X80焊接热影响区组织与性能的模拟试验研究

作者:刘宇;由宗彬;韩涛 刊名:石油管材与仪器 上传者:沈凯

【摘要】针对X80管线钢焊接热影响区的软化与脆化问题;研究模拟焊接热影响区的组织性能分布规律;为X80管线钢化学成分及焊接工艺的优化提供技术参考;采用Gleeble3500热模拟试验机对三种不同化学成分的X80钢进行焊接热影响区模拟试验研究;分析焊接热循环峰值温度、冷却时间t8/5对显微组织、拉伸性能、维氏硬度、冲击韧性的影响规律;当峰值温度范围为800~1000℃;X80焊接热影响区的临界区和细晶区存在软化现象;随着冷却时间t8/5的增大;X80焊接热影响区的软化率和软化温度范围均呈增大趋势;X80焊接热影响区的临界区和粗晶区易出现脆化现象;合理设计X80管线钢的化学成分和原始显微组织;可有效减小焊接热影响区的软化与脆化趋势;

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0 引 言 现场环焊是长输油气管道最关键的施工环节之一,环焊接头的质量性能对于保障整条管道的安全运营十分重要。近年来,我国X80管线钢管的工程应用越来越广泛,在环焊工艺评定和性能检测时发现部分环焊接头存在软化和脆化现象,这对管道的安全运行造成一定的风险和隐患[1]。X80管线钢在经历复杂的焊接热循环后,组织与性能发生改变,且呈不均匀分布,因此有必要对X80管线钢环焊热影响区显微组织和力学性能的主要影响因素和规律进行深入研究,从而采取相应措施,有效减小环焊接头软化和脆化倾向,保障X80环焊接头的质量性能满足工程要求[2-5]。 1 试验材料与方法 试验材料取自三种不同化学成分的X80管线钢,试验钢的主要化学成分见表1。由此可知,三种X80管线钢化学成分存在一定差异,其中X80-C的碳当量高于其它两种钢,添加Mo、V,且Nb含量较高;另外两种钢中未添加Mo,其中X80-A中Cu含量较高,而X80-B含较高的Ni和Nb。 表1 试验用X80管线钢化学成分(质量分数) % 注:a; b 采用Gleeble 3500热模拟试验机对三种X80试验钢进行了焊接热影响区(HAZ)的热循环模拟试验,试验参数见表2。 表2 焊接热影响区模拟试验参数 热模拟拉伸试样规格为D10 mm×110 mm圆棒,热模拟后加工成拉伸试样,试样尺寸见图1,然后采用MTS 810试验机进行室温拉伸试验。热模拟冲击试样规格为10.5 mm×10.5 mm×70 mm,热模拟后对试样进行磨抛,然后采用4%硝酸酒精溶液对磨抛面进行侵蚀,对试样中心经历热循环的位置进行光学金相和扫描电镜观察与分析,以及维氏硬度HV10测试;然后将该试样加工为10 mm×10 mm×55 mm标准夏比冲击V型缺口试样,进行-10 ℃冲击韧性测试。为了减小试验误差,降低偶然因素对结果的影响,在试验中采取了相应技术措施,包括保证热模拟试验设备状态参数、操作人员,以及试验夹持、试样加工、缺口位置等关键环节的一致性和稳定性,确保试验数据准确、可靠。 图1 热模拟后拉伸试样规格示意图 2 结果分析与讨论 2.1 X80模拟焊接热影响区的拉伸性能 图2为三种X80钢模拟焊接热影响区在不同峰值温度下的屈服强度和抗拉强度对比(冷却时间t8/5为15 s)。由图2(a)可知,当峰值温度小于700 ℃时,屈服强度相对于母材的变化较小;当峰值温度大于800 ℃时,屈服强度显著下降;当峰值温度为900~1 000 ℃时,屈服强度降至最低,即细晶热影响区(FGHAZ)存在明显软化;随着峰值温度的进一步升高,屈服强度逐步增大。 图2 峰值温度对X80模拟焊接热影响区屈服 强度和抗拉强度的影响(t8/5=15 s) 由图2(b)可知,模拟焊接热影响区抗拉强度的变化幅度小于屈服强度。当峰值温度为800 ℃,X80-C的抗拉强度出现高值,即临界热影响区(IGHAZ)存在硬化倾向。随着峰值温度的增大,X80-A和X80-B的抗拉强度均呈缓慢下降趋势;当峰值温度大于1 000 ℃,抗拉强度开始增大,其中X80-B的增大趋势显著,当峰值温度为1 300 ℃时,即粗晶热影响区(CGHAZ)的抗拉强度高于母材,存在一定的硬化倾向。 图3为X80-B钢模拟焊接热影响区在不同冷却时间t8/5下的屈服强度和抗拉强度对比。由此可知,随着冷却时间t8/5的增大,屈服强度和抗拉强度的软化率和软化温度范围均呈增大趋势;当t8/5≤15 s时,模拟CGHAZ(峰值温度为1 300 ℃)的抗拉强度显著增大。 图3 冷却时间t8/5对X80-B钢模拟焊接热 影响

参考文献

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