiáng)度高于A鋼的原因。

4.2 合金成分與焊接接頭拉伸性能的統(tǒng)計(jì)研究

合金元素對(duì)X80管線鋼焊接熱影響區(qū)的拉伸性能起到重要影響，然而由于管線鋼中添加的合金元素種類多，不同合金元素對(duì)鋼的組織性能影響存在差異，且合金元素之間存在交互作用，因此建立合金元素與焊接熱影響區(qū)拉伸性能之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律十分復(fù)雜?？紤]到合金元素提高鋼的淬透性的作用是影響強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，因此筆者以碳當(dāng)量代表整個(gè)合金元素，研究其與焊接熱影響區(qū)拉伸性能之間的關(guān)系。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法，研究了不同鋼廠、不同合金成分的鋼板制造的X80級(jí)Φ1 219 mm×22 mm鋼管焊接接頭拉伸性能與碳當(dāng)量之間的關(guān)系[7-10]。圖9給出了焊接接頭抗拉強(qiáng)度與Ceq及Pcm的關(guān)系。

圖9 Ceq和Pcm對(duì)焊接接頭拉伸性能的影響

由圖9可見，焊縫的抗拉強(qiáng)度與Ceq和Pcm呈線性關(guān)系，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果建立抗拉強(qiáng)度與Ceq和Pcm的關(guān)系式為

從大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，焊接接頭拉伸強(qiáng)度隨著Ceq和Pcm的升高而升高，這也表明合金元素對(duì)焊接接頭的拉伸強(qiáng)度具有重要影響。

4.3 焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度與母材強(qiáng)度之間的關(guān)系

盡管合金成分對(duì)焊接熱影響區(qū)的拉伸性能起關(guān)鍵作用，但在實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，同一合金成分條件下，焊接熱影響區(qū)的斷裂強(qiáng)度也存在較大的差異。圖10為X80鋼管母材、焊接熱影響區(qū)抗拉強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)分布規(guī)律，圖11為母材抗拉強(qiáng)度與焊接熱影響區(qū)軟化強(qiáng)度之間的關(guān)系。從圖10可以看出，隨著母材抗拉強(qiáng)度的升高，熱影響區(qū)抗拉強(qiáng)度隨之也有小幅的升高，但熱影響區(qū)抗拉強(qiáng)度的變化范圍明顯小于母材抗拉強(qiáng)度的變化范圍。

圖10 X80鋼管母材、焊接熱影響區(qū)抗拉強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)分布規(guī)律

圖11 母材抗拉強(qiáng)度與焊接熱影響區(qū)軟化強(qiáng)度之間的關(guān)系

由于宏觀焊接接頭在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中受力狀態(tài)復(fù)雜，盡管軟化區(qū)在拉伸過(guò)程中先受力變形，但當(dāng)軟化區(qū)加工硬化后達(dá)到臨近的臨界粗晶區(qū)和未完全再結(jié)晶區(qū)的強(qiáng)度時(shí)，將引起其他區(qū)域的協(xié)調(diào)變形；另一方面，由于焊接過(guò)程是一個(gè)快速加熱、快速冷卻的特殊熱處理過(guò)程，即使在稱為完全再結(jié)晶區(qū)的區(qū)域，仍可能存在部分原始母材組織未發(fā)生完全的轉(zhuǎn)變；完全再結(jié)晶區(qū)的奧氏體再結(jié)晶以及晶粒的大小受到原始母材組織的影響。因此，母材的原始組織性能對(duì)焊接熱影響區(qū)的組織性能將起到一定的影響。從實(shí)際情況看，母材的強(qiáng)度越高，焊接接頭的斷裂強(qiáng)度相對(duì)也越高，但熱影響區(qū)的相對(duì)軟化也越嚴(yán)重。

5 改善焊接熱影響區(qū)軟化問(wèn)題的措施

X80鋼焊接熱影響區(qū)軟化的熱模擬研究結(jié)果表明，對(duì)于既定成分和性能的鋼板，改善焊接熱影響區(qū)軟化的有效途徑是降低焊接線能量。針對(duì)某批X80直縫埋弧焊管彎曲試驗(yàn)出現(xiàn)批量不合格的情況，開展了降低焊接線能量相關(guān)技術(shù)研究工作。通過(guò)優(yōu)化焊接坡口設(shè)計(jì)、焊接電流、電壓等參數(shù)，在確保焊縫形貌和內(nèi)在質(zhì)量的情況下，將焊接線能量降低為原有工藝的87%。

由于江浙地區(qū)的貨代企業(yè)數(shù)量較多，競(jìng)爭(zhēng)激烈。同時(shí)，由于杭州大力進(jìn)行環(huán)境整治，不少企業(yè)被關(guān)停、拆遷，貨代行業(yè)受到了不少的沖擊。近年來(lái)，HM國(guó)際貨代公司貨運(yùn)代理業(yè)務(wù)量逐年減少，無(wú)法與港口、船運(yùn)公司以及其他服務(wù)公司簽訂長(zhǎng)期有效的合同。例如，HM國(guó)際貨代公司往往需要委托人下訂單后，再向船運(yùn)公司預(yù)定運(yùn)輸艙位。但如果客戶要求的運(yùn)輸時(shí)間較急，可能會(huì)面臨貨船已經(jīng)滿倉(cāng)的問(wèn)題。為能按時(shí)發(fā)貨，HM公司不能不提高價(jià)格，預(yù)定能按時(shí)出發(fā)的貨船。由于運(yùn)輸成本的增加，HM公司會(huì)提高對(duì)客戶的服務(wù)價(jià)格，臨時(shí)性地抬價(jià)常常導(dǎo)致新老客戶的流失。究其原因，主要是HM國(guó)際貨代公司對(duì)貨運(yùn)運(yùn)輸各個(gè)環(huán)節(jié)缺乏掌控能力。

降低焊接線能量后，焊接接頭斷裂強(qiáng)度平均提高了25 MPa，焊接熱影響區(qū)軟化降低了24 MPa，一定程度上改善了焊接熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象。改進(jìn)工藝前、后鋼管母材及焊接接頭拉伸性試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 焊接線能量對(duì)熱影響區(qū)軟化的影響

經(jīng)過(guò)改進(jìn)工藝后，大大降低了導(dǎo)向彎曲不合格數(shù)量。圖12為采用低線能量焊接工藝后焊接接頭導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)（彎芯直徑6t）后的試樣。從圖12可以看出，盡管在焊接熔合線兩側(cè)熱影響區(qū)仍能看到存在變形凹陷區(qū)域，但與圖4中的變形凹陷相比情況要好得多，可以看出焊接接頭區(qū)域變形比較均勻，避免了導(dǎo)向彎曲開裂。

圖12 改進(jìn)工藝后焊接接頭導(dǎo)向彎曲試樣

6 結(jié) 論

（1）近年來(lái)，隨著裝備能力的提升以及控軋、控冷工藝技術(shù)的進(jìn)步，X80管線鋼中合金元素的含量呈不斷下降的趨勢(shì)。受合金元素含量下降的影響，X80直縫埋弧焊管焊接熱影響區(qū)軟化問(wèn)題日益突出。

（2）為控制焊后熱影響區(qū)軟化，母材的合金設(shè)計(jì)必須充分考慮到當(dāng)前焊接工藝條件下焊接熱影響區(qū)的軟化問(wèn)題。同時(shí)，在既定的合金設(shè)計(jì)情況下，強(qiáng)度控制要與母材合金成分、焊接后熱影響區(qū)的強(qiáng)度相適應(yīng)，一味地通過(guò)軋制、超快冷技術(shù)提高母材強(qiáng)度，不但對(duì)鋼管整體性能無(wú)益，而且可能帶來(lái)嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題。

（3）為適應(yīng)當(dāng)前管線鋼制造技術(shù)的進(jìn)步，焊接工藝必須進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，降低焊接熱輸入是改善焊接熱影響區(qū)軟化的有效途徑，開發(fā)適應(yīng)當(dāng)前和未來(lái)低合金、高強(qiáng)度管線鋼的低線能量焊接工藝技術(shù)迫在眉睫。

（4）對(duì)于管線鋼管而言，鋼板合金設(shè)計(jì)、軋制冷卻工藝、制管工藝、焊接工藝等是一個(gè)有機(jī)的整體，其中一個(gè)因素變化必有聯(lián)動(dòng)的因素變化。開展板管一體化研究是研發(fā)制造優(yōu)質(zhì)、低成本管線鋼管的必要前提。

（5）盡管筆者僅提及了X80鋼焊接熱影響區(qū)軟化問(wèn)題，但也對(duì)X90、X100管線鋼焊接熱影響區(qū)的軟化進(jìn)行了研究，同樣存在較嚴(yán)重的軟化問(wèn)題。近期的X70鋼管生產(chǎn)檢驗(yàn)表明，熱影響區(qū)的軟化現(xiàn)象同樣日益突出。國(guó)內(nèi)的管線鋼、鋼管制造企業(yè)和研究設(shè)計(jì)單位應(yīng)高度關(guān)注今后高強(qiáng)管線鋼焊接熱影響區(qū)軟化問(wèn)題，開展系統(tǒng)的研究工作，不斷提高我國(guó)高強(qiáng)度管線鋼管整體質(zhì)量。

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編輯：李紅麗

我國(guó)“十三五”期間將實(shí)施綜合管廊等12項(xiàng)市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

《全國(guó)城市市政基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃建設(shè)“十三五”規(guī)劃》提出，將全面改造使用年限超過(guò)50年、材質(zhì)落后、漏損嚴(yán)重、瓶頸管段的供水管網(wǎng)，因地制宜推進(jìn)雨污分流管網(wǎng)改造和建設(shè)，對(duì)暫不具備分流改造條件的，要建設(shè)節(jié)流干管，適當(dāng)加大截流倍數(shù)。對(duì)存在事故隱患的供熱、燃?xì)?、電力、通信等地下管線進(jìn)行維修、更換和升級(jí)改造。

在城市新區(qū)、各類園區(qū)和成品開發(fā)區(qū)域，新建道路必須同步建設(shè)地下綜合管廊，老城區(qū)也要因地制宜推動(dòng)綜合管廊建設(shè)。在交通流量較大、地下管線密集的城市道路、城市道路、軌道交通、地下綜合體等地段，城市高強(qiáng)度開發(fā)區(qū)、重要公共空間、主要道路交叉口、道路與鐵路或河流的交叉處，以及道路寬度難以單獨(dú)敷設(shè)多種管線的路段，優(yōu)先建設(shè)地下綜合管廊。

海綿城市的建設(shè)也將是“十三五”時(shí)期城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)工程之一，《規(guī)劃》提出，將推廣海綿型建筑與小區(qū)，因地制宜采取屋頂綠化、雨水調(diào)蓄與收集利用、微地形等措施，提高建筑與小區(qū)的雨水積存和蓄滯能力。

自2015年開始，各大城市均在不同程度進(jìn)行海綿城市規(guī)劃，2016年，陜西、江西、江蘇、河南、安徽、河北、浙江等省份也加入了海綿城市建設(shè)的步伐。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年多省份海綿城市等重點(diǎn)項(xiàng)目投資累計(jì)超14萬(wàn)億元。到2020年，預(yù)測(cè)我國(guó)海綿城市建設(shè)市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)2萬(wàn)億元。

（李 超摘自中國(guó)鋼管網(wǎng)）

X80 Pipeline Steel Welding Heat Affected Zone Softening Research

CHEN Xiaowei1,WANG Xu1,WANG Lizhu1,LIU Jianwei1,YANG Kui1,LI Guopeng2
（1.Bohai Equipment Julong Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China;2.Bohai Equipment Steel Pipe Research Institute,Qingxian 062658,Hebei,China）

TG406

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.06.001

2017－03－28

陳小偉（1977—），男，工學(xué)博士，高級(jí)工程師，中石油高級(jí)技術(shù)專家，主要從事高鋼級(jí)管線鋼及直縫埋弧焊管的研發(fā)和制造工作。