洛阳理工学院X80管线钢毕业设计

1、洛阳理工学院毕业设计（论文）IX80 液化石油管线钢焊接工艺研究摘要随着全球能源需求的不断增加，石油天然气输送管道不断向高钢级、高压、大管径的方向发展。X80 管线钢是控轧控冷（TMCP）的微合金低碳钢，由于其钢材中马氏体和贝氏体独特的线性分布，使其在强度很高的条件下还保持了一定的塑韧性，成为管线建设的首选材料。本文以 X80 钢的焊接工艺为研究对象，对高钢级管线钢的国内外应用情况，研究发展状况进行深入了解，并重点对 X80 管线钢焊接工艺设计过程、焊缝的组织性能分析，焊后热处理进行研究。采用显微镜组织观察，力学性能测试等方法，分析了解焊接过程中焊缝和热影响区金相组织的变化；结合接头组织性能分

2、析，对焊接工艺设计参数进行优化，取得良好效果；并模拟焊后热处理（单一回火） ，探索焊后的优化焊接效果的措施。通过研究实验，从焊前、焊中、焊后各方面对X80 管线钢的焊接工艺有了全面的了解。 关键词：X80 管线钢，焊接工艺设计，金相分析，模拟热处理洛阳理工学院毕业设计（论文）IIX80 PIPELINE STEEL STUDIED ON WELDING PROCESSABSTRACTWith the increasing of global energy demand, high grade steel, high pressure, large diameter oil and gas pi

3、pelines become the inevitable trend. X80 pipeline steel is controlled rolling and controlled cooling (TMCP) micro alloyed low carbon steel, due to its steel in martensite and bainite body the unique linear distribution, the under the condition of high strength also maintained a certain plasticity an

4、d toughness, become the material of choice for pipeline construction. This topic to X80 pipeline steel welding process is the research object, the high grade pipeline steel at home and abroad application, research and development status of in-depth understanding, and focus on X80 pipeline steel weld

5、ing process design, weld microstructure and properties analysis, the welding simulation of heat treatment were studied. The microscope observation, mechanical properties test and analysis knowledge of welding microstructures of weld and heat affected zone crystal phase in the process of change; comb

6、ined with the analysis of the microstructure and properties of welded joint, to optimize the design parameters of welding process, and achieved good results; and simulated post weld heat treatment (single tempered), explore welding after optimizing welding effect measures. Through experimental resea

7、rch, from all aspects of the welding process of X80 pipeline steel before welding, welding, after welding, have a comprehensive understanding of.KEY WORDS: X80 pipeline steel, Welding process, Metallographic analysis, Simulated heat treatment洛阳理工学院毕业设计（论文）III目 录摘要.IABSTRACT .II目 录.III前言.1第 1 章 绪 论.2

8、1.1 X80 管线钢.21.2 国外管线钢的研制与发展概况.31.2.1 管线钢的发展概述.31.2.2 X80 管线钢的研制与应用.51.3 X80 管线钢国内的研发概况与市场前景.71.4 X80 及以上钢级管线钢工程应用中存在的问题.81.5 本章小结.9第 2 章 实验材料和方法的选择.102.1 试验材料.102.2 实验方案及方法.112.2.1 焊接工艺设计.112.2.2 组织与性能的测定.112.2.3 模拟焊后热处理.122.3 本章小结.12第 3 章 X80 钢的焊接工艺设计.133.1 X80 管线钢的焊接性分析.133.1.1 焊接裂纹倾向.133.1.2 HAZ

9、 的软化.133.1.3 焊缝与管材的强韧匹配.133.2 焊接工艺准备.143.2.1 管材的特性.143.2.2 焊接设备.143.2.3 焊材的选择.14洛阳理工学院毕业设计（论文）IV3.2.4 坡口设计.153.2.5 焊接母材清理.163.3 焊接工艺.163.3.1 焊接工艺参数.163.3.2 焊接过程中出现的问题以及解决方案.173.4 接头力学性能测试.183.5 现场焊接工艺要点.193.5.1 根焊.193.5.2 填充焊.193.5.3 盖面焊.193.6 本章小结.19第 4 章 接头组织与性能分析及工艺优化.214.1 前言.214.2 接头显微镜组织分析.214

10、.3 焊接接头夹杂物分析.234.4 工艺的优化.234.5 本章小结.24第 5 章 焊后热处理实验.255.1 前言.255.2 焊后热处理实验.255.2.1 金相组织.265.2.2 力学性能.275.3 实验结果分析.285.4 本章小结.28结 论.29谢 辞.30参考文献.31外文资料翻译.33洛阳理工学院毕业设计（论文）1前言随着全球能源需求的不断增加，石油天然气输送管道不断向高钢级、高压、大管径的方向发展。X80 管线钢是控轧控冷（TMCP）的微合金低碳钢1，由于其钢材中马氏体和贝氏体独特的线性分布，使其在强度很高的条件下还保持了一定的塑韧性，成为管线建设的首选材料。但是 X

11、80 管线钢的生产和应用还存在很多的问题，例如 X80 管线钢的焊接性问题；在焊缝与母材的性能匹配方面的问题；焊缝与热影响区金相组织变化以及焊后热处理的问题。这些问题都需要广大的科研工作者和技术工作者付出努力。西部大开发的推进使得国家加快了对偏远地区的资源开发力度，西气东输工程等一批工程的建设又使得国家对高级别管线钢的需求不断加大。西气东输二线工程中我国首次将 X80 系列管线钢的首次尝试，这些重要工程的建设将大大带动了国内高钢级管线钢的研制、开发与生产进入一个崭新的阶段，加快了 X80 管线钢在我国开发与应用的速度，同时也推动了制管行业的技术进步和设备改造。X80 管线钢的开发，可以实现该强

12、度级别的管线钢国产化，为以后的管线工程项目制造、采用高钢级管线钢高压大口径钢管奠定基础，不仅能够节约钢材，提高管道输送效率，能够为国家节约大量外汇，还能够降低能耗保护环境，因此高钢级管线钢的市场前景非常广阔。本文以 X80 钢的焊接工艺为研究对象，对高钢级管线钢的国内外应用情况，研究发展状况进行深入了解，重点对 X80 管线钢焊接工艺设计过程、焊缝的组织性能分析，焊后模拟热处理进行研究。采用显微镜组织观察，力学性能测试等方法，分析了解焊接过程中的各种材料的变化；结合接头组织性能分析，对焊接工艺设计参数进行优化；并模拟焊后热处理，探索焊后的优化焊接效果的措施。为X80 液化石油气管线钢的工艺研究

13、做一点微薄的贡献。洛阳理工学院毕业设计（论文）2 第 1 章 绪 论1.1 X80 管线钢 天然气是居民生活的必需品，是国民经济的重要战略资源，能源的增长以及结构优化调整，促使我们国家液化石油气产业不断发展，预计至 2030 年世界上天然气需求量将翻一番，成为最主要的使用能源。管道输送具有高效、输送量大、安全性高、成本低、便捷等优点，远优于其他运输方法。特别是在 35000 KM 距离以下，石油天然气的管道运输是最为经济的一种手段2。二次大战以后，由于战后重建的需要，天然气输送管线迅猛发展，输送压力不断提高，管网日渐发达。但是在钢材不变的情况下只能通过增加壁厚的方式提高液化石油输气管的工作压力

14、，而增加壁厚会提高管道的重量，成本也会随之上升。因此只有提高管线钢的钢级，才能在保证工作压力和安全性的情况下减小钢管壁厚，节约用钢量，降低管道建设运营的成本3。如图 1-1 所示，在同样输气量下，材料由 X70 替换为 X80，或者更高钢级的钢材，可因壁厚减小降低成本7左右。 图 1-1 使用不同钢级钢管的建设成本变化石油天然气输送管道的管径不断加大，运行压力不断提高，产生管道延性断裂的风险也会越来越大，对国民的生产生活产生威胁，因此管线钢的安全问题至关重要。如果想要防止断裂起始和阻止断裂扩展那就必须增加材料的强韧性，因洛阳理工学院毕业设计（论文）3此钢材具有较高的韧性是管道安全的重要保证4。

15、随着管线钢钢级的提高，对钢材的强度和韧性的要求也不断提高。高级别管线钢的生产水品体现了一个国家的重工业实力，X80 管线钢管在工业发达国家的研究和应用已有 20 多年的历史，已经有很多的论文、报告研究它的各种组织特性，但由于其对焊接性和强韧性等综合性能的特殊要求，以及较高的施工要求，大规模使用依然受到了限制，至今在全球建成的 X80 钢输气管线也只有数百公里长，还没有达到普及使用的程度。而对 X80 钢的焊接性、组织性能、焊后热处理等仍是人们关注的课题。其研制将会填补国内空白，也成功将推动 X80 钢的规模化生产以及在管线工程上的大批量使用；同时缩短与发达国家先进水平的差距，提高国内高级别管线

16、钢国际地位和市场竞争力。 1.2 国外管线钢的研制与发展概况1.2.1 管线钢的发展概述19 世纪，油气输送大口径高钢级管线钢首先在美国发展起来。1938 年美国石油学会制定了 ABI SPEC 5L 焊管标准，以后每年 ABI SPEC 5L 标准需要经过一次修订，至今已形成钢级划分从 A、B、X42 - X80 甚至是X100、X120 比较完善的焊接管线钢标准体系。美国在液化石油气发展方面走在世界前列： 1893 年建成第一条天然气输送管线 Mreconat（约 200km） ，1925 年建成世界上第一条焊接钢管天然气管线 East HN5。 “X42”表示管线钢的屈服强度的等级为 4

17、2 磅/平方英寸（英制单位） ，对应公制单位为 290MPa。二十世纪五十年代以前，含 0.30%碳的钢经过热轧、正火就可以提高管线钢的强度。此时钢级主要分为 X42、 X52、X56。1959 年运河管道工程中高强度的低碳低合金钢（HLAC）首先被应用，从此热轧微合金技术在高强度管线钢上得以应用和发展，成为管线钢大发展的历史时刻。二次世界大战后，伴随着战后重建，油气输送行业发展迅猛，管道输送直径不断增加压力的不断提高，使得对管材的要求也水涨船高。输送压力从 50 年代的 0.25Mpa 上升到 10Mpa 以上。管线钢屈服强度则从 160Mpa 提高到 500Mpa 以上。20 世纪 70

18、年代初，北美首先开始将 X70 级管线钢用于天然气管线工程，在加拿大和美国边境建设了第一条 X80 管线；1985 年，德国Megall 工程中铺设洛阳理工学院毕业设计（论文）4了第一条 3.2km 长的 X80 管线钢输气管试验段； 2004 年 2 月，加拿大在 Pearlless 项目中成功建成一条 2 公里长的 1014mm 的 X100 钢输气管线试验段和 1.6 公里长的 1014mm X120 试验段，这是世界上 X120 管线钢在工程中的首次应用，具有里程碑式的意义。经过几十年的研究、发展和应用，国外的天然气高压输送采用高钢级管线钢已经成为主要的发展趋势。在管线钢制造过程中，微

19、合金钢的控轧技术的应用使得管线钢不需要进行正火，而大大降低了工艺难度和制造成本，成为管线钢大发展的基础。与此同时钢中的微合金元素使得晶粒进一步细化，降低了含碳量，钢的焊接性、强度和韧性也得到了很大提高。图 1-2 显示了在近几十年中，管线钢的钢级合金成分设计、显微组织变化、工艺路线的发展过程。二十世纪七十年代，管线钢钢级主要为 X42-X60，其化学成分为 0.30%C 加定量的合金元素铌，通过传统热轧以及正火后铌的析出强化来获得所需要的强度。这时钢的结构组织为铁素体加珠光体。七十年代后期随着控轧工艺（TM）在生产中的普及应用，大大降低了钢中碳含量，同时降低铌的含量，提高了 Nb 的含量，通过

20、 Nb 对热轧时奥氏体再结晶的影响来细化晶粒6，提高钢的各项性能，X65 和 X70 钢因此大规模发展了起来。由于碳含量的降低，大大减少珠光体的比例，管线钢的韧性也得到很大提高。这时钢的成分为 0.10%C+Nb，组织结构为铁素体加少量珠光体。到了八十年代中后期，随着热轧设备和工艺的不断改进和发展，人们在使用控轧（TM）后配合强制加速冷却工艺（ACC）提高管线钢的性能。管线钢的碳含量进一步降低，而强度和韧性却在提高。冷却停止温度的降低和冷却速率的提高使得轧制后的组织发生了根本改变，由原来的铁素体+珠光体型变为铁素体+贝氏体型（或针状铁素体型） ，晶体组织也进一步细化。X80 管线钢技术就是在此

21、基础上发展起来的。此时钢中碳含量大约 0.09%，并且通过稀有金属复合作用进行微合金化，使得金属晶粒细化，减少有害组织，提高金属性能。洛阳理工学院毕业设计（论文）5 图 1-2 高强度管线钢的发展史九十年代末期，X100 管线钢也在德国、日本等国研制出来，其成分为0.07%C+Nb+Ti+Mo,工艺为控轧（TM）+加速冷却（ACC）或控轧（TM）+直接淬火（DQ）6，得出的组织为铁素体+马氏体。1.2.2 X80 管线钢的研制与应用X80 管线钢从上世纪八十年代研制至今已经有二十多年历史。由于其应用于管线工程上，对其研究更多的集中在对钢管抗变形能力、焊接性和抗腐蚀性研究上，而对 X80 钢板材

22、的晶相组织和焊后热处理尚缺乏全面深入的研究。F. Kawabeta 等人通过模拟 X80 钢的热机械加工和在线冷却控制过程，观察组织的变化并确定了 Mn-Nb-Mo 系 X80 钢的 CCT 曲线。如图 1.3 所示当钢在轧后以 20/s 的速度冷却至 500-550时，可以得到贝氏体组织；当钢以高于 30/s 的速度冷却至 200（淬火）时，钢中出现了马氏体组织。E.V.Perelma 和 C.Baycley 等人应用 MC 形变-淬火膨胀仪，模拟 TMP(thremo- mechanical process)和 OLAC（on-line acellerated cool）过程测得的 X80

23、 管线钢CCT 曲线7如下：洛阳理工学院毕业设计（论文）6 图 1-3 X80 钢 CCT 曲线由图 1-3 可看出，该成分系列的 X80 钢在较宽的冷速范围内（130/s-1）都将得到先共析铁素体和低碳贝氏体的组织。低碳微合金化钢经过控轧（TMP）/在线加速冷却（LAC）过程以后，其最终的组织除了细晶粒铁素体还有贝氏体的基体上分布着 M-A 小岛状组织，而奥氏体状态和 OLAC 工艺水平将决定着各组织占的百分数。X80 钢的应用最早于 1985 年在德国Megall 工程中铺设了一条 3.2km 长的 X80 试验段。1992 至 1994 年，世界上第一条 X80 级天然气长输管线（250

24、km）在德国建成；至今已建成数百公里长的 X80 输气管线。表 1-1 全球已建成的 X80 输气管道年份位置名称长度/Km直径/mm壁厚/mm1985德国Megall 3.5112813.31986斯洛伐克第 4 输气管道1.3143215.11990加拿大Nova Express East2.2122910.21992德国Ruhr Gas260122918.51994加拿大Nova Matzhian55122913.0洛阳理工学院毕业设计（论文）71995加拿大East Alberta 34122913.01997加拿大Central Alberta 95122913.02002英国St

25、Fergus to Abede73122913.01.3 X80 管线钢国内的研发概况与市场前景上世纪六十年代以前，我国使用 Q235 热轧钢生产的螺旋焊接钢管输送天然气和原油。1966 年威远至成都的输气管线改为 16Mn 高强度热轧钢带，由于不能始终保证天然气运营标准，导致所建管线发生多起硫化物腐蚀断裂的重大事故，带来巨大损失8。到 20 世纪 70 年代，我国才开始向日本订购进口 X52 管线钢，用于本国油气输送建设。我国于“六五”期间开始进行管线钢的开发研制，在几代科研人员的努力下，目前已经具备 X65、X70 钢级管线钢及其卷板的规模化生产能力，并投入一些工程使用。宝钢、武钢先后为印

26、度管线工程、土耳其管线工程和苏丹管线工程提供了 600 多万吨 X65 管线钢板卷。随着近些年来我国加大石油天然气的开采、跨区运输力度，一批高技术要求、高钢级的管线工程陆续开工建设，西气东输甘宁、陕京二线均要求管线钢级为 X70，壁厚 18mm，为我国管线运输工程所用钢级和壁厚之最。目前我国 X70 及以下管线钢管不仅满足 API Spelc.5L 标准要求的强度，而且某些指标还达到了世界先进水平。X70 管线钢已经大批量应用到西气东输项目上，为国家建设大型工程项目约了大量外汇。与此同时 X80 及更高钢级管线钢的研制开发在国内几乎是空白，这方面由于我国的管线钢的研制起步较晚，并且国内大多数钢

27、厂受轧机等设备能力的限制，生产研制 X80 及更高钢级管线存在困难。西部大开发的推进使得国家加快了对偏远地区的资源开发力度，西气东输工程等一批工程的建设又使得国家对高级别管线钢的需求不断加大。西气东输二线工程中我国首次将 X80 系列管线钢的首次尝试，这些重要工程的建设将大大带动了国内高钢级管线钢的研制、开发与生产进入一个崭新的阶段，加快了 X80 管线钢在我国开发与应用的速度，同时也推动了制管行业的技术进步和设备改造。洛阳理工学院毕业设计（论文）8未来几十年将是我国油气输送管线建设的高速发展时期，预计高强度高韧性管线钢的需求量将达到每年 150 万吨以上，而且其中大部分为 X70 及以上管线

28、钢。即将要建设的西气东输二线、中-俄输气管道工程等，已经将 X80 钢级列为首选使用的材料之一。X80 管线钢的开发，可以实现该强度级别的管线钢国产化，为以后的管线工程项目制造、采用高钢级管线钢高压大口径钢管奠定基础，不仅能够节约钢材，提高管道输送效率，降低能耗保护环境，又能够为国家节约大量外汇，因此高钢级管线钢的市场发展前景非常广阔。1.4 X80 及以上钢级管线钢工程应用中存在的问题目前，国外 X80 及以上钢级管线钢大多采用直缝埋弧焊方式焊接管道，钢板在制管过程中发生加工硬化，因此管材强度相比板材会有一定程度的提高，且韧脆转变温度上升。而国内的几大钢厂以热连轧机组生产 X80 钢卷为主，

29、如宝钢 2050mm，武钢 2250mm 热连轧机组等，钢卷经螺旋埋弧焊接制管后，由于包辛格效应影响，管材屈服强度相比卷板可能会有一定程度的损失；同时热机械控轧钢的强度受各向异性的影响，螺旋角 30 度方向上的强度明显低于横向，这些原因都要求在设计时适当提高板卷的屈服强度。高压大口径输送管线在提高天然气输送效率的同时，需要减少钢管壁厚，降低建造成本。但是随着压力升高、壁厚减薄的同时，要求管材有更高的止裂韧性。因此，X80 管线钢需要在提高屈服强度的同时，尽量提高冲击韧性、减小卷板的韧脆转变温度。传统的细晶强化虽可提高钢材的强韧性，但是其强化效果仍不能满足要求，必须通过组织类型的合理控制以及多种

30、强化方式来获得良好的综合性能，这些都增加了 X80 钢的生产难度。在焊缝与母材的性能匹配方面，X80 及以上级别管线钢通过低碳微合金控轧及加速冷却获得较高的力学性能，此类高强度钢主要用于天然气的输送、压力容器的制造，因此要求管线钢具有高的止裂韧性。而且焊缝是铸态组织，要与母材等韧是相当困难的。所以，对于 X80 及以上级别管线钢来说，如何通过合理的合适的工艺配合和成分设计，来获得能满足管线工程需要的高韧、高强、良好的焊接性、低的脆性转变温度等综合性能的钢材及管材是科研工作者仍致力的课题。洛阳理工学院毕业设计（论文）91.5 本章小结高级别管线钢的生产水平体现了一个国家的重工业实力，X80 管线

31、钢管在工业发达国家的研究和应用已有 20 多年的历史，已经有很多的论文、报告研究它的各种组织特性，但由于其对焊接性和强韧性等综合性能的特殊要求，以及较高的施工要求，大规模使用依然受到了限制，至今在全球建成的 X80 钢输气管线也只有几百公里长，还没有达到普及使用的程度。 因此 X80 管线钢的应用还需要更多的研究工作，特别集中在焊缝区域的组织性能分析，以及焊后的工艺处理上，这都是需要我们重点关注的方面。本文主要针对 X80 管线钢的焊接工艺、焊缝组织、焊后热处理进行研究，丰富这方面的学术资料。随着西部大开发的深入，国家将将进一步加快西部地区的资源开发，石油天然气则是资源的重中之重，未来石油天然

32、气管道行业将迎来大发展。而 X80 管线钢必然成为未来天然气管道建设首选用钢，X80 管线钢的研制不仅可以加快推进我国的管道行业基础设施建设，还可以为国家节约大量的外汇。因此 X80 管线钢的研究意义重大，势在必行。洛阳理工学院毕业设计（论文）10第 2 章 实验材料和方法的选择2.1 试验材料试验材料为宝钢的 X80 高强度管线钢。该钢是采用低碳微合金化并通过控扎控冷工艺(Thermo-Mechnical Control Precess)，利用相变强化、析出强化、位错强化以及固溶强化获得最大程度的晶粒定向排列来降低韧脆转变温度、提高强度和韧性。选用的 X80 管线钢的化学成分如表 2-1 所

33、示。 表 2-1 X80 管线钢化学成分表（）元素CSiMnSPNiCuMoAl测试值0.0400.2101.7900.0030.0070.1550.1990.0920.032X80 管线钢的原始组织为铁素体，呈针状片条或板条形态。由于相变中只涉及到铁素体，不形成渗碳体，而且其中部分奥氏体冷却时转变为马氏体，只含有少量残留奥氏体，故该相变产物为铁素体的范畴9。针状铁素体是一种在连续冷却条件下获得的组织，不同于少珠光体的类贝氏体和铁素体-珠光体，相变形成温度略高于上贝氏体，以切变和扩散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位错密度和亚结构10。由此可得，X80 钢是有铁素体加少量贝

34、氏体、马氏体组成，其中贝氏体和马氏体成针状和长条状分布在铁素体间起到强化的作用，使其在提高强度的情况下还不失韧性。2.2 实验方案及方法洛阳理工学院毕业设计（论文）112.2.1 焊接工艺设计对现有材料进行分析，查阅相关资料，参考以往全球 X80 液化石油管道项目中焊接工艺数值，并严格执行我国焊接作业的工艺规范，完成 X80 钢的工艺设计。2.2.2 组织与性能的测定1光学显微镜显微组织的观察钢材的金相组织决定了其性能的优劣，我们通过不同的手段来观察 X80 管线钢焊缝和热影响区的显微组织，为下一步的研究工作做准备。试验仪器： OLYMPUS-GX45 光学显微镜。 腐蚀剂：4%的硝酸酒精溶液

35、，腐蚀时间约 1min。 利用 OLYMPUS 光学显微镜观察经抛光、腐蚀后的试样，观察其显微组织，并拍摄金相照片，进行分析。2力学性能测定为了对比不同条件下 X80 管线钢的性能，我们需要对试样进行下列试验。 (1)硬度的测定 硬度是力学性能研究的重要指标。为了研究焊接过程以及微观组织对硬度的影响，进行硬度测量。测量硬度所用的试样为显微组织观察后的金相试样，硬度测定时以焊缝为中心等距选择试样截面的不同位置进行测量。 试验设备：小负荷硬度仪 AD-47。 试验条件：载荷 10kg，加载持续时间 15s。 (2)冲击韧度的测定 按照国标 GB4169-84 金属 V 型缺口冲击试验方法，测定焊缝

36、和热影响区的冲击韧度。 试验设备:冲击试验机 CL-3002 ,冲击能量 500/250J。 试件规格和要求：将热模拟后试样做二次加工，试样的形状、尺寸、表面精度要求如图 2-1 所示，保证冲击韧度试验所需的尺寸和精度要求。洛阳理工学院毕业设计（论文）12 图 2-1 热模拟试样低温冲击韧度试样图2.2.3 模拟焊后热处理X80 管线钢焊接完成后，焊缝金属以及热影响区的金属与母材的晶相组织会有一定的不同，模拟不同温度下的热处理，观察是否有利于减小这种差异，提高组织性能。试验仪器：高温箱式电阻炉，SX-15 加热保持时间： 30min 利用 OLYMPUS 光学显微镜观察经抛光、腐蚀后的试样，观

37、察其显微组织，并拍摄金相照片。2.3 本章小结综合实验条件和研究目的，设计的实验方法如下：1利用电子显微镜对 X80 管线钢式样进行初步结构分析，了解其在未经加工状态下的金相组织结构。2工艺设计，焊接完成后对焊缝金属进行金相分析，优化工艺参数。3模拟焊后热处理，结合电子显微镜，硬度、冲击试验，研究在不同的热处理温度下焊缝的缺陷有没有得到一定程度上的恢复。洛阳理工学院毕业设计（论文）13第 3 章 X80 钢的焊接工艺设计3.1 X80 管线钢的焊接性分析 3.1.1 焊接裂纹倾向高强度级别管线钢，材料的碳含量比较低，脆硬倾向不大。经管产生裂纹的倾向性较小，但是由于钢的强度比较高，焊接时仍然具有

38、一定应力，所以应引起重视。一般来讲，这些材质采用预热、正确选择焊接材料以及相应的工艺措施即可防止冷裂纹的产生，但是随着管道输送压力的提高、壁厚的增加，运行时间的变长，较多的腐蚀性气体存在于输送介质中时，也会产生应力腐蚀裂纹和氢致裂纹，对安全性产生影响。X80 管线钢焊接冷裂纹的相关研究结果9表明：采用 TIG 焊、实心焊丝的条件下抗冷裂纹的性能比较好。预热 100条件下，插销实验的临界应力为546MPa，而室温条件下，插销实验的临界应力为 536MPa。由此可得，该工艺条件下接头的冷裂纹敏感性较小，并且随着预热温度的提高，X80 管线钢抗冷裂纹能力提高。在该实验条件下，过热区的淬硬现象不明显，

39、其主要组织为块状铁素体，最大硬度值为 297HV。3.1.2 HAZ 的软化管道螺旋焊接时，热影响区由于受热晶粒长大和微合金化元素作用形成的第二相质点溶解，使得 HAZ 软化。这种软化现象在 X70 管线钢中还不是很明显。但是对于 X80 管线钢及以上级别的高钢级管线钢，HAZ 的软化则较为明显，尤其是采用较大热输入的多丝埋弧焊进行纵向焊缝或螺旋焊缝的制管时10，因该更加重视。3.1.3 焊缝与管材的强韧匹配在焊接管道时，焊缝金属与管材金属的强韧匹配是很重要的研究方向，中国科学院金属研究所的研究11表明，X80 钢具有细晶粒组织和很高的韧性。经过焊接热模拟后过热区晶相组织明显粗化，并且韧性下降

40、。当 X80 钢的含碳量在洛阳理工学院毕业设计（论文）140.076即低碳时，在粗晶区的铁素体/贝氏体板条间形成的 Fe3C，是降低该区域韧性的主要原因。当 X80 含碳量在 0.025或 0.031时，这种超低碳的高强管线钢在粗晶区形成的 M-A 组元含量较少，M-A 组元中残余奥氏体占的比例比较大。同时，超低碳抑制了碳化物在铁素基体中的形成。所以这类管线钢的粗晶区韧性比其他含碳量相对较高的钢韧性好，因而具有良好的焊接性。3.2 焊接工艺准备3.2.1 管材的特性管材选用宝山钢铁生产的西气东输二线工程用具有高强度、良好抗延性断裂能力的 X80 管线钢，规格为 10.0mm，其化学成分和力学性

41、能测试结果分别见上章表 2-1。 表 3-1 X80 管线钢的力学性能（）项目屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/冲击功/J单值平均值测试值560-615670-71027-28265,270,2602653.2.2 焊接设备根焊采用我校焊接实验室的银象电焊机厂开发的方波交直流脉冲氩弧焊机，以 Ar 作为保护气体；填充盖面焊接采用成都高鑫焊接设备有限公司生产的 ZX5-400 可控硅整流弧焊机。这两种焊机性能可靠，成本较低，可适应各种工作环境，广泛的应用于我国和各种生产领域。3.2.3 焊材的选择焊缝熔敷金属和母材的匹配是选择焊材的关键，由于 X80 管线钢是高强度的低碳微合金钢，故焊材的

42、性能也必须与之匹配，据此，TIG 根焊时采用美国林肯公司生产的 1.2mm ER70-SG 的实芯焊丝( AWS A5.18 ) ; 填充焊和盖面焊均采洛阳理工学院毕业设计（论文）15用 E81T1-NI1 焊条( 符合 AWS A5.19 ) 两种焊材的合金成分见表 3-2。表 3-2 焊丝和焊条的合金成份（）材料牌号CMnSiSPNiCrMoVER70-SG0.0801.4700.7600.0120.013-E10018-G0.0291.3050.0590.0030.0122.2350.0380.0070.0033.2.4 坡口设计开坡口的目的是为了确保焊接的各项性能和焊接接头的质量，保证

43、焊接施工作业的高效进行，焊材的消耗以及减小焊接变形，根据西气东输工程的成功经验，我们参考其设计，选用了复合坡口形式，该坡口形式具有焊接热影响区的范围小，焊接效率高并且节省焊材，焊接变形小等特点，具体坡口形式及焊道顺序如图 3-1 和图 3-2。图 3-1 坡口示意图图 3-2 焊道顺序示意图1.根焊 2.填充焊 3.盖面焊3.2.5 焊接母材清理母材焊接区的清洁度直接影响焊接质量，因此焊接前应该将管端 10mm 范围洛阳理工学院毕业设计（论文）16内螺旋焊缝、焊接飞溅产生的杂物以及直缝余高打磨平滑，应该用电动砂轮机或者是钢丝刷将板材内外坡口边缘两侧 25mm 范围内的铁锈、水分、油污等对焊接不

44、利的杂物清理干净。3.3 焊接工艺3.3.1 焊接工艺参数焊接时采用双面单道焊，根焊采用纯 Ar 气体保护的 TIG 焊，Ar 气体纯度99.96使用前应进行排水，填充/盖面层焊接采用手工电弧焊。在手工电弧焊前焊条因该进行烘干处理，以去除焊条的水分，减少氢致裂纹出现的可能性，最终确定的焊接工艺参数见表 3-4。表 3-4 焊接工艺参数焊道型号规格/mm焊接电流I/A电弧电压U/V焊速v/cmmin-1保护气体气体流量Q/Lmin-1根焊ER70S-G1.2363-37427-3519-20Ar20填充焊E10018-G4171-20519-2417-28-盖面焊E10018-G4197-206

45、20-2516-23-洛阳理工学院毕业设计（论文）17 图 3-3 焊接试样3.3.2 焊接过程中出现的问题以及解决方案1焊接飞溅熔池发生化学反应，产生少量二氧化碳、氢气等有害气体。这些气体如果在熔滴或熔池中外溢受阻，就会因为受高温膨胀而爆裂，产生飞溅。解决办法：焊前严格对焊条进行烘干处理，减少湿度，尽量使用气体保护；焊接时再不影响焊接操作的情况下，加大电流、电压，使电弧对熔池的搅拌作用增强，加快气体溢出。2断弧焊机的动特性性能不好，电弧长度发生较大变化就灭。焊机良好的情况下，电流偏小时，也会产生此种情况。3焊接时钢板变形在焊接过程中，已经焊好的前一段焊缝，由于发生巨大的温度变化，焊缝的应力分

46、布产生了变化，焊缝后端产生挠曲变形，致使焊接工作无法进行。解决方法：在焊接前在试样两端和中间各焊一个焊点，以保持试样的稳定性，减少变形。3.4 接头力学性能测试焊接完成后对接头部位进行超声波探伤检验，由于 X80 管线钢在市场上还没有大规模的应用，因此我们查找并参照了中石油西气东输的相关标准，按照西气东输二线企业标准 Q/SY GJS0112-2005 执行，经评定为合格，然后按照 Q/SY 洛阳理工学院毕业设计（论文）18GJS0112-2005西气东输二线工程管道线路焊接工艺规范13进行力学性能试验，并且从焊接接头处取 4 组冲击式样，实验结果见表 3-5。表 3-5 冲击试验结果A 板B

47、 板焊缝热影响区焊缝热影响区取样位置编号a1a2a3b1b2b3c1c2c3d1d2d3冲击吸收功170160165230230225155165160240235240平均值165228160238由表 3-5 可知，2 组冲击式样的冲击功平均值都在 150J 以上，西气东输支线工程 X80 液化石油气输送钢管的冲击功要求为单值不小于 80J。这些表明，在选定的焊接工艺参数条件下，焊接效果良好，接头力学性能较好，均能满足工程要求。 3.5 现场焊接工艺要点3.5.1 根焊焊接过程中根焊的质量往往决定着整个焊缝的质量。焊接引弧时，焊丝伸出焊枪长度应控制在 10-15mm 左右，操作时要求焊工正

48、确掌握运条方法，并且保持均匀的焊接速度，以及手的稳定性，焊接引弧时，焊丝伸出焊枪长度应控制在10-15mm 左右，焊接时焊枪与焊接方向的夹角约为 50-70 度14。施焊时从板材边缘 10mm 处引弧，避免引弧对焊缝质量出现影响，形成熔池后迅速压低电弧采用短弧焊接。息弧时，应在熔池下方做一个比正常焊接时的熔孔小些熔孔，然后利洛阳理工学院毕业设计（论文）19于再次引弧，还要迅速用砂轮将收弧处打磨成 15-20mm 的缓坡。3.5.2 填充焊填充层焊接摆宽应该控制在坡口两侧各留半根焊丝直径的宽度，根焊完成后15min 以内必须开始填充焊15。在焊接过程中，由于破口的间隙较窄，熔融金属流速快，1 点

49、到 2 点位置的焊接，焊接电压低，电流小； 而 3 点位置坡口角度较缓，熔池不宜稳定，焊接速度相对较快，应该将电流适当调大。 3.5.3 盖面焊盖面焊是焊接中最后一条焊缝，也是最外层的一道焊缝，由于它常年暴露在空气，甚至是一些恶劣的环境中，如果出现焊接缺陷，将会很快发生腐蚀和断裂的现象。盖面焊需要焊接时保持好焊缝的厚度，当焊缝过浅是整个焊缝就没有完全焊头，而过后是则会在工件表面出现咬边、侧壁未熔合等情况，影响焊接质量。3.6 本章小结X80 管线钢由于材料的强度要求比较高，焊接施工条件差，安全性要求比较高，存在一定难度。我们通过焊接分析，参考相关资料和以往的工程记录完成焊接工艺参数的设计，克服

50、焊接飞溅、夹杂等工艺问题，出色的完成了实验，得到以下结论：1相较于普通的 V 型坡口，复合型坡口的熔敷金属量可减少 25左右，提高了焊接效率，节约了焊条焊丝部分的成本。2焊接过程中，钨极氩弧焊打底，手工电弧焊填充、盖面，结合准确的焊接工艺参数，焊接效果符合要求，对工作环境适应性好，成本低。洛阳理工学院毕业设计（论文）20 第 4 章 接头组织与性能分析及工艺优化4.1 前言焊接粗晶区在经历快速加热和冷却的过程后，组织性能极不均匀。由于不良组织的形成以及晶粒过分长大，使得该区域的力学性能变差，易出现局部软化、脆化等现象，容易引发灾难性事故。X80 管线钢是通过控轧控冷（TMCP）工艺制成的低碳微

51、合金钢，在保证高强度的条件下，还有出色的塑韧性。随着输送强度、距离和气体压力的提高，管道所需的韧性变得更高，应如何保证高温加热和室温冷却后焊缝和热影响区的强度和韧性，防止软化、脆化是保证输油气管道安全的重要因素15。因此，研究 X80 钢焊接粗晶区的各种性能，有利于在施工中对焊接生产工艺进行控制，并通过有效的工艺改进提高强韧性。4.2 接头显微镜组织分析图 4-1 焊缝显微组织图 4-1 至 4-3 为距焊缝边缘 1.5 mm 处，从焊缝到靠近热影响区基体显微组织的变化情况。图 4-1 为焊缝显微组织，主要是扁豆状的铁素体，晶内形核铁素体相互交锁紧密的排列在原奥氏体晶内。这种晶内形核铁素体有利

52、于提高焊缝的性能。图 4-2 为热影响区粗晶区的显微组织，这部分组织晶粒粗大，主要是贝氏体，原奥氏体晶界明显。还可以看出，贝氏体分成两种，一种是粒状贝氏体，粒状结洛阳理工学院毕业设计（论文）21构的 M-A 岛散乱分布在铁素体基体上，M-A 岛这种分布状态对材料的性能是有利的，可以有效的组织裂纹扩散；另一种是板条贝氏体，与普通板条贝氏体不同的是，板条马氏体-奥氏体(M-A)岛在铁素体基体上的分布几乎是相互平行的；从靠近热影响区粗晶区到靠近基体的不同位置显微组织没有显著的变化，见图 4-2和图 4-3。图 4-3 为靠近热影响区基体的显微组织，靠近热影响区的基体组织中，几乎所有的 M-A 岛完全

53、分解，随着远离热影响区，基体中 M-A 岛分解程度减小，数量减少。此区域发生分解的 M-A 岛主要是尺寸较大和一些分布在晶界处的 M-A 岛。 图 4-2 热影响区微观组织 图 4-3 靠近焊缝母材的微观组织从靠近焊缝的热影响区到靠近母材的热影响区，晶粒和硬度逐渐减小。受接热循环影响，靠近焊缝的热影响区峰值温度很高，最高温度能达 1300，高温使得这部分区域的组织完全奥氏体化，晶粒变大，同时冷却速度很快，加速了粒状贝氏体组织的形成。随着远离焊缝，管体受热循环影响的最高温度逐渐降低，组洛阳理工学院毕业设计（论文）22织部分奥氏体化，晶粒度减小，同时有大量的铁素体、针状铁素体、贝氏体和少量的马氏体

54、出现，使得远离焊缝处的部分热影响区的硬度减小。靠近热影响区的母材由于 M-A 岛分解，造成这部分区域软化。随着远离热影响区，母材受热循环影响的程度逐步减小，M-A 岛分解的程度和数量相应减小。4.3 焊接接头夹杂物分析1固体夹杂物焊缝中的主要夹杂物类型有，硫化物类、氧化铝类、硅酸盐类、球状氧化物类。通过焊缝切片的试样目测和显微镜照片可以发现焊缝区域夹杂很多块状夹杂物。由于手工电弧焊的药皮保护的效果不如气体保护的效果好，空气中的氧气进入焊缝参与熔池反应，再加之焊条本身含有 S 元素，故在熔池反应中形成了氧化物和硫化物的夹杂。如果夹杂物的含量过多时，会对焊缝的质量产生不良影响，严重的还会发生重大的

55、灾难事故。2气体夹杂由于填充焊和盖面焊均使用手工电弧焊，药皮的保护效果没有气体保护和焊剂的效果好，在焊接过程中空气中的部分二氧化碳和氢气会进入熔池参与熔池反应，产生气体。当电弧对熔池的搅拌作用不明显，冷却凝固速度过快时，气体来不及溢出就会在焊缝中形成气孔。4.4 工艺的优化1经历焊接热循环后 X80 管线钢焊接粗晶区的组织主要为贝氏体、马氏体和少量的铁素体，随着冷却速度的减慢，铁素体的比例有所增大。建议增加焊前的的预热工作，焊前预热可以延长 800-500温度区间的冷却时间慢冷时奥氏体转变为铁素体和珠光体，减少了马氏体的形成。2与粗晶区相比，单道临界区的晶粒大小具有明显的不均匀性，但晶粒尺寸较

56、小，生成的组织有针状铁素体和贝氏体两种形态，且在焊缝中出现了一点夹杂和气孔缺陷。应该在保证焊工焊接质量的情况下，适当加大焊接电流和电压，洛阳理工学院毕业设计（论文）23加大电弧对熔池的搅拌作用，减少焊缝重的夹杂和气泡缺陷。4.5 本章小结在焊接过程中焊缝以及热影响区由于经过高温融化，再结晶，凝固，的一系列热循环反应。其晶体形态和母材有较大的差异，导致该区域成为焊件最薄弱的地方，特别是应力集中的区域。因此对焊缝的金相分析就显得尤为重要。通过对 X80 管线钢焊缝及近缝区域的分析，我们发现焊缝的主要显微组织为铁素体，相互交联，紧密排列，具有良好的力学性能。而热影响区粗晶区主要为贝氏体和散乱分布的

57、M-A 岛，这种组织容易发生断裂，是整个焊缝最薄弱的地方。越远离热影响区，M-A 岛的分解程度越小，数量也会越少，力学性能也会越来好。伴随着剧烈的熔池反应，焊缝也出现了诸如夹杂和气泡等缺陷，因此我们对焊接工艺也做出了适当的优化，在加大电流的同时还要进行焊前的热处理工作。优化了相关工艺后，材料的焊接效果有明显的提升。洛阳理工学院毕业设计（论文）24第 5 章 焊后热处理实验5.1 前言 由于焊接过程中温度的不均匀分布，以及焊接热循环以及金属热胀冷缩的作用，在焊缝附近会产生较为严重的焊接残余应力，对焊缝的焊接质量产生不良的影响18。因此在经过大量焊接工艺处理的工件完成后通常会进行焊后热处理，以减少

58、焊缝、焊缝交汇处的焊接残余应力，保证工件质量。一般焊后热处理有两种方法，一种是单一高温回火，另一种是正火加高温回火。两者都是将焊件温度加热到温度 AC1线以上，保持一段时间，使得材料的屈服极限降低在应力较高的地方实现塑性流动，粗大晶粒减少，实现该区域应力的降低。单一高温回火的成本低、效果好，因此绝大部分焊后热处理为单一高温回火，然而在一些施工条件艰苦的环境中也会使用单一中温回火，可以消除部分焊接残余应力和去氢；气焊的热影响区晶粒比较粗大，一般使用正火加高温回火，仅仅采用正火的处理方法是不能将焊接残余应力完全消除的，故在正火以后需要进行高温回火。考虑到 X80 管道钢的焊接施工条件相对艰苦，出于

59、成本考虑，我们选用单一的中温回火热处理，取三组式样，分别放入实验热处理炉内进行模拟中温回火，保温半个小时，室温冷却，处理后使用电子显微镜拍照对比，分析热处理效果。5.2 焊后热处理实验我们选取 2 组实验样本，每组 3 片控制变量分别做 650、700、750的模拟回火热处理，将一组热处理后的式样放入电子显微镜观察其晶体组织的变化;另一组式样做成标准的 10 mm10 mm55 mm 的标准 V 型缺口冲击试样，进行冲击试验。5.2.1 金相组织图 5-2 和图 5-3 为不同焊后热处理状态下 X80 钢焊焊缝的金相组织。从图 5-1 可知：焊态 X80 管线钢焊缝的金相组织为淬火马氏体组织和

60、少量的贝氏体，原洛阳理工学院毕业设计（论文）25柱状晶或胞状晶晶内由不同位向的板条马氏体束组成，不存在明显的沉淀相。 图 5-1 焊缝显微组织经过 650、700和 750热处理后的焊缝试样的金相组织比较接近，均为回火马氏体组织，原柱状晶或胞状晶晶内由不同位向的板条马氏体束组成，原奥氏体晶界及马氏体板条束边界处分布着细小的沉淀相19，见图 5-2 和图 5-3。图 5-2 650回火后的显微组织经 700热处理后，X80 管线钢焊缝的基体以板条状马氏体为主，参杂少量贝氏体，马氏体板条内为交错状的位错胞；沉淀相主要有两种：一种是沿晶界、马氏体板条界处分布的呈针状或不规则块状状沉淀相20。对比图