X120管线钢焊接试验及分析

【摘要】本文介绍了x120 管线钢的焊接研究现状，通过几种不同成分焊丝与焊剂的匹配试验,确定了X120管线钢的最佳焊材匹配方案，文章最后阐述了X120 管线钢的发展前景。

【关键词】X120管线钢；焊接试验；分析

中图分类号：P755.1 文献标识码：A 文章编号：

一．引言

近几年，我国天然气使用量的不断增加， 输气管线的发展速度十分迅速。由于天然气田大多集中在荒漠、 极地冻土带以及海洋等边远地区，对管线钢提出了更高的要求。所以加强X120管线钢焊接研究十分必要。

二．X120 管线钢的焊接研究现状

目前， 关于 X120 管线钢焊接方面的报道相对较少。 与普通管线钢相比，X120 钢对焊接材料的要求更高， 焊接材料除应具有与母材相匹配的强度外还应具备足够的韧性， 而焊缝的强度与韧性一般呈反比关系，强度越高，韧性就越低。 另外，X120 钢因具有较高的碳当量，如何保证热影响区(HAZ)韧性，降低焊接接头冷裂纹敏感性变得更加困难。

之前有学者研究了焊接工艺参数对 X80 管线钢 HAZ 韧性的影响。 结果表明，线能量对 HAZ 韧性的影响最为显著。 因此，能否提高 HAZ 的韧性是X120 管线钢性能优异的关键。 采用焊接热模拟的方法，研究了线能量对 X120 管线钢 HAZ 韧性的影响， 结果表明随焊接线能量的增加，HAZ 冲击功先增加后减小， 当焊接线能量为 35kJ/cm 时，HAZ 具有最高的韧性。 同时经过选用 3 种不同成分的焊丝与氟碱性烧结焊剂配合试焊， 发现合金含量适量时，焊缝冲击韧性最高，焊缝强度也较高，此时焊缝强韧配合最佳。 但是经 JCO 成型工艺对 X120钢板焊接后， 试焊结果均未满足强度要求， 这说明X120 管线钢焊材强度尚有待提高 ， 重点开发了X120 管线钢专用焊材。

与普通管线钢具有较佳的弯曲变形能力不同，X120 钢管在 8 倍壁厚的弯轴直径下弯曲出现裂纹， 这主要是因为 X120 钢管焊缝粗晶区(CGHAZ)晶粒明显长大，晶界疏松，组织中 M/A数 量多且呈长 条 状 分 布 ， 导 致 X120 钢 管 焊 缝CGHAZ 的局部脆化。 加之 X120 管线钢焊缝及母材塑性变形能力下降, 在弯曲试验中焊缝及母材对脆性区的保护作用降低,最终导致发生开裂。可见，焊接线能量越低，焊缝处的 HAZ 韧性就越好。 因此，X120 钢的焊接选择了比以往管线钢焊接线能量低的焊接条件。 现阶段焊接性良好的焊丝和焊剂的开发刻不容缓。同时，还应该开发优化坡口形状和焊接技术， 以便能使焊缝具有与母材相同强度的高韧性。

三．X120管线钢焊接工艺试验研究

1.焊接线能量的选择

在焊接过程中,焊接热影响区会出现晶粒粗化及组织结构变化,能否提高HAZ的韧性是X120能否成功应用的关键。之前研究表明表明,线能量对HAZ韧性的影响最为显著,其次是预热温度,板厚的影响最小。本研究采用热模拟方法,研究了不同线能量下的X120管线钢HAZ冲击韧性,焊接热模拟试验在Gleeble-3500型热模拟试验机上进行,试样尺寸为10mm*10mm*55 mm,不同线能量对应的HAZ韧性见下表1。可见,热模拟后HAZ韧性较母材都有一定程度的损失,不同线能量对应的HAZ韧性不同,随焊接线能量的增加,HAZ冲击功先增加后减小,当焊接线能量为35 kJ·cm-1时,HAZ具有最高的韧性。因此,X120管线钢焊接时的线能量设定为35 kJ•cm-1左右。

表1：焊接线能量对HAZ韧性的影响

2. 焊丝匹配试验

焊接金属的选择原则首先是满足强度要求,即要求焊接接头强度大于等于母材规定强度的下限;其次,从断裂控制以及低温环境下使用条件考虑,要求焊缝和热影响区具有足够高的韧性。本研究选用3种不同成分设计的焊丝搭配一种碱性烧结焊剂进行了匹配试验, 3种不同匹配获得的焊缝典型化学成分见下表2,可以看出3种方案获得的焊缝化学成分差别较大,A方案焊缝金属合金含量最高, B方案次之, C方案合金含量最少。

表2： 3种不同匹配方案下焊缝金属化学成分

3种匹配得到的焊接接头强度及韧性结果列于下表3。焊缝拉伸分别在去除余高和保留余高两种情况下进行。在去除余高时,焊缝强度明显不足,拉伸全部断于焊缝金属,合金元素较低的方案C焊缝强度最低。而在保留焊缝余高时,焊接接头保持了较高的强度, A和B两种方案的焊缝强度均能满足要求。由不同方案比较可见,焊材匹配方案A焊缝强度较高,但焊缝冲击韧性偏低;焊材匹配方案C的焊缝冲击韧性有所改善,但焊缝强度偏低;焊材匹配方案B焊缝冲击韧性最高,焊缝强度也较高,此时焊缝强韧配合最佳,确定为最终的焊材匹配方案。

表：3种匹配的焊接接头强度及韧性

四．试验分析

从X120管线钢的焊接工艺试验及生产实践可以看出,低碳设计的X120管线钢具备了较好的可焊性,钢管焊缝及HAZ韧性均较为理想。X120管线钢焊接中存在的主要问题来源于焊接材料,在去除焊缝余高的前提下,匹配试验中选用的3种焊丝得到的焊缝强度均低于母材要求的最低抗拉强度,未满足焊接对焊材的强度要求,这将降低焊接接头的强度并对焊缝的裂纹行为产生影响。研究表明,低匹配焊缝将使焊接接头的抗变形能力降低,并在一定程度上对焊接接头止裂性能不利。焊接接头硬度试验也印证了焊缝强度在整个焊接接头中最低,从硬度结果看出,接头硬度的最低点4及5均位于焊缝区,这与去除余高后拉伸试验断口位于焊缝相吻合。匹配试验选用的焊丝已是目前较高强度管线钢用焊材,均未满足强度要求,这说明X120管线钢焊材强度尚有待提高。针对目前X120管线钢焊接材料不成熟的现状,下一步应重点开发X120管线钢专用焊材。

与X80管线钢相比, X120钢焊缝弯曲变形能力较差,西气东输二线标准规定X80管线钢的焊缝弯曲直径为6t,而本研究X120钢在弯曲直径8t的弯曲中熔合线处出现了开裂,这是X120钢焊接中暴露的另外一个问题。弯曲试验的目的之一在于检测焊接接头(包括焊缝、热影响区及母材)的致密性及整体塑性,塑性要求是指接头需具有与母材标准伸长率相匹配的塑性变形能力。众所周知,焊缝粗晶区(CGHAZ)是接头中的最薄弱区,在焊接中存在晶粒长大及晶界疏松。通过X120钢热影响区组织图，可以看出,相比细晶区(FGHAZ),焊后CGHAZ晶粒明显长大,造成塑性及强度的下降。观察CGHAZ还可看出,X120钢因具有比X80钢更高的碳当量,组织中析出的M/A数量更多,M/A呈长条状分布,而且绝大多数M/A长度贯穿整个奥氏体晶粒。

五．X120 管线钢的发展前景

天然气主要依靠管道运输， 天然气管道工业的发展是顺利实现能源结构调整的前提和基础。 我国管道工业有近 10 年的发展历史。 中亚-西气东输二线干线的建成投产， 形成了我国主要天然气干线管道网络，构成了近 4 万千米的“气化中国”的能源大动脉。 随着天然气管网的全面铺就， 天然气的安全输送成为关键， 特别是长距离天然气输送管道用钢将会向高强钢的发展备受关注。 专家预计， 若干年后 X120 级管线钢在用量方面可能占据第一位。采用 X120 超高强钢的优势有以下几方面：

1.当输送量恒定时，采用 X120 高强钢钢管输送，可提高输送压力，从而使管径减小、管壁减薄。这使得焊材的使用费、焊缝的施工费，钢管的运输费等也相应的减少。

2.输送压力的提高， 可使压缩机站之间的距离增大。同时由于输送压力高、天然气密度大而使压缩机的效率提高，能耗相应减小。

3.由于作用在管壁上的应力与钢管直径和内压成正比， 因此管径和内压的增加要求壁厚和钢的强度增加。 X120 相比较于 X70、X80，其强度上升幅度大，有助于天然气长距离高压输送。

4.X120 管线钢的低温韧性和韧脆转变特性可满足严酷的地域和恶劣的气候条件。鉴于以上所述经济效益和性能优势的驱动，相信 X120 高强度管线钢将会广泛应用于天然气管道输送行业。

六．总结

1.以选定的焊接工艺参数对JCO成型的X120管线钢进行了焊接生产,分析表明,目前现有的焊接材料较难实现X120管线钢的等强或过匹配焊接,下一步应重点开发X120管线钢专用焊材。

2.与X80管线钢不同,X120钢管在弯曲直径为8t时的弯曲中熔合线处出现了开裂,这主要是因为X120 CGHAZ晶粒长大明显,组织中M/A数量较多,呈长条状分布,造成了CGHAZ的严重脆化,加之X120管线钢焊缝及母材塑性变形能力下降,其对脆性区的保护作用降低,最终导致弯曲试验产生开裂。

参考文献：

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