改善高强韧管线钢焊接热影响区粗晶区韧性的现状与趋势

改善高强韧管线钢焊接热影响区粗晶区韧性的现状与趋势

发表时间：2019-12-24T09:32:05.210Z 来源：《工程管理前沿》2019年第22期作者：王利新[导读] 石油、天然气是一种重要的能源，是社会发展的物质基础之一摘要：石油、天然气是一种重要的能源，是社会发展的物质基础之一，也是国民经济的重要组成部分。作为石油、天然气的一种经济、安全、不间断的长距离输送工具，油气输送管道在近40年取得了巨大的发展。本文提出了改善高强韧管线钢焊接热影响区粗晶区韧性的思路与方法在于控制管线钢的合金元

素、奥氏体晶粒大小、MnS的析出、控制中温转变组织以及特殊焊接工艺的开发。

关键词:管线钢;粗晶区;韧性;焊接;组织控制目前通过微合金化、超纯净冶炼和现代控轧、控冷技术，已能够提供具有足够强韧特性的管线钢卷板。但经过焊接热过程后，热影响区粗晶区的晶粒粗化和组织结构的变化将使得热影响区的性能与管线钢性能严重不匹配，焊接接头热影响粗晶区不再具有管线钢的许多优异性能。因此，高性能管线钢的焊接热影响粗晶区的韧性已成为人们关注的问题之一。

一、焊接热影响区的组织性能特点

线钢焊接热影响区的组织转变特点。根据近年来的研究，焊接条件的组织转变与热处理条件下的组织转变，从基本原理来讲是一致的。新相的形成也是通过生核和核长大的两个过程，符合经典的结晶理论，组织转过程进行的动力也是取决系统中的热力学条件，即新相与母相的自由能之差。但是，由于焊接过程具有本身的待点，这就给焊接时的组织转变带来了它的待殊性。焊接本身的特点概括起来有以下五点：(1)加热的温度高一般热处理情况下，加热温度都不超过Ac 3以上100～200℃，而在焊接时，近缝区熔合线附近可接近金属的熔点，对于低碳钢和低合金钢来讲，一般都在1350℃左右。显然，二者相差甚大。(2)加热的速度快焊接时由于采用的热源强烈集中，故加热的速度比热处理时要快的往往超过几十倍甚至几百倍。(3)高温停留时间短焊接时由于热循环的特点，在Ac 3以上保温的时很短(一般手工电约为4～20 s，埋弧焊时30～l00 s)，而在热处理时可以根据需要任意控制保温时间。(4)自然条件下连续冷却在热处理时可以根据需要来控制冷却速度或在冷却过程中不同阶段进行保温。然而在焊接时，一般都是在自然条件下连续冷却，个别情况下才进行焊后保温或焊后热处理。(5)局部加热热处理时工件是在炉中整体加热，而焊接时，只是局部集中加热，并且随热源的移动，被加热的范围也在随之移动。这样就使组织转变是在应力作用下进行的，并且这种转变的过程是不均匀的。

二、管线钢HAZ的韧化途径与方向

改善HAZ韧性的途径主要有控制碳含量(C，mass fraction，%)和碳当量值(C eq)，利用微合金元素和合金碳氮化物细化奥氏体晶粒，获得韧性好的主体组织如针状铁素体、板条状贝氏体组织等以及控制组织中析出相的形态、大小和分布、钢中MnS的微细化控制等。

1.管材合金元素的调控。随着生产工艺的日趋成熟，为了提高焊接性，钢中的碳含量逐渐降低。但碳含量的下降，会引起钢强度的下降。为避免其引起强度损失，在钢中往往加入适量的合金元素。这些元素固溶于钢中或在钢中析出，这都可在一定程度上提高钢的强度。但合金元素的加入也要考虑它们的相互作用，从而综合考虑合金元素对粗晶区韧性的影响，如钢中复合加入Nb和Mo可获得管线钢优良强韧性的匹配。从经济及产品性能方面考虑，在管线钢中还经常用适量的Ni、Cu、Cr代替Mo，这些元素对管线钢相变行为的影响类似于Mn、Mo。同时微量元素B的加入可以提高钢的硬度，在晶界偏聚的B可抑制晶界铁素体的形成。为了避免B以碳氮化物的形式在晶界和晶内析出，常常用强碳氮化物元素Ti来抑制B以碳氮化物析出，使固溶B发挥其有利作用。高级管线钢如X100和X120管线钢常选用低碳贝氏体作为其主体组织，其合金化常采用低C、高Mn、低Si、适量Ni、Mo以及微量的Nb、Ti、V等。

2.细化原奥氏体晶粒。原奥氏体晶粒的细化可以通过控制具有钉扎或抑制奥氏体晶粒长大粒子的形成而得以实现。不同合金元素的碳氮化物沉淀相在焊接热循环过程中对奥氏体晶粒长大的作用效果不同，但采用在高温下稳定的氮化物和氧化物抑制奥氏体晶粒的粗化可以有效地细化粗晶区晶粒大小。Zr与Ti相似，是一种强氮化物和强氧化物形成元素。在炼钢过程高温条件下可以形成ZrO2、Ti 2 O 3、ZrN和TiN粒子。TiN具有高的稳定性，在高达1400℃以上的温度下，只有25%发生分解。许多研究表明ZrN和TiN粒子在焊接热循环过程中可以抑制奥氏体晶粒长大，提高粗晶区的冲击韧性。

3. HAZ组织控制。焊接粗晶区组织结构特点及其相比例主要受钢化学成分和所经历的焊接热循环特性的影响，呈现出多样性和非均匀性。一般情况下，当主体组织为板条状贝氏体，或组织为板条状贝氏体+少量针状铁素体时具有高的韧性。当主体组织为针状铁素体和细小的粒状贝氏体时也具有较高的韧性。当先共析铁素体或针状铁素体形成与长大时，碳的分配会发生在奥氏体与铁素体的界面上，从而残留奥氏体的碳浓度将会变大。当温度降到马氏体开始转变温度区间时，部分残留的奥氏体将转变为马氏体，它与未转变的残留奥氏体的组合即是M-A组元，或为岛状，或为条状。M-A组元为脆性组成相，它以粗大、块状形态存在将严重影响粗晶区的冲击韧性，但当M-A为弥散分布的细小岛状时有利于改善钢的韧性。M-A组元的含量与钢中碳含量有关，一般情况下碳含量低，M-A组元含量也会降低。在钢中碳含量一定的情况下，通常向钢中加入强碳化物合金元素能起到减小M-A组元含量的作用。对于不同的焊接工艺，当冷却速度适宜时，热影响区获得韧性良好的中温转变组织(粒状贝氏体或板条状贝氏体、针状铁素体);当冷却速度提高后，热影响区贝氏体基体中高碳高硬度的M-A 组元的含量也会明显降低，但形态会由岛状过渡到长条状。因此，根据管线钢成分特点，采用合适的焊接热循环条件及合适的冷却速度，控制M-A岛的形态、数量，同时得到板条状贝氏体和(或)针状铁素体等，以提高焊接粗晶区的韧性。

4.MnS的控制。钢中硫化夹杂物的存在增大了氢致开裂的敏感性，夹杂物数量越多且呈明显带状时，对材料抗氢致开裂能力影响越大，而粗晶区裂纹的产生直接影响到其韧性。因此，为减小硫化夹杂物对氢致开裂的影响，可增加硫化物的球化析出。若硫以MnS的形式作为细小夹杂物颗粒析出，反而有利于针状组织的形成。MnS的熔点为1620℃，一般在钢中的析出行为受Mn、S含量的控制。在钢液中， (1)

在γ相中，

(2)

但在高级管线钢中，因为高Mn低S的成分设计，其析出行为更易决定于S的含量。在S含量介于0.002%～0.008%之间时，MnS在氧化物上的析出同时受硫含量和氧化物类型的影响，MnO+SiO 2含量越高，其在氧化物上的析出率越大。而MnS也易于在Zr的氧化物上析出，主要是由于它们在晶体学上有良好的相似性。