（材料加工工程专业论文）x80管线钢焊接性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本课题作为x 8 0 钢焊接性课题研究的初始工作，主要目的是研究x 8 0 钢的 焊接性及在焊接过程中产生的冷裂纹的问题为现场焊接时提供工艺参数的依 据。通过改变一些工艺设计和实验方法进行分析；提高热影响区的韧性，实现 焊缝金属的纯净化与晶粒细化、选择合适的焊接方法以及改进焊接工艺等。利 用扫描电镜( s 刚) 、金相显微镜研究了环焊接头的显微结构，并对接头的力学 性能和显微硬度进行了测试与分析。 试验结果和分析研究表明： x 8 0 管线钢环焊缝对接，焊缝产生的裂纹为穿晶冷裂纹，当预热1 0 0 及以 上时焊缝断面裂纹率大大降低。通过对管线钢的碳当量计算发现x 8 0 管线钢的 淬硬倾向不是很大，在管线钢的焊接中相对容易一些。在实际焊接中控制线能 量有利于预防冷裂纹的产生。当t 5 为3 5 s 左右时粗晶区的韧性最好，低于或高 于该冷却速度，韧性均下降。线能量过低可能造成焊缝金属中产生淬硬组织，线 能量过高会使焊缝热影响区硬度下降。 本论文采用三种焊接工艺方案：即焊条电弧焊、焊条电弧焊+ 自保护药芯焊 丝半自动焊和全自保护药芯焊丝半自动焊。前两种焊接方法的根焊均采用焊条 电弧焊材料采用b o h l e re 9 0 1 0 焊条，填充焊和盖面焊均采用b o h l e re 9 0 1 8 - - g 焊 条；自保护药芯焊丝半自动焊根焊采用b o h l e re 9 0 1 0 焊条，填充焊和盖面焊均 采用h o b a r t8 1 n 2 焊丝；第三种工艺采用m e t a l l o y7 1 焊丝打底，j c 一2 9 n il 焊丝、 填充、盖面。经四川省石油管道焊接技术中心的x 射线探伤鉴定该焊缝质量合格。 利用金相分析方法判断材料的微观形貌，并判断焊接接头中有没有有害的 组织，分析两种焊接接头中不同组织产生的原因避免产生有害组织，通过控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 线能量得到希望的成分，并对比三种接头的组织成分判断哪种工艺方案更适合 现场焊接中应用。 通过力学性能试验考察现场施焊焊缝的力学性能，掌握试验室条件和现场 条件下焊缝整体性能上的差异，通过观察环境条件对焊口形成过程及焊口力学 性能的影响，合理地调整焊接工艺参数：考察拉伸、背弯、面弯、低温夏比冲击 等物理指标，积累手工焊、半自动焊的施工经验。 关键词：x 8 0 管线钢；线能量；预热温度；工艺参数；组织分析；力学性能 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t 1 n h i sr e s e a r c ht o p i ci st h ei n i t i a lj o bo ft h ew e l d a b i l i t yo fx 8 0p i p e l i n es t e e l , t h em a i nj o bi s r e s e a r c h i n gt h ew e l d a b i l i t yo fx 8 0p i p e l i n es t e e la n dt h ep r o b l e m o fp r o d u c i n gc o l dc r a c ki nt h e p r o c e s so fw e l d i n 岛t h e np r o v i d et h eb a s i sf o rt e c h n o l o g i cp a r a m e t e r sf o rs i t ew e l d i n g b y c h a n g i n gs o m ep r o c e s sd e s i g na n de x p e r i m e n t a lm e t h o d ，t h et o u g h n e s so fh a z w a si m p r o v e d , w mw a sp u r i f i e da n dr e f i n e d , a p p r o p r i a t ew e l d i n gm e t h o dw a sc h o s e na n dw e l d i n gt e c h n o l o g y w a si m p r o v e d m i c r o s t m c t u r e sw e r es t u d i e db ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n d o p i t i c a lm i c r o s c o p e ( o p m ) m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r oh a r d n e s s w e r et e s t e da n d a n a l y z e d i tw a ss h o w nb ye x p e r i m e n tr e s u l ta n da n a l y s i s ： t h ec r a c ko fw e l d i n gs e 锄i st r a n s c r y s t a l l i n ec o l dc r a c k , w h e nh e a t e da t1 0 0 ( 2a n db e y o n d 1 0 0 c , i tw i l ld e c r e a s eo b v i o u s l y b yc a l c u l a t i n gt h ec a r b o ne q u i v a l e n to fp i p e l i n es t e e l ，i tw a g d i s c o v e r e dt h a tt h eh a r d e nq u e n c h i n gt e n d e n c yo fx 8 0p i p e l i n ei sn o tv e r ye v i d e n t , a n di ts e e l l m e a s i e rt ob ew e l d e dt h a nt h eo t h e rp i p e l i n es t e e l c o n t r o l l i n gt h el i n e a re n e r g yi sg o o df o r p r e v e n t i n gt h ec o l dc r a c kw h e nw e l d i n g w h e nt 8 5e q u a lt oa b o u t3 5 s ，t h er o u g h n e s so fc o a l 裂g g r i n z o l g gi st h eb e s t a b o u tl i n e a re n e r g y , al o wv a l u em a yp r o d u c eh a r d e n i n go r g a n i z a t i o ni nt h e w m , w h i l eah i g hv a l u em a k et h eh a r d n e s so fh a zd e c n 勰 t h r e es c h e m e sw e r eu s e di nt h i sp a p e r , o n ei ss h i e l d e dm e t a la 虻w e l d i n g ，o n ei ss h i e l d e d m e t a la r cw e l d i n g + f l u x - c o r e dw i r es e m i a u t o m a t i cw e l d i n g , a n dt h et h i r di sf l u x - c o r e dw i r e s e m i a u t o m a t i cw e l d i n g t h er o o tw e l d i n go ft h ef i r s tt w om e t h o d sb o mu s e ds h i e l d e dm e t a la r c w e l d i n g , w e l d i n gm a t e r i a lu s e db o h l e re 9 0 1 0e l e c t o d e , f d l e dw e l d i n gu s e db o h l e re 9 0 1 8 一 ge l e c t r o d ea n dc o s m e t i cw e l d i n gu s e dh o b a r t8 1 n 2w e l d i n gw i r e ，a n dt h et h i r du s e d m e t a l l o y7 1r e c o n c i l ef l o r a l , a n dj c 一2 9 n i 1t of il la n dc o v e r a f t e rx - r a yi n s p e c t i o nb y s i c h u a n gp e t r o l e u mp i p e l i n ew e l d i n gt e c h n o l o g yc e n t e r , t h ew e l dq u a l i t yi sq u a l i f i e d m i c r o s t r u c t u r ew a so b s e r v e db ym e t a l l o g r a p h i cm e t h o d ，b yw h i c hj u d g i n gw h e t h e rt h e r e e x i s t e dh a r m f u lo r g a n i z a t i o ni nt h ew e l d e dj o i n t , a n da n a l y z i n gt h ec a u s eo fe x i s t i n gh a r m f u l o r g a n i z a t i o n i nt h ed i f f e r e n tw e l d e dj o i n t b y c o n t r o l l i n g t h el i n e a r e n e r g y , t h er e q u i r e d c o m p o s i t i o nw a so b t a i n e d ，a n dt h em o s ta d a p t i v es c h e m ew a sc h o s e nf o rs i t ew e l d i n ga n 盯 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 c o m p a r e d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew e l db e a mo fs i t ew e l d i n gw e 尬s t u d i e db ym e c h a n i c a l p r o p e r t yt e s t s p r o c e s sp a r a m e t e r sw e l ea d j u s t e dr e a s o n a b l ya c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n c eb e t w e e n t h ec o n d i t i o n so fl a ba n df i e l d t e n s i l e ，b a c kb e n d i n g , f a c eb e n d i n g ，c h a r p yi m p a c ta tal o w t e m p e r a t u r ea n do t h e rp h y s i c a li n d e xw e r es t u d i e d k e yw o r d s ：x s 0p i p e l i n es t e e l ；l i n e a re n e r g y ；p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ；p r o c e s sp a r a m e t e r s ； m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密e 1 6 ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 一) 学位论文作者签名：关沭 9 9 、上f 上 日期5 指导老师签名： 降斗 腑七肛 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本论文确定了西气东输二线工程采用的x 8 0 管线钢环焊缝接头的焊前预热 温度，采用了热模拟试验选取了合适的线能量使性能不好的粗晶区具有了良好 的力学性能，从三种焊接工艺中优化选取了一种焊接工艺，采用多道薄层快速 焊接使焊接接头的力学性能得到优化焊缝质量合格。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 油气管道概述 第1 章绪论 随着世界各国能源的不断开发与利用，石油及天然气的开采、输送与储存 作为国民经济发展的重要标志，越来越为世界各国所重视，而且已经成为世界 经济发展状况的睛雨表。作为安全、经济、有效的油气运输手段，长输管道油 气输送行业在世界各国都得到了快速发展。据不完全统计，目前世界油气长输 管道建成并投入运营的在2 0 0 万l 锄以上哪。 近年来，我国能源的资源分布来看，石油和天然气具有很大的储量。尤其 是天然气近年探明的储量更是急剧上升，国家对天然气的利用也非常重视。长 输管线作为高效、经济、安全、环保的输送方式，已被国家列为重点发展的行 业之一。 我国的第一条管道是大庆至铁岭的输油管道，自从投产至今我国长输管道 已经建设了三十二年。在此期间我国管道工业发展很快，目前东部地区已经形 成了连接油田、港口、石油化工厂的输油管网。最近几年，西部地区的油气管 道建设也得到了快速发展，以陕京输气管线、西气东输、涩宁兰、库都线为代 表的西部油气管道的建设基本上实现了西部油气外运，西气东送的格局。随着 我国油气资源探明储量的不断增加，成品油及天然气市场需求的不断扩大，我 国的石油及天然气管道将进入一个新的建设高潮。除了已经完工并投入使用的 西气东输、陕京输气管线等以外，目前正在建设的管道有陕京二线以及西部管 道等。至今我国建成并投入运营的油气长输管道约3 万k m 。而长输管道的质量 关系到整个油气管道的安全运行。尤其是输气管线，一旦发生破裂事故，将爆 管几千米，甚至十几千米，将造成重大经济损失和人员伤亡，且造成重大的环 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 境污染。1 9 5 0 年美国一条直径为7 6 2 m 的管道在试气时发生破裂。世界上最引 人注目的一次管道脆性断裂事故发生在1 9 6 0 年美国t r a n s - w e s t e r n 公司的一条 7 6 2 m m 的输气管道上。该管道全长9 3 k m ，断裂长度达1 3 k m 。我国最大的一次管道 断裂事故发生在大庆至铁岭的输油管道复线上，1 9 7 4 年该管道在冬季试压时发 生破裂。爆破长度约为2 k m 。因此，管道的可靠性与安全性对于油气输送、储存 及生产管理是非常重要的删。 1 1 1 管线钢在国外的发展与应用 管线钢是在国民经济建设中广泛应用的重要钢铁材料，其生产水平及性能 是衡量一个国家钢铁工业发展水平的重要标志。管线钢的发展经历了一个漫长 的过程。自1 8 0 6 年安装第一条铅制管线开始，已经有近2 0 0 年的历史。高强度 低合金( h s l a ) 钢于1 9 5 9 年在美国g r e a ti a k e 管线系统中首次获得应用，当时 的高强度是指x 5 2 钢级，之后管线钢的发展水平一直伴随h s l a 钢的发展而得到 不断的提高。 通过提高管线钢的强度级别来实现高压、大输量和大管径的管线输送，现 己成为管线建设的主要发展趋势。管线钢能够不断向高强度级别方向发展的主 要原因是经济利益的需要。在管线项目投资中，钢管的投资约占4 0 左右，采用 高钢级管线钢管可以减小壁厚，而高压输送可以在不改变输送量的情况下减小 管径h 。壁厚和管径的减小，可使钢管自重减小，制造、安装更加容易。经统计， 对于长距离管线，采用高压、高钢级、应变设计原则，可以节省1 2 - 1 5 的管道 建设成本阁。以上是导致管线钢强度级别越来越高、输送压力越来越大的主要原 因，而冶金行业技术装备水平的不断提高也为满足管线钢强度级别的不断提高 和输送压力的不断增加提供了保障。 近十年来，欧洲、北美的长距离、大管径油气管线以x 6 0 、x 6 5 及x 7 0 为主， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 使用量占到供货总数的9 0 左右。到上世纪9 0 年代后期，x 7 0 的用量超过x 6 5 而成为该时期油气管线建设的主流，而有些著名公司已经开始把x 8 0 级管线钢 作为油气管线的首选钢级旧。德国m a n n e s m a n n 公司( 后并入欧洲钢管公司) 于 1 9 8 5 年研制成功了x 8 0 钢级管线钢，并铺设了3 2 公里的试验管道。到2 0 0 2 年底欧洲钢管公司已经供应了近1 8 9 万吨( 近3 6 0 k m ) ，钢管最大壁厚可至 2 5 4 珊。在日本，住友金属已经生产出相应钢级1 4 万吨，新日铁0 6 万吨、 n k k 4 7 万吨。在澳大利亚，p i p e s t e e l 于2 0 0 2 年成功完成了相应钢级p s 5 6 0 0 的商业生产。对于螺旋焊管及热轧卷板，1 9 9 4 年i p s c o 率先进行了x 8 0 卷板的 商业化生产并用于v o v ag a s ，此后又进一步将厚度增加到1 5 3 m ，还向美国由 怀俄明州至堪萨斯州输气管道供应了x 8 0 级螺旋焊管1 4 3 万吨。2 0 0 3 年韩国 p o s c o 也完成了x 8 0 钢级1 4 6 m 的热轧卷板的试生产。以上各家虽然各自的合 金化原理和轧制工艺各不相同，但是性能和使用均为良好忉。 x 8 0 管道钢的用户，目前主要有加拿大的t r a n s c a n a d a 、德国的r u h rg a s 、 英国的t r a n s c o 等。加拿大t r a n s c a n a d a 于1 9 9 1 年开始小规模试用x 8 0 钢级的 钢管，1 9 9 4 1 9 9 5 年铺设了一条3 0 公里的管道，全部采用x 8 0 钢管，至今已经 铺设了大约4 0 0 公里。x 8 0 钢管已经成功应用于加拿大a l b e r t a 省北部永久冻土 地带。r u h rg a s 分别于1 9 9 2 、1 9 9 3 年建设了1 1 6 、1 1 4 公里的由1 2 1 9 1 8 3 1 9 4 的x 8 0 钢级管线，至今运营良好。2 0 0 3 年澳大利亚也成功完成了1 3 k m 的x 8 0 钢级管线试验段r o m al o o p i n g 啪。此外，日本t o k y og a s 准备在东京繁华市区 地下建设一条x 8 0 钢级输气管线，钢管由三家钢厂供应。 到2 0 0 4 年为止，全世界铺设的x 8 0 管道约2 0 0 0 1 m ( 见表i - i ) 嗍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 表1 - 1 全球已建设的x 8 0 管线项目 序号建设年代国家工程名称长度钢管厂直径璧厚 ( 1 口) ( 神 ( ) l1 9 8 5德国r u h rg a s g a l 3 2曼内斯曼“1 8l 3 6 2l 铜旧斯洛伐第四输气管道 1 5 曼内斯曼 1 4 2 21 5 6 克 31 9 9 2 一l 螂德国r u h rg a s w e r n e - s e h h m c h2 5 & 9欧洲钢管1 2 1 9 l & 3 1 9 4 4 1 9 9 0 2 0 0 2 加拿大 n o v am a t z h i v i a n ；e a s t 4 5 9 3i p s c o 新日1 0 6 7 1 2 1 9l o 6 1 7 8 a 1 b e r t as y s t e m ；c e n t r a l铁等 a l b e r t as y s t e m ；e a s t a l b e r t as y s t e m ，e r e 52 l 一2 0 0 4 英国c e m b r i d g e瑚欧洲钢管 1 2 1 9l4 3 2 1 8 也g ；h s w i l l b u g b b y e t c 62 0 0 4 美国c h e y e n n ep l a i n s 6 8i p 8 c o9 1 4 1 1 7 4 1 6 9 4 7 其他约5 0 0 1 m 合计 2 0 0 0 k m 目前国外x 8 0 管线钢的开发、生产与使用已经有2 0 多年的历史，在管线设 计、炼钢轧钢、制管成型、焊接工艺、检测评定、防腐保护、运营维护、工艺 优化等方面积累了经验。正在建设中的x 8 0 管线中有代表性的a l a s k ah i g h w a y 输气管线和m a c h e n z i ev a l i e y 输气管线，输送压力1 4 3 m p a ，长度分别为2 8 0 0 k m 和1 2 0 7 k m ，管径分别为1 0 6 7 m m 和7 6 2 m m 。挪威s t a t o i l 公司对新日铁、住友金 属、n k k 和e 等公司提供的x 8 0 钢级钢管进行了用于海底管道的可行性研究，获 得了满意结果1 9 1 。 由此可见，x 8 0 管线钢已是国际上的成熟钢种。可以预见，今后x 8 0 钢级管 线钢的应用将更加广泛。 x 8 0 管线钢的制造：要保证x 8 0 管线钢应达到的性能指标，有两种方法。一 是在控制碳含量的前提下添加微合金化元素，控制其相变过程，优化其金相组 织，提高其强度和韧性。二是通过制造工艺，控制其形变的量，使材料达到最 优状态。 x 8 0 管线钢的生产还通过控轧控冷工艺获得优良的性能。目前进行研究的新 一代钢铁材料就是不加或少加合金元素，通过控制轧制工艺获得高性能的钢铁 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 材料。采用降低终轧温度的方法来改善钢的力学性能，早在二十世纪3 0 年代就 引起人们注意。目前控制轧制和控制冷却已发展到一个新的阶段。控制轧制的 实质是得到细小的奥氏体晶粒，以便在相变后得到细小的铁素体晶粒，有效地 提高钢的强韧性。控制冷却的实质是防止控轧后细小的奥氏体或铁素体晶粒重 新再结晶或长大，以便最后获得细小的组织。控制轧制和快速冷却工序有奥氏 体再结晶区轧制、奥氏体非再结晶区轧制。两相区的传统控制轧制工艺和高温 再结晶控制轧制工艺，或这两种工艺的联合使用对轧制过程的控制与热加工物 理冶金学相结合，已有可能对轧制过程中温度的变化、显微组织的类型、晶粒 的尺寸、奥氏体未再结晶区的积累应变、残余奥氏体应变以及微合金元素的沉 淀动力学等进行有效地控制和准确地预测，为开发具有更佳力学性能的钢种开 辟了广阔的途径。控轧钢的一个近代发展是轧后的控制冷却。轧后引入加速冷 却，使相变温度降低，过冷度增大，从而增加了形核率。同时由于冷却速度的 增加，阻止或延迟了碳、氮化物在冷却中过早析出，因而易于生成更加弥散的 析出物。进一步提高冷却速度，则可获得贝氏体或针状铁素体，进一步改善钢 的强韧性阳。 近年来，国内外管线钢制造厂在控制轧制管线钢工艺方面研究较多的是轧 后的控制冷却技术。为获得低碳或超低碳的针状铁素体和贝氏体组织，在钢中 添加抑制等轴铁素体形成的元素( m 0 ，b ) 的基础上，采用了轧后的动态加速冷却 ( d y n a m i ca c c e le r a t ec o o ld a c ) 技术。d a c 工艺的高温终轧还有利于防止夹杂 物的延伸。目前，x 8 0 及x 1 0 0 级管线钢的生产均采用d a c 技术。再加热温度、 终轧温度、冷却速度、冷却停止温度和板卷的卷制温度是控制轧制和控制冷却 技术的关键l - - l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 1 2 管线钢在国内的发展与应用 我国管道工业的发展经历了三个高潮期。1 9 5 8 年开始建设长距离原油输送 管道，1 9 6 5 年开始建设长距离天然气输送管道，在2 0 世纪6 0 年代中期至7 0 年代 初形成了第一个发展高潮，在此期间建成的主要管道有四川天然气管网和东北 输油管道等。2 0 世纪9 0 年代逐渐形成第二个发展高潮，在此期间建成的主要有 鄯乌输气管道、库鄯输油管道和陕京输气管道。随着我国对石油、天然气能源 需求的急剧增加，又迎来了一个前所未有的管线建设高潮。近期竣工的主要有涩 宁兰输气管道、兰成渝成品油管道和西气东输管道：正在建设的有忠武输气管 道、陕京二线输气管道、沿江原油管道( 南京至荆门、岳阳) 及环珠江三角洲输 气管道等：正在规划的有中哈管道以及中俄管道等。管道工业在我国是一个蓬勃 发展的朝阳工业，预计今后2 0 年，这一快速发展的势头将持续下去i 竭 在我国管道建设的不同阶段，管线钢的发展变化非常迅速。2 0 世纪5 0 7 0 年代管线钢主要采用a 3 钢和1 6 m n 钢：7 0 年代后期和8 0 年代采用从日本进口的 t s 5 2 k 钢( 相当于x 5 2 级钢) ；9 0 年代，塔里木三条油气管道、鄯乌输气管道、库 鄯输油管道和陕京输气管道采用的x 5 2 、x 6 0 、x 6 5 级热轧板卷主要由宝钢和武 钢生产供应。“八五一期间，通过冶金部门和石油部门的联合攻关，成功研制和 开发了x 5 2 一x 7 0 级高韧性管线钢，并逐步得到广泛应用。西气东输工程采用了 x 7 0 级管线钢，其中螺旋缝埋弧焊管全面实现了国产化，前期的直缝埋弧焊管仍 依赖进口，后期的采用了巨龙钢管公司生产的j c o e 焊管。值得注意的是，我国开 发应用x 6 5 、x 7 0 级管线钢的周期都非常短。以西气东输为例，从x 7 0 级热轧卷 板试制到螺旋埋弧焊管正式投产，前后不超过1 0 个月。这种情况的出现，一方面 因为我国管线钢研究开发起步较晚，在2 0 世纪9 0 年代还停留在x 6 0 钢级的水平 上，对高钢级管线钢没有进行大力的开发应用嗍：另一方面，随着国内对石油天 然气特别是作为洁净能源的天然气的需求迅猛增长，为了提高管道输送能力，降 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 低管道建设成本和运行成本，迫切需要大规模采用高强度管线钢。为了保证高强 度管线钢产品尽快投入工程应用，同时保证管道的安全可靠性，关键是要注重产 品开发与应用并举，在进行产品开发的同时大力开展新产品的工程应用基础研 究。在西气东输等重点工程立项后，石油部门和冶金部门联合开展了一系列相关 的研究工作，如大口径输气管道工程用高钢级管线钢国产化，油气输送管线管材 选用研究，高钢级管材组织性能及断裂控制研究，大口径感应加热弯管和三通管 生产工艺技术研究等。通过这些项目的研究，不仅促进了国内x 7 0 级管线钢产品 的研究开发，也保证了西气东输重要工程用管材的质量和管道的安全可靠性1 1 4 1 。 对于x 8 0 高钢级管材的研究和应用，石油部门与冶金部门联合开展了l o 余项国 家基础攻关。应用基础研究和技术开发项目，其中包括国家9 7 3 项目“高强度管 线钢的重大工艺基础研究一，中油集团技术开发项目“x 8 0 管线钢管的开发与应 用一、“x 8 0 管线钢的焊接及高韧性焊材选择一等等。宝钢、武钢、鞍钢等都相继 成功开发了x 8 0 级热轧板卷和宽厚钢板，宝鸡、华油、巨龙等公司相继成功开发 了x s o 级螺旋缝埋弧焊管和直缝埋弧焊管i 嘲。 1 1 3 国内x 8 0 级管线钢的研究及生产现状 如前所述，我国在开发x 8 0 级管线钢时采用“开发和应用并举弦的原则1 1 日。 正在开展的x s o 级管线钢应用基础研究课题内容包括：x 8 0 级管线钢的组织与性 能研究：高钢级输气管道的断裂控制研究；x 8 0 钢级管道现场环焊接头焊接工艺 优化及焊材选用：x 8 0 钢级管道现场冷弯管成型工艺及控制指标：x 8 0 钢级高强度 管件生产工艺及质量控制技术；x 8 0 钢级管道安全可靠性分析方法与评价技术等 等。在西气东输x t o 级管线钢成分组织与性能研究中，针对针状铁素体组织特点， 为了便于工程应用评级验收，研究确定了针状铁素体型管线钢组织分析技术，编 辑出版了 高强度微合金管线钢显微组织分析与鉴别图谱，制定了带状组织评 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 定方法和针状铁素体型管线钢铁素体晶粒度测定法。此外，针对高强度管线钢具 有的连续应力应变特性，研究了x t o 、x 8 0 级管线钢拉伸试验取样方法对钢管屈 服强度的影响，内容包括包申格效应的测定，屈强比与管道形变容量、极限载荷 以及缺陷容限尺寸的关系，高钢级管材性能组合指标探索等旧。 在西气东输管道环焊缝强度匹配研究中，分析了不同匹配形式对管道极限 载荷、缺陷容限尺寸等的影响。在x 8 0 级管线钢焊接技术研究中，采用热模拟技 术筛选了几种埋弧焊焊丝、焊剂组合。通过实验室验证后，在华北石油钢管厂进 行了大口径x 8 0 级螺旋埋弧焊管试制。同样，x 8 0 级高强度管道强度匹配对环焊 缝性能影响方面的研究仍然是今后的研究重点嗍。 1 2 管线钢的基本组织特征 管线钢根据显微组织形态通常可以分为三种类型，即铁素体一珠光体或少珠 光体管线钢、针状铁素体管线钢、铁素体一贝氏体或马氏体管线钢，当前主要应 用的是前两种嗍。铁素体一珠光体或少珠光体管线钢为第一代微合金管线钢，强 度级别主要为x 4 2 - x 7 0 。针状铁素体管线钢为第二代微合金管线钢，是上世纪七 十年代发展起来的，是目前也是今后1 0 - 2 0 年输送管线工程的主流钢种，强度 级别范围可覆盖x 6 0 - x 9 0 。至于第三代或更高强度级别的铁素体一贝氏体或马氏 体管线钢，虽然人们己在致力于如x 1 0 0 ，x 1 2 0 或更高级别管线钢的研究工作附， 但存在大量的问题如焊接性能、止裂性能、实地爆破试验、大批短距离的服役 试验等工作，还需要1 0 - 2 0 年的研究和经验积累，才能够进行使用。 1 2 1 铁素体一珠光体或少珠光体钢 铁素体一珠光体或少珠光体是管线钢中的一种基本组织形态。显然这种钢中 珠光体是影响强度的一个主要因素，含碳量的增加容易导致珠光体的增大，势 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 必影响到管线钢的焊接性能。因此，通常利用，t i 和v 在铁素体基体上析 出弥散分布的不可变形微合金碳氮化物质点，产生沉淀析出强化的特点及细化 晶粒等手段大幅度提高铁素体一珠光体或少珠光体管线钢的强度水平。铁素体一 珠光体或少珠光体管线钢的发展趋势是在降低含碳量的同时通过热机械控制加 工工艺手段，充分发挥钢中微合金元素晶粒细化和沉淀强化的潜在能力。近年 来，由于掌握了、t i 和v 等微合金碳氮化物在热机械控制加工过程中的沉 淀析出的动力学规律，这类管线钢取得了许多新进展，已经生产出许多具有较 高韧性水平的x 7 0 铁素体一珠光体甚至无珠光体管线铜瞄，捌。 1 2 2 针状铁素体管线钢 针状铁素体管线钢的最初研究开始于1 9 6 9 年。当时是以m n - n b 低碳微合金 钢为研究对象，通过添加0 2 - 0 4 左右的m 0 以抑制铁素体和珠光体相变而形成 的在透射电镜( t e m ) 下呈板条或针片状、在光学显微镜下呈非等轴状的显微组 织，y e s m i t h 等人在2 0 世纪7 0 年代初赋予其针状铁素体的概念。它是h s l a 钢在连续冷却条件下获得的一种不同于铁素体一珠光体或少珠光体的类贝氏体 组织1 2 + - 弼。相变形成温度略高于上贝氏体，以扩散和切变的混合机制实现相变， 因而在非等轴铁素体基体中具有高的亚结构和位错密度。由于相变中只涉及到 铁素体，不形成渗碳体，其中只有少量残留奥氏体( 部分奥氏体冷却时转变为贝 氏体) ，故该相变产物为铁素体范畴，因而不称为贝氏体。又由于在t e m 下呈板 条或针状片条形态，故这类组织称为针状铁素体。 在管线工程中，针状铁素体是一种混合型组织形态，当前对其具体的组成 还没有达成统一的共识，存在着不同的理解。日本钢铁研究所贝氏体研究委员 会及g k r a u s s 和t h o m p s o n 等人将铁素体分为多边形铁素体，准多边形铁素体， 魏氏铁素体，贝氏体铁素体，粒状铁素体五种形态，基本上描述了现代低碳、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 超低碳微合金钢中奥氏体连续冷却过程中形成的所有可能的铁素体形态。其中 除了多边形铁索体，魏氏铁素体具有原奥氏体晶界的典型贝氏体铁素体以外， 准多边形铁素体，无明显原奥氏体晶界的贝氏体铁素体，粒状铁素体都或多或 少地具有y e s m i t h 等人提出的管线钢中针状铁索体的特征，即在光学显微镜 下，晶粒界限模糊、没有完整的连续的晶界、粒度参差不一、呈不规则非等轴 状铁素体形貌：在t e m 下具有细微亚结构、高位错密度以及细小的板条或针状片 条特征，基体中弥散分布着细小的m a 岛和碳化物。因此，我们认为管线工程 中针状铁索体的组成包括准多边形铁素体、粒状铁素体、贝氏体铁素体、m a 岛等网。 1 3 管线钢的焊接工艺研究 由于油气田所处环境大多是地理、气候、地质条件恶劣，社会依托条件较 差的地方。现场焊接时，焊接位置为管水平固定或倾斜固定对接或其它复杂多 变的位置，包括平焊、立焊、仰焊、横焊或全位置等焊接位置。所以对焊工的 操作技术提出了更高、更严的要求。 当今管道工业要求管道有较高的输送压力和较大的管线直径以及站场的复 杂性，要保证其安全运行，适应管线钢的高强化、高韧化、管径的大型化和管 壁的厚壁化出现了多种焊接方法、焊接材料和焊接工艺。 管线的焊接施工经历了手工焊接、半自动焊接、自动焊接的过程，其发展 速度非常之快嗍。我国钢质管道环缝焊接技术也经历了七十年代的传统焊接方 法，低氢型焊条电弧焊上向焊技术，八十年代的焊条电弧焊下向焊技术，为纤 维素焊条和低氢型焊条下向焊，和九十年代的自保护药芯焊丝半自动焊技术， 到今天的西气东输工程大量地应用全位置自动焊技术。焊条电弧焊上向焊技术 的特点为管口组对间隙较大，焊接过程中采用熄弧操作法完成，每层的焊层厚 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 度较大，焊接技术掌握慢，效率低。焊条电弧焊下向焊的特点为管口组对间隙 小，焊接过程中采用大电流、多层、快速焊的操作方法来完成，焊接速度大大 提高了，生产效率较高。由于每层的焊层厚度较薄，而且后续焊层对前面焊层 的热处理作用可提高环焊接头的韧性。自保护药芯焊丝半自动焊技术是九十年 代应用到管道施工中的，主要用来填充和盖面。其特点为熔敷效率高，全位置 成型好，环境适应能力强，焊接技术易于掌握。 随着管道建设钢管强度等级的提高，管径和壁厚的增大，输送压力增大， 介质的复杂性，要求焊接质量更加严格，加上自动焊技术成本较以前降低很多， 目前管道焊接中，自动焊的应用越来越广泛。管道自动焊技术由于焊接效率高， 劳动强度小，焊接过程受人为因素影响小等优势，在大口径、厚壁管道建设的 应用中具有很大潜力。 目前，自动焊根焊工艺主要采用s t t 半自动焊。s ”半自动焊属于c 0 ：气体 保护焊，它是通过精确的基值和峰值电流和电压控制，使熔滴过渡更利于成型， 焊接过程稳定，解决了飞溅和大口径管道根部焊接单面焊双面成型的难题。由 于西气东输线路工程用钢管的强度等级较高，管径和壁厚较大，所以线路施工 以自动焊和半自动焊为主，焊条电弧焊为辅。其他主要焊接方法还有熔化极气 体保护焊一1 2 9 1 。 1 4 管线钢的焊接性 x 8 0 管线钢对焊接的要求：x 8 0 管线钢通过形变强化而使材料具有很高的强 韧性，而且x 8 0 钢也是高度的洁净钢。因而该钢对焊接加工提出了特殊的要求， 主要表现在：如何防止焊接热影响区的晶粒粗化、局部软化与脆化、如何实现焊 缝金属的纯净化与晶粒细化、如何选择焊接方法以及改进焊接工艺等。 焊接热影响区的晶粒粗化：焊接热影响区晶粒粗化是不可避免的现象，晶粒 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 长大弱化了焊接接头的使用性能。由晶粒长大动力学可知，晶粒越细越容易长 大。所以如何解决焊接热影响区的晶粒长大现象是研制钢材必需要考虑的课题。 为控制管线钢热影响区在高热输入时的晶粒长大，可以通过向钢中加入微合金 元素来实现。其中t i 的加入是最富于成功的例子，焊接工作者常采用小的焊接 热输入或高能束焊接方法使粗晶区范围变窄，以至于不影响焊接接头的服役能 力。 焊接热影响区软化与脆化：x 8 0 钢是利用形变使晶粒细化从而获得高的韧 性。在热循环作用下发生了晶粒长大或第二相溶解等现象使晶粒粗化，而且使 h a z 的其它部位发生相变、再结晶、晶粒回复以及质点粗化等现象，导致了i t b z 硬度下降而发生软化。硬度是冷裂纹敏感指数和焊接热输入量的函数，即焊接 热输入量越大，热影响区硬度就越低，软化现象就越严重。 日本学者对超细晶粒钢的焊接研究表明嗍，当用热输入为9 k j m 的c o , 气 体保护焊接时，软化区的宽度约为2 m ，当e = 4 0 k j m 时，软化区的宽度变为 6 m ，为了控制软化区的宽度，日本开发了超窄间隙的气体保护焊工艺，其焊接 h a z 的总宽度仅为3 r a m 。当钢中含有n b ，t i 等微合金元素时，软化区的宽度更 小或软化区最低、硬度更高一些。 热影响区局部脆化：这是x 8 0 钢尤其是控轧钢、t m c p 钢均可能出现的现象。 提高热影响区的韧性，可以采取细化晶粒度以及减少或防止m i a 相的生成措施。 例如：通过氮化钦质点的弥散分布以阻止奥氏体晶粒的长大，形成细晶区p t l 。焊 缝金属的纯净化与晶粒细化：除电子束焊、激光焊以外，一般熔化焊满足不了焊 缝纯净化的要求。焊缝中的s ，p 等杂质元素受焊接材料的影响极大。在最佳的 焊接条件下，一般电弧焊焊缝中s 可控制在0 0 1 以下p 可在0 0 1 5 以下，在 某种程度上一定的氧含量是有益的，因为焊缝中针状铁素体的核心是尺寸为 0 2 - 0 6 1 m 的氧化物质点。焊缝金属的细化主要是联生生长的柱状晶的细化， 目前仅电子束熔切扫描比较有效，但对一般电弧焊来说采用变质剂、机械振荡、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 超声波振荡均无明显的效果。 焊缝韧性的控制：由于制管过程中不进行焊后热处理，并且热输入的变化最 终影响焊缝的组织，所以对焊缝韧性的控制可以通过对组织的控制来实现1 3 2 1 。 焊缝合金化：焊缝的形成是局部冶金化过程，它的化学成分不仅与焊接材料 有关，还在很大程度上受到母材稀释和焊接工艺等多方面因素的影响。合金元 素以多种方式影响着焊缝的韧性，促进针状铁素体形成的合金元素使焊缝金属 韧化，引起固溶强化和沉淀强化合金元素可能使焊缝金属的韧性降低l x , l 。同一 种合金元素对焊缝金属韧性的影响，可能以某一种韧化方式，也可能以多种韧 化方式。实际上，焊缝金属是多元素的组合，必须考虑不同合金元素间的相互 作用。 对于夹杂物形成元素0 ，n 的控制，在适当时，细小夹杂物促进焊缝中针状 铁素体的形成，从而有利于韧性。所以应控制在某一范围内，夹杂物含量过高 时，夹杂物以副作用为主，过低时不利于针状铁素体的形成，这两种情况均不 利于焊缝韧性p 嵋 焊接热输入：焊接热输入( e ) 即可改变焊缝金属一次结晶组织，又可改变焊 缝金属的二次组织1 3 5 1 。同时，通过改变熔合比来影响焊缝的化学成分。一般认 为，e 大时，熔池金属易过热，易于形成粗大的柱状晶。e 增大使焊缝金属8 0 0 5 0 0 区间冷却速度降低，促进粗大先共析铁素体和魏氏组织的形成，并为c n 化 物的析出提供了条件p 3 7 l 。同时，热输入的增加将使电弧和空气间接触面积增大， 从而形成含有更多n 和o 的等离子体，使得进入焊缝的n ，o 量增加。上述因素 使焊缝韧性下降。 1 5 本课题研究的内容及方法 当前外x 8 0 管线钢的研制、生产和使用已经展开，x 8 0 管线的建设也已经比 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 较成熟，国内也正在开发x 8 0 钢的应用，因此对x 8 0 钢焊接性的研究变得愈发 紧迫。 本课题作为x s o 钢焊接性课题研究的初始工作，主要目的是研究x 8 0 钢 在焊接过程中产生的冷裂纹的问题通过改变一些工艺设计和试验方法进行分 析；提高热影响区的韧性，实现焊缝金属的纯净化与晶粒细化、选择合适的焊 接方法以及改进焊接工艺等。利用透射电镜、扫描电镜、金相显微镜研究了环 缝焊接接头的显微结构、物相成分，并对接头的力学性能和显微硬度进行了测 试与分析。 本课题以宝鸡石油钢管厂提供的x s o 管线钢为研究对象，将展开以下的研 究工作。 ( 1 ) 焊接工艺的设计：焊接接头的不同区域由于经受的热循环不同，其组