经历多次热循环的X80管线钢焊接粗晶区的组织性能研究_王刚.pdf

第 25 卷 第 1 期重庆科技学院学报(自然科学版)2023 年 2 月经历多次热循环的 X80 管线钢焊接粗晶区的组织性能研究王 刚1尹立孟1唐 丽1王学军2刘 锴2郑明高3王京4冯大永5(1 重庆科技学院 冶金与材料工程学院，重庆 401331;2 国家管网集团西南管道有限责任公司，成都 402660;3 中石化江汉油建工程有限公司，湖北 潜江 433100;4 中油(新疆)石油工程有限公司，新疆 克拉玛依 834000;5 辽河油田建设有限公司，辽宁 盘锦 124010)收稿日期:2022 11 05基金项目:国家自然科学基金面上项目“基于多次热循环的高级别管线钢焊接粗晶区的组织演变规律及增韧机理”(51674056);重庆市自然科学基金面上项目“基于焊后轧制的高级别管线钢焊接接头组织演化及增韧机理”(cstc2020jcyj msxmX0552)作者简介:王刚(1973 )，男，硕士，副教授，研究方向为管线钢接头可靠性及自动化焊接。通信作者:尹立孟(1976 )，男，博士，博/硕士生导师，巴渝学者特聘教授，重庆英才计划创新领军人才(首批)，研究方向为高性能油气管材焊接与无损检测、电子封装材料与可靠性。摘要:采用相变仪 DIL805A/D 模拟 X80 管线钢焊接的多次热循环过程，并采用 OM、SEM 及HV 1000 获得其显微组织、M A 组元尺寸和体积分数以及原奥氏体晶粒粗化情况和显微硬度。结果表明:经历峰值温度为1 350 的快速焊接热循环作用后，母材中的 PF 和 QF 消失;随着热循环次数的增加，组织类型基本保持不变，主要为 GB、BF、M A 组元，但 GB 体积分数逐渐减少、BF 体积分数逐渐增多、BF 板条宽度从 1 次热循环后的 0 77 m 增至 3 次热循环后的 1 36 m，M A 组元的平均晶粒尺寸增大且体积分数略微减少;原奥氏体晶粒尺寸从 1 次热循环后的 40 5 m 粗化至3 次热循环后的 69 5 m，且表现出逐渐不均匀化。此外，X80 管线钢显微硬度的上升趋势随热循环次数的增加而减缓。关键词:X80 管线钢;多次热循环;粗晶区(CGHAZ);显微组织;硬度中图分类号:TG142 1文献标识码:A文章编号:1673 1980(2023)01 0057 050前言近年来，石油和天然气输送工程对管线钢的要求越来越高，不仅要求其具备耐高压、长距离、大厚壁和大口径等特征，还要求其有很好的强韧性和焊接性1 2。低碳微合金化 X80 管线钢作为“西气东输二线”、中俄管线等重大工程中的主导管线钢管，在焊接过程中经历复杂的物理化学反应以及快速不均匀加热和冷却的热循环作用后，焊接接头中的热影响区(HAZ)与母材的组织和性能严重不匹配3。尤其是晶粒尺寸显著增大以及形成不良组织的粗晶区(CGHAZ)部位，极易造成焊接接头的局部脆化2，4，严重威胁管道及管线的服役可靠性。此外，随着管道服役时间的延长，腐蚀、变形等问题颇为严重，如不及时维护修复，将直接影响管道的服役安全性，给人身和财产安全造成巨大威胁5。焊接修复通常采用在役焊接技术6，此时的X80 管线钢极有可能受到峰值温度较高的 2 次甚至是 3 次以上的热循环作用。迄今为止，已有一些关于经历 2 次热循环作用的 X80 管线钢 HAZ 的组织75DOI:10.19406/ki.cqkjxyxbzkb.2023.01.015王刚，等:经历多次热循环的 X80 管线钢焊接粗晶区的组织性能研究和性能研究，如有学者通过探讨其峰值温度(Tm)处于两相区(+)温度的临界粗晶区(ICCGHAZ)时，发现该区域表现出明显的“组织遗传”现象，使得板条马氏体(LM)进一步粗化，并在原奥氏体晶界附近形成“项链”状结构的富碳、粗大 M A 组元，导致该区域硬度最高，而韧性最低，局部脆化倾向明显7 8。另有研究发现，相对于 1 次热循环 CGHAZ的贝氏体(B)和板条马氏体(LM)组织，X80 管线钢经历的 2 次热循环 Tm不同，其组织的类型、形态、大小和分布等将发生不同的变化9。此外，还有研究表明 X80 管线钢经 2 次热循环后的过临界粗晶区(SCCGHAZ)的原奥氏体晶界已不再清晰，形成了少量针状铁素体(AF)，组织细小，硬度很低，具有比其他区域相对更高的冲击韧性10。但目前尚缺乏对经历 3 次及以上热循环后 X80 管线钢焊接 CGHAZ的组织和性能方面的探讨。为此，本研究采用相变仪 DIL805A/D 模拟 X80管线钢多次焊接热循环过程，对比不同热循环次数下 CGHAZ 的组织和性能，以期为 X80 管线钢高质量焊接的推广应用提供指导和参考。1实验材料与方法本实验采用 X80 管线钢，取自 1219 mm 18.4 mm 的管线钢管，其主要化学成分(质量分数，%)为007 C，027 Si，150 Mn，032 Mo，032 Ni，0 03 Cr，0 07 Nb，0 018 Ti，0 01 V，0 037 Al，0.26 Cu，其余成分为 Fe。X80 管线钢的显微组织主要为准多边形铁素体(QF)，少量多边形铁素体(PF)和 M A 组元，如图1 所示。为方便实验和重现真实工程焊接过程，将其加工成4 mm 3 mm 10 mm(外径 内径 长度)的空心微缩管状试样(见图 2)。图 1X80 管线钢母材显微组织的 SEM 照片结合工程现场实际情况，选用全自动 GMAW 焊的主要工艺参数(见表 1)，冷却时间与热输入的计算如式(1)、式(2)，取相对热效率 =0 7%，预热温度 T0=150，三维传热影响冷却时间形状系数(热焊、填充焊)F3都取 1 0，计算在三维热传导条件下 18 4 mm 厚板 X80 管线钢温度从 800 降到500 时的冷却时间 t8/5值，再将 t8/5换算为冷却速度(见表 1)。综合考虑，本实验取 35/s(平均冷却速度)来研究多次热循环作用。图 2实验用微缩 X80 管线钢试样t8/5=(0 67 5 104T0)E1500 T01800 T()0F3(1)E=UIv(2)式中:E 表示热输入，J/cm;U 表示电弧电压，V;I 表示焊接电流，A;v 表示焊接速度，cm/s。模拟焊接热循环时，参照文献11，以 200/s加热至 1 350 保温 10 s 后，以 35/s 冷却至室温。然后对经历不同热循环次数后的试样进行打磨、抛光，经 4%硝酸酒精溶液腐蚀后，采用光学显微镜 Leica 2500 和扫描电镜 S 3700N，观察其显微组织的演变，并通过 Image Pro Plus 6 0 软件进行数据处理，分析其组织和晶粒大小，最后利用显微硬度计 HV 1000 测定其硬度。2结果与分析21显微组织经历不同热循环次数(1、2、3 次)后的 X80 管线钢微缩试样的光学显微组织和 SEM 照片分别如图3、图 4 所示。从图中可以看出，经历不同热循环次数后组织的类型基本相同，主要为粒状贝氏体(GB)、贝氏体铁素体(BF)和 M A 组元，而原母材中的 QF 和 PF 已经消失。具体而言，X80 管线钢经85王刚，等:经历多次热循环的 X80 管线钢焊接粗晶区的组织性能研究历 1 次热循环后的显微组织主要为 GB、少量的 BF和 M A 组元，经历 2 次热循环后的显微组织主要为 GB、BF 和少量的 M A 组元，经历 3 次热循环后的显微组织主要为 BF 和少量的 GB、M A 组元。随着热循环次数的增加，GB 体积分数明显减少，BF体积分数明显增加。表 1全自动 GMAW 焊的主要工艺参数焊接方式焊接电流 I/A电弧电压 U/V焊接速度 v/(cmmin1)t8/5/s冷却速度/(s1)热焊240 26023 2520 25723 10832770 4152填充焊200 24023 2510 22684 10831546 4389图 3经历不同热循环次数后的 X80 管线钢的光学显微组织图 4经历不同热循环次数后的 X80 管线钢的 SEM 照片X80 管线钢经历热循环后获得的 BF 等非平衡组织在原奥氏体的 111 面上以切变方式生成，由原奥氏体晶界以相互平行的板条向晶内生长，将原奥氏体晶粒分割成不同区域，并与母材保持 K S位相关系，且在一个奥氏体晶粒内的板条束通常以不同位向交错分布，大于 15的大角度晶界不断增大至 40 80，可以有效地细化晶粒并抑制裂纹扩展，这与已有研究的发现基本一致11 12。从图中还可以看出，经历不同次数热循环后，与有关研究所获得的结论一致，含有 GB 的组织不及含有 BF 的原奥氏体晶界清晰，只有部分可见，且不规则块状 GB 以不同位向间小角度晶界分布于原奥氏体晶界和晶内13。从图 4 中很清楚地看到，脆硬的 M A 组元以颗粒状、块状、条状等多种形态存在于 GB 基体上、原奥氏体晶界、板条界以及板条束界等不同位置，随着 GB 相对体积分数的下降，M A组元由 GB 内部和边界的粒状或点状向 BF 板条界和板条束界的针状或薄片状转变，这将对粗晶区和再热粗晶区的强度、硬度和韧性等力学性能产生显著的影响。此外，随着热循环次数的增加，原奥氏体晶界则比较模糊，不易分辨的圆润无“尖角”形态向小部分仍无法识别的不规则“圆弧晶”变化，最后演变为晶界清晰可见的“三叉晶”。22晶粒尺寸从图 3 和图 4 还可以发现，经历不同次数热循95王刚，等:经历多次热循环的 X80 管线钢焊接粗晶区的组织性能研究环后的 X80 管线钢显微组织中的晶粒尺寸相差较大，如表 2 所示。表 2不同热循环次数下的有关晶粒尺寸热循环次数A 平均晶粒尺寸/mM A 平均晶粒尺寸/mM A 体积分数/%BF 板条宽度/m0410 437 43014050 839 4307724860 878 9708636951 118 30136经历热循环后的 X80 管线钢焊接 CGHAZ 晶粒严重粗化，由母材的平均晶粒尺寸 4 06 m 增大约10 倍至 1 次热循环的 40 5 m 左右，随着热循环次数的增加，平均晶粒尺寸增大，同时晶粒不均匀度也增加。其主要原因是由于 X80 管线钢 CGHAZ 经历了快速加热(200/s)和高温(1 350)短时停留(10 s)，使得奥氏体晶粒尺寸显著增大;同时，原始组织中含有的合金元素阻碍奥氏体晶粒增大的能力减弱，导致奥氏体晶粒进一步粗化且不均匀化14。另外，X80 管线钢 CGHAZ 中 M A 组元的平均晶粒尺寸和体积分数，以及 BF 板条宽度在经历不同次数热循环后也发生了显著变化，如表 2 和图 5所示。母材组织中的 M A 组元平均弦长最小，体积分数约为 7 43%，随着热循环次数的增加，M A 组元的平均弦长由 0 83 m 增加至 1 11 m，体积分数却随之减小，从 9 43%减小至 8 30%;BF板条宽度由 0 77 m 增加至 1 36 m。其原因是，多次热循环时加热温度很高(1 350)，新生奥氏体总是与结晶学有序组织在密排面和密排方向保持平行，来减小相变阻力，让热循环具有取向性形核，并使奥氏体形成时遗传了上一次热循环的粗大组织15。而由于热循环峰值温度远高于奥氏体化温度，奥氏体发生再结晶使得 X80 管线钢再热粗晶区的 M A 组元的体积分数下降。23显微硬度采用小负荷的维氏硬度计测试经历不同热循环次数后焊接 CGHAZ 的显微硬度，结果如图 6 所示。随着焊接热循环次数的增加，CGHAZ 的显微硬度值从母材的242 HV1增加至3 次热循环后的 285 HV1，但增加幅度逐渐减小。由于显微硬度与显微组织等因素密切相关，经历焊接热循环后母材中均匀细小的 QF 和 PF 组织转变为 CGHAZ 中的 BF 和 GB。一方面，粗大的板条状脆硬 BF 比 GB 对硬度的影响更大16，随着热循环次数的增加，组织中的 BF 体积分数增加，同时板条宽度也随之增加，GB 体积分数却随之减少，从而使 CGHAZ 的显微硬度增加;另一方面，随着热循环次数的增加，小角度晶界向大角度晶界转变，增加了界面的晶界能，提高了位错运动的速度17，形成位错强化，也会使 CGHAZ 的显微硬度增加。此外，尽管脆硬的 M A 组元体积分数减小会使 CGHAZ 的显微硬度有所减小，但由于 BF 对其显微硬度的影响大于 M A 组元 18，从而使得 CGHAZ 的显微硬度随热循环次数的增加而增加。由此可见，对于经历多次热循环后的 X80 管线钢来说，显微组织、晶界角度以及 M A 组元的平均弦长和体积分数对 CGHAZ和再热粗晶区的显微硬度都有非常显著的影响。图 5经历不同热循环次数后 X80 管线钢的M A 组元和 BF 板条形貌图 6不同热循环次数下焊接 CGHAZ 的显微硬度06王刚，等:经历多次热循环的 X80 管线钢焊接粗晶区的组织性能研究3结论(1)经历多次热循环作用后，X80 管线钢CGHAZ 和再热粗晶区的显微组织主要为 GB、BF 和M A 组元，并且随着热循环次数的增加，BF 的体积分数增加，GB 和 M A 组元的体积分数减少，原奥氏体晶界由“圆弧晶”向“三叉晶”转变，晶界逐渐清晰化。(2)随着热循环次数的增加，BF 的板条宽度由 0 77 m 增大至 1 36 m，M A 组元的平均弦长增加、体积分数略微降低;原奥氏体晶粒尺寸由40 5 m 逐渐粗化至 69 5 m，且越来越不均匀化。同时晶粒内部的大角度晶界增加，使得晶体取向更为单一化。(3)经历热循环作用后的 X80 管线钢的硬度值与显微组织等因素相关，随着热循环次数的增加，其显微硬度值由 242 HV1以逐渐减小的变化率增加至 285 HV1，X80 管线钢同一部位的组织和性能受热循环作用的影响十分显著。参考文献 1 谷雨，姜韶华，徐海，等 X80 管线钢 CGHAZ 连续冷却组织转变规律及力学性能研究J 焊管，2021，44(6):13 17 2 MIAO C L，SHANG C J，WANG X M，et al Microstruc-ture and Toughness of HAZ in X80 Pipeline Steel WithHigh Nb Content J Acta Metallurgica 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error，mismatch error，sampling error indi-cators，the main time error parameters between channels of high precision analog to digital converter are ana-lyzed According to the number of zero crossings，the gain mismatch coefficient is solved，and the dynamic calibra-tion index value is determined，so as to complete the real time calibration of time error parameters The experi-mental results show that，compared with TIADC time error calibration algorithm，the time error calibration algorithmbetween high precision analog to digital channels can effectively compensate the signal transmission errorKey words:analog to digital converter;high precision channel;time error calibration;zero cross point;gainmismatch coefficient(编辑:刘姝)(上接第 61 页)Microstructure and Property of Coarse Grained Heat Affected Zonein X80 Pipeline Steel Under Multiple Thermal CyclesWANG Gang1YIN Limeng1TANG Li1WANG Xuejun2LIU Kai2ZHENG Minggao3WANG Jing4FENG Dayong5(1 School of Metallurgy and Materials Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China;2 National Pipe Network Group Southwest Pipeline Co Ltd，Chengdu 402660，China;3 Sinopec Jianghan Oil Construction Engineering Co Ltd，Qianjiang Hubei 433100，China;4 PetroChina(Xinjiang)Petroleum Engineering Co Ltd，Karamay Xinjiang 834000，China;5 Liaohe Oilfield Construction Co Ltd，Panjin Liaoning 124010，China)Abstract:The multiple thermal cycle process of X80 pipeline steel welding is simulated by phase transformation in-strument DIL805A/D，and its microstructure，M A component size and volume fraction，original austenite graincoarsening and microhardness are obtained by OM，SEM and HV 1000 The results show that PF and QF in basemetal disappear after rapid welding thermal cycle with peak temperature of 1350 With the increasing of thenumber of thermal cycles，the structure type basically remains unchanged，mainly GB，BF，M A components，but the content of GB gradually decreases，the number of BF gradually increases，and the lath width of BF coarsenfrom 0.77m(after 1 cycle)to 1 36m(after 3 cycles)The average grain size of M A component increasesand the volume fraction decreases slightly The original austenite grain size increases from 40 5 m(after 1 cycle)to 69.5 m(after 3 cycles)，showing a worse inhomogeneous appearance In addition，the hardness of X80 pipe-line steel shows an increasing trend with the number of thermal cycle increasing，and the trend is slowing downKey words:X80 pipeline steel;multiple thermal cycles;coarse grained heat affected zone(CGHAZ);microstruc-ture;hardness(编辑:石幸利)401