分享：X80钢管环焊缝接头的显微组织与力学性能

近年来，中国的长输管线建设取得了前所未有的发展，西气东输、中亚管线、中俄东线等重大管道工程相继建设。长输管线材料主要采用X70、X80管线钢，其口径大、压力高，因此管道的安全性能尤为重要。 

长输管道现在唯一的连接方式是焊接，环焊缝接头的性能和质量对管道运行期间的稳定性和安全性有决定作用[1-6]。国家管网标准DEC-OGP-G-WD-002-2020-1《油气管道工程线路焊接技术规定》对油气管道的焊接方法、焊接材料、焊接工艺评定，以及现场焊接质量进行了规定，要求对L485（X70）及以上钢级管道环焊缝焊接接头进行CTOD（裂纹尖端张开位移）试验。有许多文献[7-11]也对高钢级管线钢进行了CTOD试验。 

笔者对某管道工程焊接工艺进行评定，观察了焊缝的宏观形貌和显微组织，测试了焊接接头的关键力学性能，并对试验结果进行了分析，为提升长输管线环焊缝接头质量提供了试验依据。 

1.   试样制备与试验方法

试验对象为1 219 mm×22.0 mm（外径×壁厚）的X80M钢对接环焊缝接头。取样位置如图1所示。平焊位取样位置为0点方向，立焊位取样位置为3点方向，仰焊位取样位置为6点方向。 

图  1  取样位置示意

在环焊缝接头平焊位、立焊位和仰焊位焊缝横截面上截取金相试样，用OLS 4100型激光共聚焦显微镜观察焊缝的宏观形貌和显微组织。 

在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限取焊接接头板状拉伸试样，试样平行段宽度为19 mm。在平焊位和仰焊位截取全焊缝棒状拉伸试样，试样平行段直径为10 mm，标距为50 mm，分别采用SHT4106型和UTM5305型材料试验机进行拉伸试验。在平焊位、立焊位和仰焊位焊缝中心和熔合线的内表面、外表面截取冲击试样，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm（长度×宽度×高度），采用PIT752D-2型冲击试验机进行冲击试验。试验温度为－10 ℃，每组测3个试样，取平均值。采用KB30BVZ-FA型维氏硬度计在立焊位和仰焊位截取焊接接头硬度试样，进行维氏硬度测试，压痕位置如图2所示。 

图  2  维氏硬度试验压痕位置示意

分别在焊口平焊位、立焊位和仰焊位的焊缝和熔合线处各取1件CTOD试样，试样为三点弯曲试样，试样公称宽度为32 mm，厚度为16 mm。采用整体刀口试样。依据标准GB/T 21143—2014《金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》，GB/T 28896—2013《金属材料 焊接接头准静态断裂韧度测定的试验方法》，加载速率为1 mm/min；采用断口分析仪对裂纹长度进行测量，测量精度为0.001 mm。 

2.   试验结果与讨论

2.1   宏观形貌和显微组织

不同焊接位置处焊接接头的宏观形貌如图3所示。由图3可知：平焊位，立焊位和仰焊位焊接接头均无气孔、夹渣、未熔合等焊接缺陷，焊接层数均为10层11道。焊接接头的显微组织形貌如图4所示。母材组织由粒状贝氏体组成，焊缝组织由晶内成核针状铁素体加少量的粒状贝氏体和多边铁素体组成，粗晶区组织由粒状贝氏体组成，细晶区组织由多边铁素体和少量的马氏体、奥氏体岛状组织组成。 

图  3  不同焊接位置处焊接接头的宏观形貌

图  4  焊接接头的显微组织形貌

2.2   力学性能

2.2.1   拉伸性能

焊接接头的拉伸试验结果如表1所示。由表1可知：4个象限焊接接头的抗拉强度基本相同，且都在母材区断裂。 

平焊位和仰焊位全焊缝拉伸应力-应变曲线如图5所示。由图5可知：两个全焊缝拉伸试样的屈服强度和抗拉强度也很接近，说明环焊缝接头在各个象限的强度比较均匀。 

图  5  平焊位和仰焊位全焊缝拉伸应力-应变曲线

2.2.2   冲击性能

焊接接头的夏比冲击试验结果如表2所示。由表2可知：立焊位焊缝和热影响区的平均冲击吸收能量比平焊位和仰焊位低。平焊位和仰焊位焊缝和热影响区的韧性更好。平焊位、立焊位和仰焊位焊缝的冲击吸收能量低于热影响区。 

2.2.3   硬度

焊接接头的维氏硬度测试结果如表3所示。由表3可知：立焊位焊缝和热影响区的平均硬度高于仰焊位。立焊位焊缝的硬度比热影响区高，仰焊位焊缝和热影响区的硬度基本相同。 

2.2.4   CTOD试验

焊接接头的CTOD试验结果如表4所示（按GB/T 21143—2014标准计算的CTOD值为δm1，按ISO 15653—2018《金属材料 焊接的准静态断裂测定用试验方法》标准计算的CTOD值为δm2，Vg为总缺口张开位移，V为缺口张开位移）。由表4可知：按照ISO 15653—2018计算的CTOD值比按照GB/T 21143—2014计算的值高35%左右；平焊位、立焊位和仰焊位焊缝的CTOD值均低于热影响区，这与冲击试验结果一致。在管线钢领域，夏比冲击试验与CTOD试验通常用来测试评价材料的韧性。冲击吸收能量与CTOD值越高，材料的韧性越好。 

CTOD试样断口宏观形貌如图6所示。由图6可知：断口由4部分组成，分别是黑色的机械加工缺口、灰色的预制疲劳裂纹区、较深色的裂纹扩展区和压断区。 

图  6  CTOD试样断口宏观形貌

3.   结论

（1）平焊位，立焊位和仰焊位焊接接头均无气孔、夹渣、未熔合等焊接缺陷。母材组织由粒状贝氏体组成，焊缝组织由晶内成核针状铁素体加少量的粒状贝氏体、多边铁素体组成，粗晶区组织由粒状贝氏体组成，细晶区组织由多边铁素体和少量的马氏体、奥氏体岛状组织组成。 

（2）环焊缝焊接接头在4个象限的抗拉强度基本相同，平焊位和仰焊位全焊缝拉伸试样的屈服强度和抗拉强度也很接近，说明环焊缝接头在各个象限的强度比较均匀。 

（3）立焊位焊缝和热影响区的平均冲击吸收能量比平焊位和仰焊位低。立焊位焊缝和热影响区的平均硬度高于仰焊位。平焊位、立焊位和仰焊位焊缝的CTOD值均低于热影响区，这与冲击试验结果一致。在管线钢领域，通常用夏比冲击试验与CTOD试验来评价材料的韧性。冲击吸收能量与CTOD值越高，材料的韧性越好。

文章来源——材料与测试网