X100 高强管线钢焊接性较差，未来发展面临挑战

第一作者单位：中国市政工程第四设计院华北设计研究总院有限公司

摘自《燃气与热力》杂志 2017 年 7 月刊

1 概述

随着世界范围内天然气需求量的不断增长，管线钢进一步向着大口径、高等级发展。为提高管道输送效率、降低管道敷设成本，高等级管线钢将成为未来长距离天然气管道的主要钢种[1]。X100高强度管线钢是控加速冷却状态下的低碳微合金化管线钢，为粒状贝氏体、针状铁素体和M/A岛组成的复杂相组织。通过细晶强化、相变强化、沉淀强化和固溶强化来保证基本的强度要求，通过复杂相组织的合理搭配来提高韧性。与X80级管线钢相比，X100高强度管线钢因强度高、合金成分复杂，普遍焊接性较差。 目前，我国尚无X100级高强度管线钢的制管及管道建设国家标准，但钢铁公司和制管企业已制定了高等级管线钢的冶金设计和制管工艺，以优化钢管的力学性能，满足油气公司对管线钢性能的要求[2-3]。

管道质量对管道的长期安全运行和使用寿命至关重要，而焊接技术是长输管道建设中的一项关键技术。虽然我国X100高强度管线钢已经诞生，现场生产技术日趋成熟，但与发达国家相比还存在较大差距。目前，对X100高强度管线钢焊接技术的研究并不多，焊接技术的研究和应用在国内处于起步阶段。因此，研究X100高强度管线钢的焊接工艺，检验其对焊接技术的适应性，对提高未来X100高强度管线钢的施工技术水平具有重要意义。本文以实际应用为指导。 依据API 1104-2013《管道及相关设施的焊接》（以下简称API 1104-2013）标准，采用STT（表面张力转移）半自动根焊+FCAW（药芯焊丝电弧焊）自保护焊丝半自动填充盖面工艺，在对焊接材料和工艺参数进行试验的基础上，对X100高强管线钢焊接接头的一系列性能进行了研究，旨在为管道焊接提供必要的理论参考和技术支持。

2.焊接工艺准备

①试验管

管道材质为鞍钢生产的低C高Mn微合金化设计的X100螺旋焊埋弧焊钢管，外径1219mm，壁厚18.4mm。X100管化学成分见表1，碳当量按质量分数计为0.28%，裂纹敏感性系数为0.21%。力学性能试验结果见表2（表中硬度均为维氏硬度HV10，300HV10表示在试验力为98.07N的条件下维持10～15s时获得的硬度值为300，以下同）。试样采用夏比V型缺口，试验温度为-20℃。

表1 X100管材化学成分

表2 X100管力学性能试验结果

从表1可以看出，X100高强度管线钢中C元素的质量分数很低，但Mn元素的质量分数较高，可以保证针状铁素体的形成和晶粒的细化，使得X100管线钢在较低的碳含量下具有较高的强度、高的韧性和良好的焊接性；另外S元素的质量分数很低，进一步提高了X100高强度管线钢具有良好的抗H2S腐蚀性能的可能性。

②焊接方法

采用的焊接方法为STT半自动根焊+FCAW自保护焊丝半自动填充盖面。STT根焊是美国林肯公司开发的一种新型下向半自动根焊工艺，采用CO2气体保护，采用表面张力过渡的逆变电源，区别于传统的平特性输出气保焊电源，其焊接工艺特点是电弧燃烧稳定，引弧容易，飞溅和熔渣极少，焊缝成型美观，焊接成本低，焊接效率高[3]。

③ 坡度

X100高强度管线钢坡口形式及装配尺寸如图1所示（图中尺寸单位为mm），坡口采用机械加工保证装配精度，焊接顺序如图2所示（图中尺寸单位为mm）。

图1 X100高强度管线钢坡口形式及装配尺寸

图 2 焊接道次顺序

④焊接材料

现有研究结果表明，焊接高强度管线钢时如果采用低匹配（即所选焊接材料强度低于母材强度），焊缝将产生应变，进而产生裂纹等缺陷[4-5]。因此，焊缝需具有较高的强度，以防止应变导致的裂纹，采用等强度或高匹配。焊接X100高强度管线钢环缝时，应选用强度高、韧性好、氢含量低的焊接材料，降低焊缝金属中残余N、O、H含量，满足焊缝强度要求。基于此，根部焊接材料采用直径1.2 mm ER100S-G焊丝，填充焊和盖面焊接材料采用直径1.2 mm E110T5-K3药芯焊丝。两种焊接材料的化学成分如表3所示。

表3 两种焊接材料的化学成分

3 焊接工艺试验

焊接时根部焊接采用STT半自动焊，保护气体为纯CO2；填充层及盖面层均采用FCAW自保护焊丝半自动焊。对于X100高强度管线钢，当焊接环焊缝满足等强度或高匹配要求时，焊缝金属韧性较差。焊接时必须严格控制热输入和层间温度。因此，焊前需对坡口两侧50mm范围内进行预热，预热温度为100～200℃，层间温度控制在120～250℃。经过多次焊接工艺试验，最终确定的焊接工艺参数如表4所示。

表4 焊接工艺参数

4 焊接接头性能试验结果及分析

4.1 拉伸性能试验

①拉伸性能测定

按照API 1104-2013《管道与相关设施焊接》规定进行拉伸性能试验。每个试样的拉伸强度不得小于所选用管线钢母材的公称拉伸强度（可以小于管线钢母材的实际拉伸强度）。试样断裂后，应观察拉伸断裂位置。如果试样断裂位置发生在母材内，且试验测得的拉伸强度高于管子规定的公称拉伸强度或两者相当，则认为试样合格。如果试样断裂位置不是发生在母材内，而是位于焊缝或熔合区内，试验测得的拉伸强度高于管子规定的公称拉伸强度或两者相当，且截面上未发现缺陷，或缺陷的相关类型和尺寸不影响无损检测，也认为合格[6-8]。 因此对X100高强度管线钢接头拉伸性能试验的最低要求是：获得的接头拉伸强度不得小于X100高强度管线钢的公称拉伸强度，即不小于760MPa。

②拉伸试验结果及分析

拉伸试验结果如表5所示，试样断口均为韧性断口。

表5 拉伸试验结果

从表5可以看出，接头拉伸强度最小为793MPa，最大为824MPa，均高于760MPa，且均有较大余量。从试件断裂部位来看，4个试件中有2个位于焊缝中，2个位于母材中。观察发现，断裂部位在焊缝处的试件，断口处有明显的塑性变形和截面收缩，属于延性断裂。试件1的拉伸断面如图3所示，可见断口处有类似鱼眼的白点。鱼眼是典型的可逆性氢脆，只有在低碳钢焊缝区金属进行拉伸弯曲试验时才能看到，在冲击试验中是看不到的。鱼眼现象对焊缝的影响会降低接头的塑性和韧性。鱼眼是在拉伸和塑性变形过程中诱发的。 通过减少氢来源(包括自由氢)、焊前预热，或进行100～250℃脱氢退火，可以降低焊缝中的H含量，有效防止鱼眼的产生，消除氢脆的产生。

图3 样品1的拉伸截面

除试样1断口处出现类似鱼眼状的白点外，其余试样断口处均未发现明显的焊接缺陷，断裂韧性良好。

X100高强度管线钢焊接接头拉伸试验结果表明,焊接接头抗拉强度与X100钢管相当,实现了与母材的等强匹配。

4.2低温冲击性能试验

冲击韧性是金属材料非常重要的性能。为了考察X100高强度管线钢焊缝金属及热影响区的冲击韧性水平，按照GB/T 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》对接头试样进行冲击韧性试验。试样采用夏比V型缺口，缺口加工位置分别位于焊缝中心和焊接热影响区。试验温度为-20℃。低温冲击性能试验结果见表6。

表6 低温冲击性能试验结果

从表6可以看出，X100高强度管线钢焊接接头焊缝中心处的冲击功最低为116 J，最高为144 J，平均高达130 J；热影响区处的冲击功最低为176 J，最高为198 J，平均高达186 J。 均满足冲击功单值大于等于60 J、平均值大于等于80 J的要求。同时，在试验温度下冲击试验结果的离散性也较小，与平均值的最大偏差仅为14 J。综上所述，该焊接工艺热影响区的冲击功高于焊缝中心处的冲击功，说明热影响区的低温冲击韧性优于焊缝，主要是因为热影响区试样缺口位于焊缝与母材的熔合线上，缺口范围横跨焊缝区、热影响区、母材3个区域。 另外，由于X100高强管线钢母材的冲击韧性优于焊缝，因此试验得到的热影响区冲击功高于焊缝，对热影响区整体韧性水平没有明显影响。

冲击功越高，钢材的韧性越好，钢材发生断裂的可能性就越小。一般来说，热影响区的韧性一般要高于焊缝，因此焊缝处发生断裂的概率较大。

采用扫描电镜对焊缝及热影响区冲击试样在低冲击能量下的断口进行观察，焊缝中心及热影响区冲击试样断口的扫描电镜照片如图4所示。

图4 冲击试样焊缝中心及热影响区断口SEM照片

从图4中可以看出，照片中韧窝较多，且韧窝较深，表明断裂方式为韧性断裂，与拉伸试验的结论一致。

图4b断口面上的韧窝大小不一，且有撕裂棱。分析表明韧窝均为等轴韧窝，较大的韧窝内有许多较小的韧窝。由于韧窝很小，所以属于微孔聚集性断口。这种断口是高强度管线钢延性断裂的常见方式。微孔或微孔会在塑性变形较为剧烈的区域形成、长大、聚集，进而发展为裂纹，直至断裂。

4.3 硬度试验

硬度是综合表征钢材力学性能（弹性、塑性、强度、韧性等）的重要参数。一般认为，母材强度水平越高，其抵抗塑性变形的能力就越大，其硬度也就越高。随着管线钢硬度的提高，其强度会逐渐提高，而塑性和韧性则会相应下降。在这种情况下，管线钢在受力时承受塑性变形的能力也会下降，通过塑性变形来缓和内应力、减少应力集中、提高材料强度等阻止裂纹扩展的作用会减弱，从而增大管线钢材料的开裂倾向。钢材在经历焊接热循环后，部分组织和相比例会发生改变，力学性能也会随之发生改变。采用维氏显微硬度计测得的X100高强度管线钢焊接接头的硬度分布曲线如图5所示。

图5 X100高强管线钢焊接接头硬度分布曲线

从图5可以看出，不同焊缝的硬度均为盖面层最高，根部层最低。这是因为盖面焊获得的组织为一次结晶，而填充层和根部焊层在后续的焊接中都经历了不同程度的二次加热，晶粒会再次结晶，导致硬度下降。

①根部焊层中，焊缝金属（根部焊层熔合线与焊缝中心线的距离约为4.0 mm）的最小硬度为246HV10，最大硬度为262HV10，均低于母材。热影响区（从熔合线向外，宽度约为6.0 mm）的最小硬度为266HV10，最大硬度为284HV10，不存在软化区（硬度明显低于母材的区域）。

②填充层内焊缝金属（填充层熔合线至焊缝中心线距离约4.5mm处）最小硬度为268HV10，最大硬度为293HV10；热影响区（从熔合线向外侧，宽度约4.0mm）最小硬度为281HV10，最大硬度为296HV10，未出现软化区。

③盖层内焊缝金属（盖层熔合线与焊缝中心线距离约8mm处）最小硬度为293HV10，最大硬度为315HV10，与母材接近，且热影响区内（从熔合线向外侧，宽度约2.0mm）没有出现软化区。

试验结果表明:所给焊接工艺达到了与母材等强度匹配,焊接接头硬度指标满足要求,热影响区软化现象较弱。

4.4 断裂韧性试验

按照GB/T 21143-2014《金属材料准静态断裂韧性统一试验方法》对焊接接头进行了-20 ℃下的断裂韧性（CTOD）试验。CTOD值可以反映裂纹尖端材料抵抗开裂的能力。一般来说，测得的CTOD值越大，材料在裂纹尖端的抗裂性能越好，即韧性越好；测得的CTOD值越小，材料在裂纹尖端的抗裂性能越差，即韧性越差。试验温度为-20 ℃时，焊缝及热影响区的CTOD试验结果如表7所示。

表7 焊缝及热影响区CTOD试验结果

从表7可以看出，焊缝CTOD值最小为0.13 mm，最大值为0.54 mm；热影响区CTOD值最小为0.34 mm，最大值为0.73 mm。总体上，热影响区的CTOD值一般要高于焊缝，这与低温冲击试验的结果一致。从表6还可以看出，焊缝的CTOD试验结果比较离散，当人工预制的疲劳裂纹位于焊缝金属微裂纹区时，会引起CTOD值的突然下降，导致离散分布非常大。在-20℃下测得的CTOD值都在0.05 mm以上，符合API 1104-013《管道及相关设施焊接》中CTOD值大于或等于0.05 mm的要求。

4.5 抗氢致开裂试验

当硫存在时，管线钢易产生氢脆裂纹。当管线钢强度较高时，在外加拉应力作用下，易沿垂直钢材表面产生脆性裂纹。X100高强度管线钢接头氢致开裂试验按照NACE TM0284《管线钢与压力容器氢致开裂评定方法》（以下简称NACE TM0284）进行。试验选用的溶液为NACE TM0284中的溶液A。氢致开裂试验试样的切割如图6所示（图6中单位为mm）。检验面采用金相法抛光。试验后，裂纹长度和宽度测量方法如图7所示（图6、7中，L表示裂纹长度，δ表示裂纹厚度，bsam表示试样宽度，δsam表示试样厚度，单位均为mm）。 依据NACE TM0284计算裂纹敏感率（CSR）、裂纹长度率（CLR）、裂纹厚度率（CTR）三项指标的平均值。

图6 抗氢致开裂试样的切割

图7 裂纹长度和厚度测量方法

在这三项指标中，衡量管线钢抗氢致开裂能力的主要依据是CSR。因为CSR不仅表示管材在厚度方向产生氢致开裂的能力，而且也反映了管材在轧制方向抵抗氢致开裂的难易程度。材料的CSR平均值越大，对氢致开裂的敏感性越大；CSR平均值越接近于零，材料抗氢致开裂能力越强。焊接接头抗氢致开裂性能试验结果见表8。

表8 焊接接头抗氢致裂纹性能试验结果

根据API 5L-2013《管线钢管规范》规定，在溶液A中进行氢致开裂试验时，试件3个截面的CSR、CLR、CTR的平均值应满足以下验收限度：CSR≤2%、CLR≤15%、CTR≤5%。由表7可知，采用所选焊接工艺焊接的3个X100高强度管线钢试件的CSR、CLR、CTR的平均值分别为0.23%、4.57%、2.37%，均符合标准的要求，说明采用所选焊接工艺焊接X100高强度管线钢获得的接头具有良好的抗氢致开裂性能。

5 结论

依据API 1104-2013《管道与相关设施焊接》标准，对X100高强管线钢STT半自动根焊+FCAW自保护焊丝半自动填盖面焊接工艺技术进行了研究。在选定的焊接工艺下，X100高强管线钢焊接接头金属的强度、塑性、韧性等力学性能满足要求，热影响区无软化现象，与母材达到等强匹配；获得的焊接接头具有良好的低温韧性和抗氢致开裂性能。选定的焊接工艺合理，采用该工艺可以获得性能良好的接头。

参考：

［1］胡建春，张平，李伟，等.长输管线用X80高强度钢焊接工艺研究［J］.管道技术与设备，2012（6）：30-33.

［2］杨天兵,郭瑞杰.X100管线钢环焊缝激光焊接试验研究［J］.石油工程建设,2009,35(6):50-52.

[3]尹昌华,闫晨,郭瑞杰.未来十年长输管道焊接技术展望[J].电焊机,2016,46(4):105-111。

［4］闫晨,王玉磊,薛振奎.油气管道自动焊接技术发展及展望［J］.焊接技术,2016,45(5):83-88.

［5］胡建春,陈龙,廖景洲,等.西气东输二线X80钢自动焊技术［J］.压力容器,2012,29(4):76-80.

［6］王少锋,胡建春.大口径长输管道CRC全自动焊工艺研究［J］.压力容器,2013,30(8):75-79.

［7］姚宗祥, 姜德平, 吕伟. X80管线钢半自动焊接工艺研究［J］. 热加工工艺, 2010, 39(21): 66-68.

［8］隋永利.国产X80管线钢焊接工艺研究(博士学位论文)［D］.天津:天津大学,2008:25-32。

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