X120管線鋼環(huán)縫焊接技術(shù)發(fā)展

1、X120管線鋼環(huán)縫焊接技術(shù)發(fā)展摘要本文主要講述X120管線鋼環(huán)縫焊接技術(shù)發(fā)展。這種實芯脈沖熔化極氣體保護(hù)焊選用氬氣作為保護(hù)氣體保護(hù)以便于對焊接過程進(jìn)行控制同時保證低氧和低氫含量。焊縫金屬組織根據(jù)冶金基本原理，通過對約二十根實驗焊絲和幾個具有工業(yè)規(guī)模的加熱絲的評估來驗證。實驗對焊縫金屬化學(xué)成分和保護(hù)氣體進(jìn)行了優(yōu)化。改進(jìn)后的組織為針狀鐵素體穿插在馬氏體內(nèi)(AFIM)。透射電鏡是微觀組織結(jié)構(gòu)和焊縫金屬的分析及設(shè)計的首選工具。關(guān)鍵詞焊接；管線鋼；高強(qiáng)度；韌性；微觀結(jié)構(gòu)；馬氏體；針狀鐵素體引言在開發(fā)像X120鋼等更高強(qiáng)度管線鋼的過程中，一個重大的難題是能否研發(fā)出與現(xiàn)有管道施工方法相匹配的環(huán)縫焊接技術(shù)。成

2、功的高強(qiáng)度管線鋼環(huán)縫焊接的要求有有效的抗氫致開裂能力，良好的焊接生產(chǎn)率，在保證強(qiáng)度與韌性平衡的同時減少焊工的工作量。本文主要涉及到用于高強(qiáng)度、大直徑氣體管線鋼現(xiàn)場施工的環(huán)縫焊接技術(shù)的發(fā)展。各類管線鋼共同發(fā)展取得了不菲俄 成果，盡管關(guān)注重點(diǎn)是X120，但研究結(jié)果對X80和X100也同樣適用。本次焊接研究項目包含許多問題，但由于論文篇幅限制，本文只涵蓋主線主題環(huán)縫焊接。具體來講，本文主要包括焊縫金屬的冶金設(shè)計，焊接過程和參數(shù)的優(yōu)選以及候選焊絲的評估。焊絲的搭配、補(bǔ)焊、氫致裂紋和斷裂控制將是以后論文的主題?？梢赃@樣說，焊絲的搭配和補(bǔ)焊程序已經(jīng)成熟，主線焊接技術(shù)需要預(yù)熱100，斷裂控制方法已由寬板彎曲

3、實驗驗證。實驗開始之前給出實驗所需幾條指導(dǎo)原則和目標(biāo)特性：采用工業(yè)生產(chǎn)中能是焊縫性能一致、低擴(kuò)散氫含量的焊接方法。合理設(shè)計焊接工藝，易于使用以免焊接熔池產(chǎn)生缺陷最低設(shè)計溫度:-20全焊縫金屬性能：屈服強(qiáng)度>828MPa，抗拉強(qiáng)度> 931 MPa, 最小伸長率 > 18%夏氏沖擊試驗：84J -30 °C, 韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度-50 °C裂紋尖端張開位移：0.13mm -20°C.管道流體：干燥氣體，無H2S-20° C 設(shè)計溫度表示在更低的溫度環(huán)境中應(yīng)用的可能。夏氏沖擊試驗：84J -30°C的目標(biāo)是海底管道系統(tǒng)

4、DnV Offshore 標(biāo)準(zhǔn)基于強(qiáng)度理論的延伸（見節(jié)C301和表6-3）。韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度是為了確保在設(shè)計溫度下的高溫域的斷裂行為。斷裂力學(xué)逐漸演變?yōu)樵谠O(shè)計條件下的運(yùn)算，平面型斷裂評定的BS 7910標(biāo)準(zhǔn)和有限元分析，考慮了安裝載荷和服役載荷（最小屈服強(qiáng)度的72%）。假定包括100%殘余應(yīng)力和一個2 mm深，100 mm長的表面開口缺陷。冶金設(shè)計和焊接工藝選擇傳統(tǒng)意義上，管線鋼環(huán)縫焊接和同等強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)焊縫取決于作為基底微觀結(jié)構(gòu)的針狀鐵素體（AF）。對于X120鋼的應(yīng)用，針狀鐵素體作用不大，反而馬氏體、貝氏體，和/或其衍生物決定焊縫金屬主要成分。盡管針狀鐵素體自身作用不明顯，但我們?nèi)韵Ｍ玫?/p>

5、少量針狀鐵素體。具體來說，針狀鐵素體可以將原奧氏體晶粒打碎成更小的單元，從而有效減小晶粒尺寸。本文將研究不同針狀鐵素體體積分?jǐn)?shù)和形態(tài)的影響。實驗采用貝氏體或馬氏體以及少量針狀鐵素體將會導(dǎo)致韌性不足，焊縫金屬性能不一致和氫致開裂等問題。實際上，焊縫金屬韌性不足和氫致開裂是存在的主要問題。韌性不足主要是由于環(huán)焊縫熔池中不可避免的會存在非金屬夾雜，高強(qiáng)鋼對斷裂敏感性高和以板條狀組織為中的夾雜容易形成開裂源，同時馬氏體又十分敏感。此外，夾雜對材料的韌性斷裂產(chǎn)生不利影響;因此，對于板條狀結(jié)構(gòu)組織由于其塑性變形能力有限，它們的抗斷強(qiáng)度應(yīng)引起注意。夾雜對焊縫金屬組織形成過程的影響是眾所周知的，有有利的一面，

6、包括焊縫金屬脫氧，通過釘扎作用控制奧氏體晶粒大小和促進(jìn)針狀鐵素體形核。X120鋼焊縫金屬主要通過控制夾雜的體積分?jǐn)?shù)和尺寸來平衡其利弊。其首要目的是限制焊縫金屬氧含量在200-300 ppm。焊縫金屬性能一致性需要注意，因為對于一個給定的成分，不同的冷卻速度會使馬氏體或貝氏體顯微組織具有不同的強(qiáng)度和韌性。這顯然影響到伊薩專利和美國海軍船體結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼焊接項目。造船涉及不同厚度的鋼，熱輸入范圍相對較大。這對就要求材料微觀組織對冷卻速度不敏感。與造船業(yè)相反，管線鋼環(huán)縫焊接影響因素較少，傳統(tǒng)制造業(yè)中，所有環(huán)縫焊接都涉及全位置焊接，鋼材厚度較薄，這將熱輸入限制在較低水平，同時限制了冷卻速度變化。這種變化在

7、熔化極氣體保護(hù)焊最明顯，變化最小。盡管管線鋼對造船具有明顯的優(yōu)勢，馬氏體或貝氏體設(shè)計和焊縫金屬性能一致性仍是關(guān)鍵問題。出于其韌性和氫致開裂的考慮，X120鋼不可使用焊條電弧焊（包括低氫型垂直向下電極）。出于其焊縫金屬氧（夾雜）含量的考慮，藥芯和金屬芯融化極氣體保護(hù)焊排除在外，實芯融化極氣體保護(hù)焊是一種可行的選擇，也可選擇脈沖熔化極氣體保護(hù)焊(PGMAW)。脈沖熔化極氣體保護(hù)焊在當(dāng)前實際工業(yè)生產(chǎn)被廣泛應(yīng)用，預(yù)計，它使實現(xiàn)焊縫金屬成分均勻，缺陷率和焊縫金屬含氧量的可控制性，焊縫金屬的低氫性成為了可能。此外，脈沖融化極氣體保護(hù)焊熱輸入較低，冷卻速度較快，可以使用低合金來獲得目標(biāo)組織，這也是馬氏體或貝

8、氏體設(shè)計的一個優(yōu)勢。實驗過程實驗焊絲和合金元素的選擇實驗約制作了二十根焊絲，實驗共用了50公斤鋼錠，采用真空感應(yīng)熔煉方式融化，制成0.9mm直徑的焊絲并表面鍍銅。焊絲化學(xué)成分見表1，為了突出強(qiáng)調(diào)焊絲的成分，每一根焊絲的合金元素都是特定的。焊絲2-10是在焊絲1的基礎(chǔ)上制成的（盡管焊絲1的含碳量為0.008 wt.%，低于預(yù)期）。焊絲12-20是在焊絲11的基礎(chǔ)上制成的.這兩組焊絲的主要區(qū)別是焊絲11-20具有更高的相變材料所以強(qiáng)度也更高。本次實驗不包括三條焊絲7，8，18.焊絲8和焊絲18的化學(xué)成分偏離預(yù)期目標(biāo)，焊絲7用于另一個不同的項目。表1.焊絲化學(xué)成分(wt%)WireCSiMnNiCr

9、CuTiZrPcm10.0470.381.692.790.250.140.0200.0000.25320.0550.381.712.850.210.130.0220.0180.26030.0530.381.683.680.000.130.0180.0000.26040.0560.381.802.880.200.260.0190.0000.27150.0550.381.703.600.210.270.0180.0000.27960.0530.371.713.180.200.300.0200.0190.27090.0380.371.713.120.590.140.0200.0000.266100.

10、0720.381.722.820.200.140.0200.0000.276110.0590.391.893.080.210.170.0150.0190.279120.0600.651.893.060.200.180.0140.0190.288130.0630.401.893.070.200.180.0140.0190.287140.0620.391.903.080.200.160.0150.0180.285150.0650.391.903.070.200.160.0140.0400.284160.0580.391.903.040.200.180.0020.0170.277170.0670.3

11、91.903.080.490.210.0150.0190.303190.0790.401.903.050.50.0180.0080.0190.314200.0640.682.013.080.620.270.0080.0190.332210.0670.611.862.950.170.520.0140.0290.303220.0600.601.792.910.090.270.0140.0250.275230.0450.601.862.980.160.300.0140.0240.270240.0760.601.863.020.210.200.0160.0360.303硫：焊絲1-200.002，焊絲

12、21-240.004磷：焊絲1-200.001，焊絲21-240.008鋁：焊絲1-200.003，焊絲21-240.008鉬：所有焊絲0.570.61鎳：所有焊絲<0.001釩：焊絲14和焊絲20=0.031，其余焊絲<0.001硼：焊絲13和焊絲20=12ppm，焊絲21-2431ppm氮：焊絲1-2013ppm，焊絲21-2431ppm氧：焊絲1-2018ppm，焊絲21-2430ppm碳含量提高會對材料的韌性和抗裂性能產(chǎn)生不利影響，人們在其通過他方式提高強(qiáng)度方面做了很多努力。提高固溶強(qiáng)化效果和增強(qiáng)淬透性的主要合金元素有錳、碳、鎳、鉬、硅、鉻和銅。鎳元素可以提高材料韌性，為保

13、證其抗解離和氫致開裂能力，焊絲9，17，19鉻元素含量較高以檢測其強(qiáng)化效果，但大多數(shù)焊絲的鉻元素含量被限定在一定范圍內(nèi)。焊絲13和20中添加硼元素作為間隙強(qiáng)化劑來促進(jìn)形成下貝氏體，焊絲12和20中硅元素含量較高以提高回火穩(wěn)定性，鈦、 鋯可以減少焊縫金屬中的夾雜物含量。鋯對氧有較強(qiáng)的親和力，在快速冷卻脈沖融化極氣體保護(hù)焊中，是作為控制焊縫夾雜物尺寸最好的方式。這個假設(shè)由焊絲2和焊絲6證實，因此焊絲11-20都加入了鋯元素。實驗焊絲的評估實驗數(shù)據(jù)主要包括32條板焊縫和24條管焊縫，實驗詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。焊絲1-10是在兩個300x600 x 20mm上布置了四條完全相同的對接焊縫。焊縫按照

14、CRC 埃文斯標(biāo)準(zhǔn)，使用單焊道P200機(jī)脈沖融化極氣體保護(hù)焊制造。焊道及焊道根部的熱輸入大約為0.35 kJ/mm，填充焊道的熱輸入約為0.88 kJ/mm。保護(hù)氣體成分85% Ar，15% CO2。最低預(yù)熱層間溫度為100，最高層間溫度為200。板材固定到桌面以模擬環(huán)焊過程中的約束力。焊縫A-H將作為分析焊絲1-10的基本依據(jù)。表2 焊縫識別與焊接工藝信息焊縫焊絲板焊接或管焊接（s）最低預(yù)熱溫度/最高層間溫度填充焊道平均熱輸入（kJ/mm)保護(hù)氣體*A1板100/2000.8785/0/15B2板100/2000.8785/0/15C3板100/2000.8985/0/15D4板100/20

15、00.8885/0/15E5板100/2000.8885/0/15F6板100/2000.8885/0/15G9板100/2000.8785/0/15H10板100/2000.8785/0/15I11管100/1250.6385/0/15J12管100/1250.6885/0/15K13管100/1250.7185/0/15L14管100/1250.7285/0/15M15管100/1250.7085/0/15N16管100/1250.7585/0/15O17管100/1250.7385/0/15P19管100/1250.7485/0/15Q20管100/1250.7385/0/15R12管1

16、00/1250.6985/0/15S12管100/1250.8785/0/15T12管100/1251.0185/0/15U12管100/1250.8590/0/10V12管100/1250.6780/10/10W12管100/1250.6885/10/5X12管100/1250.6865/25/10Y12管100/1250.7370/25/5Z11管100/1250.7585/0/15AA12管100/1250.7585/0/15BB12管100/1500.7285/0/15CC19管100/1500.7385/0/15DD6管50/7585/0/15EE6管100/1250.7385/0/

17、15FF6管150/1750.7285/0/15GG21管100/1250.69-0.7380/10/10HH22管100/1250.70-0.7580/10/10II23管100/1250.69-0.7280/10/10JJ24管100/1250.69-0.7280/10/10*依次為Ar/He/CO2百分比熱輸入假定為0.72 kJ/mm其余焊縫的設(shè)計都是16mm厚壁上用直徑36英寸X120管線鋼的管焊縫。每一個環(huán)焊縫兩側(cè)都有至少一米的管材，除非有特殊說明，否則焊道A-H環(huán)焊縫采用相同設(shè)備和工藝（除填充焊道熱輸入和預(yù)熱/層間溫度區(qū)間）。由于由板對接焊縫（1G）變?yōu)楣軐雍缚p（5G），填充焊

18、道熱輸入稍有降低(0.75 kJ/mm)。預(yù)熱/層間溫度區(qū)間控制在100-125°C之間以排除冷卻速度的影響，確保焊縫金屬性能變化是由焊縫化學(xué)成分差異引起的。為單獨(dú)驗證焊絲11-20的基本性能，每一個環(huán)焊縫只用一根焊絲，記為焊道I-Q(見表2)。為研究熱輸入對焊縫的影響，焊縫R-T采用焊絲12.由于R、S、T熱輸入低、中、高的變化，其所需填充焊道數(shù)為4，3，2。焊縫J也可與R、S、T形成比較。為研究保護(hù)氣體的保護(hù)效果，焊縫U-Y采用焊絲12。一般來說，保護(hù)氣體中CO2含量越低，焊縫金屬中氧和夾雜物的含量也會降低，韌性提高。實驗采用含5%和10% CO2保護(hù)氣體進(jìn)行了驗證，此外，實驗添

19、加10%和20%的氦氣提高實驗可操作性（易用性）。本文實驗中數(shù)據(jù)代表Ar/He/CO2百分比。實驗加入一些附加焊縫（Z-FF），本文將會給出其詳細(xì)的機(jī)械性能，在以后論文中會對其進(jìn)行詳細(xì)分析。焊縫Z和AA沒有進(jìn)行層間焊道清理，其余焊縫用不銹鋼刷進(jìn)行清潔。焊縫BB-FF用來研究預(yù)熱和層間溫度。對大規(guī)模焊絲生產(chǎn)的評估能進(jìn)行大規(guī)模X120鋼焊絲的生產(chǎn)商主要有三家，共擁有兩個2噸級真空感應(yīng)熔煉爐和一個20噸級電爐。電爐冶煉是在真空條件下進(jìn)行的，通過控制真空感應(yīng)熔煉法雜質(zhì)含量來模擬電爐中雜質(zhì)含量。焊絲化學(xué)成分見表1。有兩家生產(chǎn)商通過真空感應(yīng)熔煉爐生產(chǎn)部分焊絲（焊絲21-23），另一家則通過電爐冶煉生產(chǎn)焊絲

20、（焊絲24）。許多管對接焊縫采用焊絲21-24，采用80/10/10保護(hù)氣體（首選），并采用與實驗焊絲相同的檢驗方法檢驗。為簡單起見，焊絲21-24的管對接焊縫所有數(shù)據(jù)都可以共享。盡管表2中表述的是焊縫GG采用的是焊絲21，事實上其他管對接焊縫的數(shù)據(jù)也應(yīng)用到焊縫GG中，同樣的，焊縫HH,II,JJ都可以共享其他管焊縫的數(shù)據(jù)。分析檢驗步驟實驗采用直流等離子光譜（DCP）分析焊絲化學(xué)成分，放射光譜（OES）分析全焊縫金屬化學(xué)成分，在填充焊道板厚中部取樣，通過Leco氣體燃燒法來測定C，O，N含量。全焊縫金屬拉伸性能的實驗采用兩端帶螺紋的圓棒（ASTM E8），圓棒直徑為6.4 mm，剖面選在填充焊

21、道板厚中部。焊縫A-FF做兩組拉伸性能實驗，而大規(guī)模生產(chǎn)的焊絲GG, HH, II,和JJ,實驗組數(shù)依次為28, 26, 5 和4。實驗采用帶儀表落錘的Dynatup 垂直落塔測定焊縫能量-溫度轉(zhuǎn)換曲線，在焊縫中心線處開一圓形通透孔以確保取樣準(zhǔn)確。每一組數(shù)據(jù)包括大約16項測驗，用雙曲正切模型進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)曲線擬合，曲線介于最高與最低值之間的點(diǎn)表示韌脆轉(zhuǎn)變溫度。裂紋尖端張開位移 (CTOD) 過渡曲線采用Bx2B試樣，在焊縫中心線開一圓形通透孔(a/W=0.5)，預(yù)壓縮量0.5%（兩側(cè)各0.25%）。每一條曲線包括大約14項測試。韌脆轉(zhuǎn)變溫度的測定方法與夏比沖擊試驗相同

22、。試樣制備按金相技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并用2%硝酸酒精溶液腐蝕，采用光學(xué)、掃描電鏡方法分析，檢測部位位于填充焊縫中的柱狀晶區(qū)域（在熱溫度不超過A1），距焊縫外表面最近約四分之一厚度的地方。透射電鏡和掃描電鏡檢測的位置相同。透射電鏡試樣被機(jī)加工至50m大小，最終用300 ml甲醇，175ml正丁醇和30ml高氯酸的電解液進(jìn)行拋光，采用掃描電鏡與透射電鏡組合方式對試樣進(jìn)行定量檢測（物相鑒定），透射電鏡以12幀放大6300倍參數(shù)對夾雜物的數(shù)量密度和尺寸大小進(jìn)行了測定，采用X射線對測定夾雜物中關(guān)鍵化學(xué)元素。表3.焊縫化學(xué)成分(wt.%)和強(qiáng)度特征焊縫焊絲CSiMnNiCrMoCuTiZrVBONPcmYS(MPa)

23、UTS(MPa)%elong.A10.0590.261.482.410.230.560.160.00700.0074247760.24172478626B20.0620.251.522.360.210.550.170.0070.0080.0075253590.245*81424C30.0630.251.513.030.030.550.170.00600.0075252620.24776682124D40.0660.251.602.380.200.550.270.00600.00652511410.25774582125E50.0630.251.513.110.210.550.260.00600

24、.00652551010.26280086924F60.0660.251.522.580.200.550.300.0060.0090.0076268710.25978685524G90.0510.251.492.640.520.550.180.00600.00752711540.25371080024H100.0740.241.492.400.200.560.180.00600.0075241530.25669780727I110.0660.311.782.720.220.570.140.0080.010.0084309200.26989097922J120.0670.521.792.730.

25、230.580.150.0080.010.0084298170.280869100021K130.0680.341.792.780.220.570.170.0080.0110.00612349220.27987698621L140.0660.321.82.730.220.570.140.0080.010.0364318170.27487697218M150.0670.321.792.740.220.560.150.0080.0250.0074362220.27185595922N160.0640.311.772.740.220.560.180.0010.010.0065367460.26983

26、495921O170.0740.331.812.780.480.570.190.0080.0110.0075348210.297862100721P190.0810.341.812.780.50.570.170.0050.0110.0065338200.304876101421Q200.0730.611.922.810.610.570.250.0050.0120.03513327200.327890105522R120.0650.521.762.690.220.570.170.0080.0110.0085288380.27694597922S120.0650.51.752.630.220.55

27、0.140.0070.0090.0105286360.27288393121T120.0650.51.752.580.220.560.160.0070.0080.0115316420.27181491022U120.0630.521.772.610.220.560.150.0080.0110.0105239220.27286295919V120.0610.541.762.650.220.570.160.0080.0110.0085283600.27193897922W120.0610.571.82.720.220.570.180.0090.0140.0075220430.27793810071

28、8X120.060.531.782.660.220.570.160.0080.0100.00953011190.27189096617Y120.060.571.82.70.220.570.160.0090.0140.0085216250.27490397916Z110.070.291.782.640.220.540.140.0070.0060.0125658190.27084193119AA120.070.291.782.640.220.580.140.0070.0060.0094358190.27084897922BB120.0660.521.772.710.220.570.140.0080

29、.0100.0085307180.27782895923CC190.0650.561.82.680.220.580.160.0090.0100.0075310180.279855100723DD*6-89093121EE60.0670.341.572.830.280.580.290.0140.0080.004-339200.27486993819FF*6-81486222GG210.0610.491.752.640.190.530.530.0090.020.0094336470.28493196618KK220.0530.481.662.50.130.540.340.0080.010.0095

30、308340.25686290320II230.0500.501.782.680.180.300.300.0090.0190.0095312390.26389793823JJ240.0760.531.782.840.200.220.220.0110.0280.0064301290.291966102120焊絲A-FF：硫，磷含量= 0.001 - 0.002焊絲GG-JJ：硫=0.001-0.004磷=0.007-0.009所有焊縫： 鋁= 0.002 - 0.005 鉬= 0.52 - 0.58 鈮= 0.003 - 0.005 硼，氧，氮含量為百萬分之一屈服強(qiáng)度測量誤差為0.2%*化學(xué)成分與EE相同*沒有測量一般情況下強(qiáng)度與韌性變化趨勢焊縫強(qiáng)度與化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)見表3.數(shù)據(jù)可分為兩類：強(qiáng)度較低的低Pcm值焊絲（1-10），強(qiáng)度較高的高Pcm值的焊絲（11-24）。強(qiáng)度通常認(rèn)為是Pcm的函數(shù)，在此實驗中，對數(shù)據(jù)的校正是分析合金元素含量對強(qiáng)度影響的首要任務(wù)。焊絲1-10是板的焊接，其余是管的焊接。冷卻速度不同，得到的焊縫強(qiáng)度也不同，這可通過對比板對接焊縫F（焊絲6）和若干同焊絲管對接焊縫（DD-FF），可以確定引起屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的上升的因素分別為1.11和1.10，即由板對接轉(zhuǎn)變?yōu)楣軐?。圖1表示強(qiáng)度是Pcm的函數(shù)，在此圖中，焊縫A-H（焊絲1