直縫埋弧焊管組織性能分析

直縫埋弧焊管組織性能分析

0管道鋼管焊接工藝隨著管道環(huán)境的發(fā)展，管道環(huán)境已經(jīng)進(jìn)入氣候惡劣、地質(zhì)和地形極其復(fù)雜的地區(qū)。因此，有必要使用更多的高強(qiáng)度、高耐性、直徑和厚壁管道的數(shù)量。X100管線鋼其微觀組織是由粒狀鐵素體、貝氏體和馬氏體組成,是通過(guò)化學(xué)成分設(shè)計(jì)以及采取控軋、控冷得到的,X100管線鋼是21世紀(jì)高強(qiáng)度、高韌性天然氣輸送管道鋼材的發(fā)展方向。近年來(lái),直縫埋弧焊在管線鋼管的焊接工藝中應(yīng)用廣泛。較之螺旋埋弧焊管,直縫埋弧焊管的成型和焊接是分開進(jìn)行的,焊接作業(yè)不受成型工序的制約,而且在內(nèi)焊之前增加了預(yù)焊,焊接在平面位置進(jìn)行,焊縫外形輪廓比較理想,后續(xù)無(wú)損探傷容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,焊后全管冷擴(kuò)徑,殘余應(yīng)力的消除效果較好,焊縫的綜合質(zhì)量容易保證。1材料的拉伸試驗(yàn)本試驗(yàn)用鋼取自國(guó)外某鋼廠研制的準(zhǔn)1016mm×16.0mm的X100直縫埋弧焊管,在溫度22℃,濕度42%的條件下,利用ARL直讀光譜儀和LECOTC600氧氮分析儀測(cè)定了鋼管母材的化學(xué)成分,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。碳當(dāng)量可以粗略地反映鋼材的淬硬傾向和焊接加工的難易程度,根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式和裂紋敏感系數(shù)公式計(jì)算所得的碳當(dāng)量也列入表1中。鋼管母材組織為粒狀貝氏體和多邊形鐵素體,材料的晶粒度為12級(jí),如圖1所示。本試驗(yàn)制取母材橫向全壁厚矩形試樣,寬度38.1mm,標(biāo)距為50mm;制取圓棒試樣,直徑為8.9mm,標(biāo)距35mm。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTMA370—2009在MTS810萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)母材和焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。制取90°橫向10mm×10mm×55mm沖擊試樣,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTMA370—2009在ZBC2752-B沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)溫度依次為20℃,0℃,-10℃,-20℃和-40℃。沿焊縫垂直方向制取焊接接頭金相試樣,經(jīng)鑲嵌、打磨和拋光后,用4%的硝酸酒精溶液浸蝕。在MEF4M金相顯微鏡下對(duì)焊縫和母材的組織進(jìn)行觀察分析。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTME92—1982在HSV-20型數(shù)字式維氏顯微硬度計(jì)上測(cè)定焊接接頭和母材顯微硬度值。2試驗(yàn)測(cè)試與分析圖2為X100直縫埋弧焊焊接接頭宏觀形貌,所測(cè)得的焊縫參數(shù)見(jiàn)表2。由圖可以看出埋弧焊管焊縫成形良好,外焊道與內(nèi)焊道熔合界限明顯,焊縫與熱影響區(qū)清晰可見(jiàn)。雙面埋弧焊焊接接頭焊縫外觀尺寸良好,無(wú)明顯的焊接缺陷。X100直縫埋弧焊管焊接接頭焊縫組織為針狀鐵素體+粒狀貝氏體,少量邊界上存在多邊形鐵素體和珠光體,如圖3所示;熔合區(qū)為大塊的粒狀貝氏體,并存在明顯的奧氏體晶界,如圖4所示;細(xì)晶區(qū)主要組織是多邊形鐵素體,邊界存在少量的珠光體,如圖5所示。圖6是沿X100直縫埋弧焊管焊縫垂直方向,測(cè)試焊縫各區(qū)域顯微硬度的剖面圖。所測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。母材硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。焊縫顯微硬度平均值為277HV10,母材顯微硬度平均值為268HV10,熱影響區(qū)的顯微硬度平均值為258HV10。總體焊縫處的硬度高于熱影響區(qū)和母材的硬度,焊接接頭的熱影響區(qū)也沒(méi)有出現(xiàn)局部軟化的現(xiàn)象。表5是X100直縫埋弧焊管焊接接頭拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果,焊接接頭拉伸性能高于標(biāo)準(zhǔn)要求值,稍低于母材橫向試樣,且斷口皆斷于母材,直縫埋弧焊焊接接頭各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足ISO3183—2007標(biāo)準(zhǔn)要求。母材矩形試樣抗拉強(qiáng)度低于圓棒試樣,最大差值為37MPa左右,Rt0.6和Rt0.5也較圓棒試樣低80MPa左右。試驗(yàn)結(jié)果表明,直縫埋弧焊管的拉伸性能達(dá)到了APIX100鋼級(jí)的強(qiáng)度要求。鋼管斷裂韌性是鋼管技術(shù)要求的重要指標(biāo)之一。目前由于試樣尺寸小,試驗(yàn)方法簡(jiǎn)便,所以夏比沖擊試驗(yàn)得到了廣泛的應(yīng)用,本試驗(yàn)在直縫埋弧焊管焊接接頭處(90°橫向)制取10mm×10mm×55mm沖擊試樣,在20℃,0℃,-10℃,-20℃和-40℃不同溫度下進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。圖7分別為X100直縫埋弧焊鋼管母材、焊縫和熱影響區(qū)沖擊韌性值和剪切面積的韌脆轉(zhuǎn)變曲線。管線鋼的化學(xué)成分對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度有較大的影響,含碳量對(duì)鋼的韌脆轉(zhuǎn)化溫度有很大的影響,隨著鋼中含碳量的增加,材料塑性抗力增加,韌脆轉(zhuǎn)化溫度明顯提高,轉(zhuǎn)變的溫度范圍也加寬,鋼中含碳量增大對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響,主要?dú)w結(jié)為珠光體的增加加大了鋼的脆性。細(xì)化晶粒一直也是增強(qiáng)材料韌性、避免脆斷的重要手段。Mn元素可以抑制鐵素體-珠光體的轉(zhuǎn)變,促進(jìn)貝氏體的形成,從而提高管線鋼的韌性。由圖7(a)可以看出X100直縫埋弧焊管在-60℃依然有良好的夏比沖擊韌性,其轉(zhuǎn)變溫度也很低。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T229—2007,測(cè)定焊縫50%FATT對(duì)應(yīng)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-50~-60℃之間,熱影響區(qū)50%FATT在-20~-30℃之間。由此可以看出,X100直縫埋弧焊管焊接接頭具有優(yōu)良的室溫和低溫沖擊韌性。3顯微硬度和硬度(1)試驗(yàn)鋼直縫埋弧焊焊接接頭抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均滿足ISO3183—2007標(biāo)準(zhǔn)要求。(2)試驗(yàn)鋼焊接接頭組織為針狀鐵素體+粒狀貝氏體+多邊形鐵素體和少量的珠光體,這種組織保證了焊接接頭具有較高的強(qiáng)度的同時(shí)仍具有較好的韌性。(3)焊縫顯微硬度總體高于母材和熱影響區(qū)