X80管线钢的焊接性研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
目前，世界上采用 X80 级管线钢建设的天然气
收 稿 日 期 ：2009－04－02 作 者 简 介 ：陈翠欣(1975—)，女，河北无极人，副教授，博士，主
要从事新型材料的焊接性及其数值模拟计算的 研究工作。
管道只有 2 000 km，而且基本上都属于短距离输气 管道。在大口径、大输量的西气东输二线工程中，将 采用 X80 级管线钢一举建设全长 4 843 km 长的主 干线管道，势必对管线钢及其焊接性提出更高的要 求。X80 高强度级管线钢是低碳微合金控轧控冷钢， 具有高强度和良好的抗延性断裂能力，是输气管道 的主导钢材。但随着强度的提高，板厚加大，焊接接 头易产生 HAZ 的脆化、软化等问题。研究 X80 管线 钢的焊接行为及 HAZ 的韧化、脆化和软化机理，对 提 高 焊 接 质 量 ，确 保 油 气 管 线 的 安 全 运 营 至 关 重 要。
东
质更为细小，弥散分布，如图 2a～2c 所示。 当冷却速度在 0．05～0．35 ℃／s 时，除铁素体和贝
输 1．2 试验方法
氏体外还发生了珠光体转变，如图 2d 所示。珠光体来自百度文库
二 线 焊
为研究 X80 管线钢的焊接性，试验中采用了热 模拟技术。所用试验设备为 Gleeble－3500 热模拟机，
在多边形铁素体的晶界形成，具有非层片相间的特 征，铁素体和渗碳体分别独立长大(见图 3)，为伪共
︱ ︱
of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)
西
Abstract ：As the main materials of West－to－East Natural Gas Transmission Project，the welding quality of X80 alloy steel directly
2 X80 管线钢的 SHCCT 图
3 不同焊接工艺条件下 X80 管线钢 HAZ 组织性能变化规律
由于 SH－CCT 图是在设定的加热速度和冷却 速度下获得的，试件经历的热循环与实际焊接热循 环存在着一定的差异，这必然影响到相变的结果，因
为研究 X80 管线钢在不同焊接冷却速度下的 组织性能变化规律，采用热模拟技术测定了其 SHCCT 图，如图 1 所示。
由 SHCCT 图可以看出，经历不同的焊接热循环 作用下，X80 管线钢的组织为铁素体、贝氏体和珠光 体三种类型。由于 X80 管线钢的含碳量较低(质量分
此有必要按照实测的焊接热循环进行物理模拟，进 一步研究焊接热循环条件下粗晶区的相变特点和 组织变化。试验中考虑了对热循环有显著影响的线 能量、板厚和预热温度三个因素，采用了一次回归 正交实验方法，制定了试验方案，对脆化尤为严重 的粗晶区(CGHAZ)的组织性能进行了观察测定,如
图 1 X80 管线钢的 SH－CCT 图 Fig．1 SH－CCT diagram of X80 pipeline steel
良好的强韧性匹配[1]，其拉伸强度为 680～750 MPa， 数 w(C)＝0．059％)，在快速冷却条件下均没有发现马
专 －20 ℃的冲击功高达 340 J。
氏体组织，因此该钢的淬硬倾向较低。
·36· Electric Welding Machine
专题讨论
陈翠欣等：X80 管线钢的焊接性研究
第5期
a 60 ℃／s
b 20 ℃／s
c 5 ℃／s
d 0．05 ℃／s 图 2 不同冷却速度下的组织形态 Fig．2 Morphology of microstructure for specimens with different cooling rate
1 试验材料和方法
1．1 试验材料
试验用 X80 高强度管线钢的化学成分如表 1
所示。该钢是通过控扎控冷工艺，利用固溶强化、相
变强化、位错强化以及析出强化并获得最大程度的
晶粒细化来提高强度、降低韧脆转变温度。该钢的组
织为细小的针状铁素体，铁素体片彼此咬合，交错
分布，片内具有较高的位错密度和亚结构；同时第 二相粒子的沉淀物(微合金元素的碳氮化物)弥散分 布在基体上，对位错有钉扎作用，从而使该钢具有
3．92 μ m。加热 950 ℃保温 3 h 后测得奥氏体晶粒尺
寸，即本质晶粒尺寸为 11．54μ m。然而经历不同焊接
热循环后，虽然高温停留时间较短，但是由于其较 专
高的峰值温度，导致了晶粒的迅速长大，奥氏体晶
题
讨
粒平均尺寸在 30～40 μ m，而且 t8／5 和 tH 越大，晶粒
论
粗化现象越严重。
题
表 1 X80 管线钢的化学成分
当冷却速度在 0．35～60 ℃／s 时，得到的组织类型
讨 论
Tab．1 Chemical composition of X80 pipeline steel ％
均为少量的铁素体加贝氏体。贝氏体有粒状和板条
︱
w(C) w(Si) w(Mn) w(P) w(S) w(Cr) w(Mo) w(Ni)
文献标识码：A
文章编号：1001－2303(2009)05－0035－06
专
题
Research on the weldability of X80 alloy steel pipeline
讨
CHEN Cui-xin1，LI Wu-shen2
论
(1．School of Materials Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130,China；2．School
技
be adopted in order to obtain better toughness for CGHAZ of high strength X80 alloy steel pipeline．
术
Key words：X80 alloy steel pipeline；thermal simulation；CGHAZ；bainite；impact toughness
焊
temperature of 60℃, impact toughness value of specimen was highest for the formation of fine grains and a certain quantity of granular
接
bainite which can effectively partite lath bainite． So it is concluded that lower heat input and suitable preheated temperature should
气
influence the safety in operation of pipeline． Thermal simulating technology was used to simulate weld CGHAZ of X80 alloy steel
东 输
pipeline for the purpose of investigation on the relationship between welding parameters and mechanical properties． The experimental
第 39 卷 第 5 期 2009 年 5 月
Electric Welding Machine
Vol．39 No．5 May 2009
X80 管线钢的焊接性研究
陈翠欣 1，李午申 2
(1．河北工业大学 材料学院，天津 300130；2．天津大学 材料学院，天津 300072)
摘要：X80 管线钢是西气东输二线工程的主导钢材，其焊接质量直接决定管线的安运行全。采用热模拟
少量的铁素体。随着冷却速度的降低，铁素体所占比
镜、XL－30PHILIPS 扫描电子显微镜和 JEM2010 透
例增大，贝氏体所占比例减小。只有当冷却速度低于
射电镜上进行组织观察。采用小负荷的 HVA－10A 型
0．35 ℃／s 时，才出现了珠光体组织。
维氏硬度仪测定试样的维氏硬度。按照国标 GB4159－ 84 金属低温夏比(V 型缺口)冲击试验方法进行冲 击试验。试样尺寸为 10 mm×10 mm×55 mm，试验温 度－20 ℃。
技术研究了 X80 管线钢焊接热影响区工艺条件、组织和力学性能之间的关系。结果表明 X80 管线钢焊
接粗晶区的组织类型为贝氏体和铁素体，不存在典型的 M 组织，淬硬性倾向较小。粗晶区的软化现象不
太显著。焊接线能量对粗晶区的冲击韧性影响最为显著。当采用 8 kJ／cm 的线能量和 60 ℃的预热温度时，
0 前言
西气东输二线工程是国家“十一五”规划的重点 项目，是我国即将建设的最大一条管线工程，也是目 前世界上管线钢用量最大、铺设长度最长、输气管 压力最高、输气管口径最大的一条输气管道。该工程干 线采用 X80 级管线钢，管道设计年供气量 300 亿 m3， 与西气东输一线采用的 X70 级管线钢相比，其强度 增加了 14％，投资可降低 10％，节约钢材 14％以上。
粗晶区的晶粒较细，组织由板条贝氏体和一定量的粒状贝氏体组成，由于粒状贝氏体对板条贝氏体的
分割作用，使板条贝氏体的长度较小，方向性差，表现的韧性最优越。因此在 X80 管线钢的焊接中为使
粗晶区获得较高的韧性，应采用较小的线能量和合适的预热温度。
关键词：X80 管线钢；热模拟；粗晶区；贝氏体；冲击韧性
中图分类号：TG406；TG142．33
接 试样规格为 φ 6 mm×90 mm 和 10．5 mm×10．5 mm×
析珠光体组织。
技 术
80 mm 两种，分别用于 SCHCCT 图的测定和不同焊
接条件下热影响区的组织性能观察测定。
由以上分析可以看出，X80 管线钢在快速冷却 的情况下，生成的组织绝大部分为贝氏体，只有很
热模拟后的试样在 GX51－OLYMPUS 光学显微
本研究将采用物理模拟的方法对 X80 管线钢 的焊接性进行研究，为 X80 管线钢在管道上的实际
Electric Welding Machine ·35·
专题讨论
第 39 卷
应用提供理论依据，并综合分析 X80 高强管线钢的 脆化和韧化，得出保证 X80 管线钢焊接接头强韧性 的最优焊接工艺参数。
︱
表 2 试验方案和结果
︱
Tab．2 Experimental procedure and data
西
试样 线能量 预热 板厚 冷却 高温停 平均奥氏 冲击
温度
时间 留时间 体晶粒尺 能量
气 东
E／kJ·cm－1 TP／℃ δ ／mm t8／5／s tH／s 寸／μ m W／J
输
1 16 140 25．0 11．6 6．4 38．74 138
二
线
2 16 140 12．0 24．1 7．4 40．96 58
二
results showed that microstructure formed after thermal cycle were bainite,and ferrite, and no martensite were found in coarse grain
线
heat affected zone． The results also showed that the heat input strongly affected toughness． For the heat input of 8kJ／cm and preheated
表 2 所示。
3．1 奥氏体晶粒尺寸
不同焊接工艺条件下的奥氏体晶粒尺寸及形
图 3 伪珠光体组织 Fig．3 Microstructure of pseudopearlite
貌分别如表 2 和图 4 所示。由此可以看出，母材奥氏
体 的 初 始 晶 粒 尺 寸 细 小 ，分 布 均 匀 ，晶 粒 尺 寸 为
两种形态，而且随着冷却速度的降低，贝氏体上的
︱
0．059 0．178 1．520 0．013 0．004 0．026 0．210 0．178
岛状物质的宽度逐渐变窄，长度逐渐变小，岛状物
西
w(V) w(Ti) w(B) w(N) w(Ca) w(Al) w(Cu) w(Nb)
气
0．040 0．016 0．001 0．007 0．001 0．025 0．118 0．059
收 稿 日 期 ：2009－04－02 作 者 简 介 ：陈翠欣(1975—)，女，河北无极人，副教授，博士，主
要从事新型材料的焊接性及其数值模拟计算的 研究工作。
管道只有 2 000 km，而且基本上都属于短距离输气 管道。在大口径、大输量的西气东输二线工程中，将 采用 X80 级管线钢一举建设全长 4 843 km 长的主 干线管道，势必对管线钢及其焊接性提出更高的要 求。X80 高强度级管线钢是低碳微合金控轧控冷钢， 具有高强度和良好的抗延性断裂能力，是输气管道 的主导钢材。但随着强度的提高，板厚加大，焊接接 头易产生 HAZ 的脆化、软化等问题。研究 X80 管线 钢的焊接行为及 HAZ 的韧化、脆化和软化机理，对 提 高 焊 接 质 量 ，确 保 油 气 管 线 的 安 全 运 营 至 关 重 要。
东
质更为细小，弥散分布，如图 2a～2c 所示。 当冷却速度在 0．05～0．35 ℃／s 时，除铁素体和贝
输 1．2 试验方法
氏体外还发生了珠光体转变，如图 2d 所示。珠光体来自百度文库
二 线 焊
为研究 X80 管线钢的焊接性，试验中采用了热 模拟技术。所用试验设备为 Gleeble－3500 热模拟机，
在多边形铁素体的晶界形成，具有非层片相间的特 征，铁素体和渗碳体分别独立长大(见图 3)，为伪共
︱ ︱
of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)
西
Abstract ：As the main materials of West－to－East Natural Gas Transmission Project，the welding quality of X80 alloy steel directly
2 X80 管线钢的 SHCCT 图
3 不同焊接工艺条件下 X80 管线钢 HAZ 组织性能变化规律
由于 SH－CCT 图是在设定的加热速度和冷却 速度下获得的，试件经历的热循环与实际焊接热循 环存在着一定的差异，这必然影响到相变的结果，因
为研究 X80 管线钢在不同焊接冷却速度下的 组织性能变化规律，采用热模拟技术测定了其 SHCCT 图，如图 1 所示。
由 SHCCT 图可以看出，经历不同的焊接热循环 作用下，X80 管线钢的组织为铁素体、贝氏体和珠光 体三种类型。由于 X80 管线钢的含碳量较低(质量分
此有必要按照实测的焊接热循环进行物理模拟，进 一步研究焊接热循环条件下粗晶区的相变特点和 组织变化。试验中考虑了对热循环有显著影响的线 能量、板厚和预热温度三个因素，采用了一次回归 正交实验方法，制定了试验方案，对脆化尤为严重 的粗晶区(CGHAZ)的组织性能进行了观察测定,如
图 1 X80 管线钢的 SH－CCT 图 Fig．1 SH－CCT diagram of X80 pipeline steel
良好的强韧性匹配[1]，其拉伸强度为 680～750 MPa， 数 w(C)＝0．059％)，在快速冷却条件下均没有发现马
专 －20 ℃的冲击功高达 340 J。
氏体组织，因此该钢的淬硬倾向较低。
·36· Electric Welding Machine
专题讨论
陈翠欣等：X80 管线钢的焊接性研究
第5期
a 60 ℃／s
b 20 ℃／s
c 5 ℃／s
d 0．05 ℃／s 图 2 不同冷却速度下的组织形态 Fig．2 Morphology of microstructure for specimens with different cooling rate
1 试验材料和方法
1．1 试验材料
试验用 X80 高强度管线钢的化学成分如表 1
所示。该钢是通过控扎控冷工艺，利用固溶强化、相
变强化、位错强化以及析出强化并获得最大程度的
晶粒细化来提高强度、降低韧脆转变温度。该钢的组
织为细小的针状铁素体，铁素体片彼此咬合，交错
分布，片内具有较高的位错密度和亚结构；同时第 二相粒子的沉淀物(微合金元素的碳氮化物)弥散分 布在基体上，对位错有钉扎作用，从而使该钢具有
3．92 μ m。加热 950 ℃保温 3 h 后测得奥氏体晶粒尺
寸，即本质晶粒尺寸为 11．54μ m。然而经历不同焊接
热循环后，虽然高温停留时间较短，但是由于其较 专
高的峰值温度，导致了晶粒的迅速长大，奥氏体晶
题
讨
粒平均尺寸在 30～40 μ m，而且 t8／5 和 tH 越大，晶粒
论
粗化现象越严重。
题
表 1 X80 管线钢的化学成分
当冷却速度在 0．35～60 ℃／s 时，得到的组织类型
讨 论
Tab．1 Chemical composition of X80 pipeline steel ％
均为少量的铁素体加贝氏体。贝氏体有粒状和板条
︱
w(C) w(Si) w(Mn) w(P) w(S) w(Cr) w(Mo) w(Ni)
文献标识码：A
文章编号：1001－2303(2009)05－0035－06
专
题
Research on the weldability of X80 alloy steel pipeline
讨
CHEN Cui-xin1，LI Wu-shen2
论
(1．School of Materials Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130,China；2．School
技
be adopted in order to obtain better toughness for CGHAZ of high strength X80 alloy steel pipeline．
术
Key words：X80 alloy steel pipeline；thermal simulation；CGHAZ；bainite；impact toughness
焊
temperature of 60℃, impact toughness value of specimen was highest for the formation of fine grains and a certain quantity of granular
接
bainite which can effectively partite lath bainite． So it is concluded that lower heat input and suitable preheated temperature should
气
influence the safety in operation of pipeline． Thermal simulating technology was used to simulate weld CGHAZ of X80 alloy steel
东 输
pipeline for the purpose of investigation on the relationship between welding parameters and mechanical properties． The experimental
第 39 卷 第 5 期 2009 年 5 月
Electric Welding Machine
Vol．39 No．5 May 2009
X80 管线钢的焊接性研究
陈翠欣 1，李午申 2
(1．河北工业大学 材料学院，天津 300130；2．天津大学 材料学院，天津 300072)
摘要：X80 管线钢是西气东输二线工程的主导钢材，其焊接质量直接决定管线的安运行全。采用热模拟
少量的铁素体。随着冷却速度的降低，铁素体所占比
镜、XL－30PHILIPS 扫描电子显微镜和 JEM2010 透
例增大，贝氏体所占比例减小。只有当冷却速度低于
射电镜上进行组织观察。采用小负荷的 HVA－10A 型
0．35 ℃／s 时，才出现了珠光体组织。
维氏硬度仪测定试样的维氏硬度。按照国标 GB4159－ 84 金属低温夏比(V 型缺口)冲击试验方法进行冲 击试验。试样尺寸为 10 mm×10 mm×55 mm，试验温 度－20 ℃。
技术研究了 X80 管线钢焊接热影响区工艺条件、组织和力学性能之间的关系。结果表明 X80 管线钢焊
接粗晶区的组织类型为贝氏体和铁素体，不存在典型的 M 组织，淬硬性倾向较小。粗晶区的软化现象不
太显著。焊接线能量对粗晶区的冲击韧性影响最为显著。当采用 8 kJ／cm 的线能量和 60 ℃的预热温度时，
0 前言
西气东输二线工程是国家“十一五”规划的重点 项目，是我国即将建设的最大一条管线工程，也是目 前世界上管线钢用量最大、铺设长度最长、输气管 压力最高、输气管口径最大的一条输气管道。该工程干 线采用 X80 级管线钢，管道设计年供气量 300 亿 m3， 与西气东输一线采用的 X70 级管线钢相比，其强度 增加了 14％，投资可降低 10％，节约钢材 14％以上。
粗晶区的晶粒较细，组织由板条贝氏体和一定量的粒状贝氏体组成，由于粒状贝氏体对板条贝氏体的
分割作用，使板条贝氏体的长度较小，方向性差，表现的韧性最优越。因此在 X80 管线钢的焊接中为使
粗晶区获得较高的韧性，应采用较小的线能量和合适的预热温度。
关键词：X80 管线钢；热模拟；粗晶区；贝氏体；冲击韧性
中图分类号：TG406；TG142．33
接 试样规格为 φ 6 mm×90 mm 和 10．5 mm×10．5 mm×
析珠光体组织。
技 术
80 mm 两种，分别用于 SCHCCT 图的测定和不同焊
接条件下热影响区的组织性能观察测定。
由以上分析可以看出，X80 管线钢在快速冷却 的情况下，生成的组织绝大部分为贝氏体，只有很
热模拟后的试样在 GX51－OLYMPUS 光学显微
本研究将采用物理模拟的方法对 X80 管线钢 的焊接性进行研究，为 X80 管线钢在管道上的实际
Electric Welding Machine ·35·
专题讨论
第 39 卷
应用提供理论依据，并综合分析 X80 高强管线钢的 脆化和韧化，得出保证 X80 管线钢焊接接头强韧性 的最优焊接工艺参数。
︱
表 2 试验方案和结果
︱
Tab．2 Experimental procedure and data
西
试样 线能量 预热 板厚 冷却 高温停 平均奥氏 冲击
温度
时间 留时间 体晶粒尺 能量
气 东
E／kJ·cm－1 TP／℃ δ ／mm t8／5／s tH／s 寸／μ m W／J
输
1 16 140 25．0 11．6 6．4 38．74 138
二
线
2 16 140 12．0 24．1 7．4 40．96 58
二
results showed that microstructure formed after thermal cycle were bainite,and ferrite, and no martensite were found in coarse grain
线
heat affected zone． The results also showed that the heat input strongly affected toughness． For the heat input of 8kJ／cm and preheated
表 2 所示。
3．1 奥氏体晶粒尺寸
不同焊接工艺条件下的奥氏体晶粒尺寸及形
图 3 伪珠光体组织 Fig．3 Microstructure of pseudopearlite
貌分别如表 2 和图 4 所示。由此可以看出，母材奥氏
体 的 初 始 晶 粒 尺 寸 细 小 ，分 布 均 匀 ，晶 粒 尺 寸 为
两种形态，而且随着冷却速度的降低，贝氏体上的
︱
0．059 0．178 1．520 0．013 0．004 0．026 0．210 0．178
岛状物质的宽度逐渐变窄，长度逐渐变小，岛状物
西
w(V) w(Ti) w(B) w(N) w(Ca) w(Al) w(Cu) w(Nb)
气
0．040 0．016 0．001 0．007 0．001 0．025 0．118 0．059