(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

·經(jīng)驗(yàn)交流·

高強(qiáng)度焊絲和管線焊接金屬的吸氫能力

馬小芳編譯

(中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

研究了壓力為1 000 MPa的管道上使用的高強(qiáng)度焊絲和焊接金屬的吸氫能力，通過將氫氣阱應(yīng)用于高強(qiáng)度焊接金屬來防止管道高強(qiáng)度焊接金屬出現(xiàn)冷裂紋?；鼗饻囟?00℃為的焊絲在陰極充電后立即進(jìn)行氫化反應(yīng)，在45℃保持72 h后達(dá)到最大值。特別的，回火溫度600℃為的焊絲在45℃保持72 h后，溶液濃度為2ppm。通過透射電子顯微鏡(TEM)觀察和電子分散光譜(EDS)分析，通過鉬和碳化鉻識別了氫阱位置，因?yàn)楹附z在600℃的回火溫度下，硬度最大。確認(rèn)了管道高強(qiáng)度焊接金屬中氫氣阱是由于氫化反應(yīng)產(chǎn)生的。

氫氣阱; 高強(qiáng)度焊接金屬; 冷裂紋; 管線; 沉淀物; 鉬和鉻碳化物

0 引 言

眾所周知，管道的高強(qiáng)度焊接金屬有時(shí)會發(fā)生冷裂紋。為了防止冷裂紋，降低焊接金屬的強(qiáng)度，進(jìn)行焊接金屬的預(yù)熱或后加熱是非常有效的。然而，當(dāng)與基礎(chǔ)物質(zhì)高強(qiáng)匹配時(shí)，降低強(qiáng)度是非常困難的。此外，進(jìn)行焊接金屬的預(yù)熱或加熱會增大成本。因此，有必要提出除了降低強(qiáng)度，進(jìn)行預(yù)熱或后加熱外，可以用于開發(fā)管線的高強(qiáng)度焊接金屬的一些想法。本研究的目的是追求高強(qiáng)度焊接金屬的氫氣阱的可能性。據(jù)報(bào)道，氫氣阱可用于防止高強(qiáng)度金屬的冷裂。例如，碳?xì)錃饣衔锶缣蓟C，碳化鈦，氧化釔等氧化物和奧氏體都被用于氫阱區(qū)。通過應(yīng)用高強(qiáng)度焊接金屬的氫氣阱位置可以提高冷裂紋敏感性。因此，本文詳細(xì)研究了回火溫度對雙埋弧焊接的焊絲和焊縫金屬在陰極充電后以及在45°氫中保持72 h后的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 材料

本研究采用高強(qiáng)度金屬使用的外徑4 mm的高強(qiáng)度焊絲。 焊絲的化學(xué)成分由低碳、高錳、鉬、鉻和鎳組成。 該焊絲在1 300℃下進(jìn)行30 min固溶處理，并從250℃回火至700℃。

1.2 焊接

DSAW采用高強(qiáng)度板和高強(qiáng)度焊絲。 高強(qiáng)度板的化學(xué)組成為0.04C-1.9Mn-0.3Mo-Nb-Ti-B鋼。 表1顯示了高強(qiáng)度板和焊接金屬的化學(xué)成分。 使用熱解吸光譜(TDS)分析測量在DSAW中在45℃保持72 h后焊縫金屬內(nèi)的氫濃度，以確定是否存在氫阱點(diǎn)。

表1 基本金屬和焊接金屬的化學(xué)成份(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.3 陰極充電測量

進(jìn)行恒電荷充電。 試驗(yàn)溶液為3 %NaCl和3 g/L NH 4 SCN。 施加的電流密度為1.1 mA/cm2(11A/m2)。 充電時(shí)間為100 h。使用TDS分析測定恒電流充電后的氫濃度，恒電流充電后在45℃下保持72 h。

1.4 硬度測量

研究了回火后焊絲的硬度，以研究回火溫度對硬度的影響。 對線的橫截面進(jìn)行硬度試驗(yàn)。 使用10 kg(98N)的載荷進(jìn)行五點(diǎn)硬度試驗(yàn)。

1.5 TEM觀察

在電解蝕刻后，對700℃回火焊絲進(jìn)行透射電子顯微鏡(TEM)觀察，以便確認(rèn)析出物為氫阱區(qū)。

2 結(jié)果和討論

2.1 陰極充電結(jié)果

研究了焊絲回火溫度對陰極充電后立即進(jìn)行氫濃度試驗(yàn)的影響。圖1顯示了不同回火溫度下，焊接金屬在陰極充電后的氫析出曲線。 最高氫濃度在回火溫度為600℃。 析氫峰值溫度曲線顯示100℃無回火。 隨著回火溫度的升高，峰值溫度轉(zhuǎn)變到更高的溫度，回火溫度為600℃的析氫曲線的峰值溫度最高。 之后，隨著回火溫度的升高，峰值溫度變?yōu)檩^低溫度。 因此，認(rèn)為在600℃的回火溫度下存在氫阱區(qū)。

圖1 陰極充電后立即進(jìn)行不同回火溫度的焊絲的析氫速率

還研究了焊絲回火溫度對陰極充電后在45℃保持72 h的氫濃度的影響。圖2顯示了在焊絲的不同回火溫度下陰極充電后，在45℃下保持72 h的氫析出曲線。最高氫濃度在回火溫度為600℃時(shí)出現(xiàn)。焊絲在550℃，600℃，650℃下，的回火溫度下檢測出大量的氫。析氫曲線的峰值溫度為150℃，與回火溫度無關(guān)。因此，這表明在550℃至650℃的回火溫度下存在氫阱區(qū)。

圖2 陰極充電后保持45℃72 h后，不同回火溫度 的焊絲的析氫速率

焊絲回火溫度對陰極充電后立即氫濃度測試的影響如圖3所示。焊絲回火溫度對陰極充電后在45℃保持72 h的氫氣濃度的影響氫濃度約為2 ppm，與回火溫度高達(dá)500℃無關(guān)，均保持恒定。在回火溫度為600℃時(shí)顯示最大氫濃度為10 ppm。之后，氫氣濃度隨著回火溫度的升高而降低。另一方面，觀察到在陰極充電后在45℃下保持72 h的氫濃度，與回火溫度高達(dá)500℃無關(guān)。最高氫濃度為2 ppm，回火溫度為600℃。之后，隨著回火溫度的升高，氫濃度降低在700℃的回火溫度下觀察到氫濃度。

圖3 陰極充電后焊縫金屬絲回火溫度對氫濃度的影響

回火溫度對硬度的影響如圖4所示。在回火溫度600℃時(shí)觀察到最大硬度。 因此，這表明沉淀物的氫阱位置存在于1 300℃下經(jīng)過半小時(shí)的固溶處理后在600℃回火的高強(qiáng)度焊絲。 高強(qiáng)度焊絲的析出物的氫阱區(qū)的氫濃度為2 ppm。

圖4 回火溫度對焊縫金屬絲硬度的影響

2.2 TEM觀察

結(jié)果表明，沉淀物在600℃回火的焊絲的氫氣阱，陰極充電后在45℃下保持72 h后的最大氫濃度出現(xiàn)在回火溫度為600℃時(shí)，焊絲在600℃的回火溫度下硬度最大。進(jìn)行TEM觀察，以便確定氫氣阱在600℃回火的焊絲的析出物。因?yàn)橐子谧R別沉淀物，觀察到在700℃過度老化的沉淀物。在700℃下過度老化的樣品的TEM圖如圖5所示。在圖5(a)中觀察到尺寸為0.1 μm的針狀沉淀。然后，對700℃的析出物和基質(zhì)過度老化進(jìn)行EDS分析。如圖5(b)和(c)所示，與EDS分析的基體相比，沉淀物的鉬濃度和鉻濃度富集。沉淀物的鉬濃度比基體的鉬濃度高四倍。此外，析出物的鉻濃度比基體的鉻濃度高1.3倍。析出物的電子衍射圖如圖5(d)所示。在700℃過度老化的沉淀物確認(rèn)為(Mo，Cr)2C，其為六方密堆積(hcp)結(jié)構(gòu)。因此，結(jié)果表明，精細(xì)(Mo，Cr)2C的析出物在2 ppm的氫濃度下出現(xiàn)。

圖5 700℃回火焊絲的TEM觀察

2.3 焊接后焊接金屬的氫濃度

采用高強(qiáng)度SAW線和1 000 MPa的高強(qiáng)度板研究了DSAW后焊縫金屬內(nèi)的吸氫能力。如上所述，在600℃回火的焊絲處檢測到在2 ppm時(shí)在45℃保持72 h的氫濃度。在600℃的回火溫度下，應(yīng)該會形成通過(Mo，Cr)2C的非常細(xì)的沉淀物。因此，(Mo，Cr)2C在氫氣阱，在2 ppm的氫濃度下出現(xiàn)。沉淀物的氫氣阱與沉淀物的一致性相關(guān)。非常細(xì)的(Mo，Cr)2C被認(rèn)為在回火溫度為600℃時(shí)沉淀，因?yàn)樵诨鼗饻囟葹?00℃時(shí)表現(xiàn)出的硬度最大。因此，認(rèn)為在600℃下析出的非常細(xì)的(Mo，Cr)2C為氫阱區(qū)。由于進(jìn)化速率對析氫曲線的峰值溫度的影響還沒有研究過，未測量在600℃回火的氫阱結(jié)合能量。這是未來學(xué)習(xí)的課題。

然而，焊接金屬的氫濃度與SAW線的氫濃度完全不同，因?yàn)楹附咏饘俚幕瘜W(xué)組成由SAW線和基礎(chǔ)金屬的化學(xué)成份構(gòu)成。研究了DSAW外部焊接熱輸入對DSAW后在45℃保持72 h的氫氣濃度的影響，以確定當(dāng)熱輸入時(shí)，氫氣濃度是恒定的。圖6顯示了DSAW后45℃，72 h后兩種焊接條件的析氫速率曲線。DSAW后在45℃保持條件B的外部焊縫的熱輸入的氫濃度為0.05 ppm。另一方面，DSAW后45℃，條件A的外部焊縫的熱輸入的氫濃度為0.2 ppm。因此，氫濃度為0.2 ppm的位置確認(rèn)為氫氣阱。然而，作為氫氣阱的焊接金屬的氫濃度是焊絲的十分之一。焊接金屬的氫濃度低于焊絲的原因，一個(gè)是焊縫金屬的鉬和鉻濃度低于焊絲的鉬和鉻濃度；另外一個(gè)是，DSAW外部焊縫的回火時(shí)間相當(dāng)短，盡管本研究中焊絲回火10 min。不進(jìn)行氫濃度為0.2 ppm的內(nèi)部焊接金屬作為氫氣阱的TEM觀察。這也是未來學(xué)習(xí)的主題。實(shí)際的DSAW證實(shí)了高強(qiáng)度管線焊縫金屬的氫阱位置。如果焊接金屬的臨界氫濃度與DSAW期間的入侵氫濃度相比降低，則發(fā)生冷裂紋。隨著DSW中入侵氫濃度的降低，認(rèn)為氫氣阱可以防止焊縫金屬冷裂紋。因此，建議采用氫氣阱作為多道焊來防止高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生冷裂紋。

圖6 焊接后,45℃保持72 h后,外部焊縫具有不同熱 輸入的實(shí)際DSAW的析氫速率

3 結(jié) 論

研究了高強(qiáng)度焊接金屬在1 000 MPa下對管線管的吸氫能力，以便通過向高強(qiáng)度焊接金屬施加氫氣阱來防止管道的高強(qiáng)度焊接金屬的冷裂紋。 主要結(jié)論如下：

1)陰極充電后立即進(jìn)行氫濃度測試，45℃下保持72 h后的氫濃度在回火溫度為600℃時(shí)最大。在45℃下保持72 h后的氫濃度在回火溫度為600℃時(shí)為2 ppm。

2)通過TEM分析，用鉬和鉻碳化物鑒定了氫氣阱，因?yàn)樽罡哂捕仍诨鼗饻囟葹?00℃時(shí)最大。

3)由管道的高強(qiáng)度焊接金屬確認(rèn)了由氫氣阱引起氫濃度的變化。

本文譯自TAKUYAH，MASAAKISandKOUICHIS.HydrogenAbsorptionCapabilityofHighStrengthWeldWireandWeldMetalforLinePipe，ProceedingsoftheTwenty-fourth(2014)InternationalOceanandPolarEngineeringConference,Busan, Korea, June 15-20, 2014:90-93.

HydrogenAbsorptionCapabilityofHighStrengthWeldWireandWeldMetalforLinePipe

MAXiaofang

(CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China)

The hydrogen absorption capability of high-strength weld wire and weld metal with 1000 MPa for line pipes was investigated in order to prevent the cold-cracking of high-strength weld metal for line pipes by applying hydrogen traps to high-strength weld metal. Hydrogen concentration immediately after cathodic-charging and that after holding for 72 hours at 45℃ indicated the maximum value at the tempering temperature of weld wire at 600℃. Especially, the hydrogen concentration after holding for 72 hours at 45℃ indicated 2 ppm at the tempering temperature of the weld wire at 600℃. A hydrogen trap site was identified with molybdenum and chromium carbide from Transmission Electron Microscope (TEM) observation and Electron Dispersive Spectroscopy (EDS) analysis because the maximum hardness indicated the maximum value at the tempering temperature of the weld wire at 600℃. The hydrogen concentration due to hydrogen traps was confirmed in the high-strength weld metal for line pipes.

hydrogen trap; high-strength weld metal; cold cracking; line pipes; precipitates; molybdenum and chromium carbide

馬小芳，女，1979年生，2008年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，目前主要從事期刊編輯工作。E-mail:maxiaofang@cnpc.com.cn

TG115.3

A

2096-0077(2017)06-0095-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.024

2017-09-20

姜 婷)