管线钢焊接热影响区的组织性能概述

目录

第一章绪论 (1)

1.1选题背景 (1)

1.2课题研究目的和意义 (2)

1.3管线钢的研究进展 (3)

1.4管线钢的研究现状和发展趋势 (4)

1.4.1 管线钢的发展趋势 (4)

1.4.2 管线钢的组织结构的变化 (4)

1.4.3管线钢的国外研究现状 (5)

1.5焊接热影响区的组织性能特点及其研究现状 (7)

1.5.1 管线钢焊接热影响区的组织转变特点 (7)

1.5.2 管线钢的HAZ组织分布 (8)

1.5.3 HAZ的性能分布 (9)

1.5.4 管线钢的焊接热影响区研究现状 (10)

1.5.4 管线钢焊接热影响区的粗晶区局部脆化现象 (11)

1.6本文的研究容 (13)

第二章试验材料及方法 (15)

2.1试验材料 (15)

2.2试验方法 (15)

2.2.1 热模拟试验 (15)

2.2.2 夏比冲击试验 (21)

2.2.3 硬度试验 (22)

2.2.4 显微组织分析实验 (22)

第三章X100管线钢热影响区的组织性能研究 (23)

3.1热模拟试验 (23)

3.2硬度试验 (24)

3.3冲击试验 (25)

3.4显微组织分析 (25)

第四章结论 (28)

参考文献 (29)

致 (31)

第一章绪论

1.1 选题背景

石油天然气是国民经济的重要战略物资。能源需求的增长加上能源结构的优化调整，带动了石油天然气工业的全面发展。至2030年全世界天然气的需求量将翻一番。今后10~15年，全球总能源消耗将比现在增加60%左右，其中天然气消耗将翻一番。天然气需求的增长主要集中在北美、欧洲和经济迅速发展的亚洲。从地域上来看，用户主要在工业发达的城市地区，而油气田则大部分在极地、冰原、荒漠、海洋等偏远地带。因而作为石油和天然气的一种经济、安全、不间断的长距离输送工具，油气输送管道在近40年得到了巨大的发展，这种发展势头在未来的几十年中仍将持续下去。预计今后10~15年，我国共需各类油气输送钢管1000×104t左右(不包括城市管网)[1]。

油气输送管发展的动力来自于两个方面。其一是世界石油工业的发展。随着极地油气田、海洋油气田和边远油气田的开发，对输送管提出了越来越高的要求。其二是冶金工业的进步。目前，管线钢的设计和生产过程由于采用了冶金数学、清洁的实验室和生产过程的计算机控制等高新技术，管线钢已经成为低合金高强度钢和微合金化钢领域最富有活力、最具研究成果的一个重要分支[2]。

与此同时，随着油气开发向极地环境的进展，地震、滑坡、冻胀、融沉等导致的地形运动，对油气输送管线的设计、施工、运营维护提出了新的挑战。中国油气长输管线面临的地震和地质灾害问题目前也引起了高度关注。地震和地质灾害对管线造成的损害是通过过量塑性变形引起的，主要预防措施有两个方面[3]。首先，在敷设方式上，可以采取一系列措施，例如尽量避开产生大位移的地层不稳定区域；管线的走向应使其承受拉伸应变，因为管线承受轴向拉伸应变的能力远大于承受压缩弯曲的能力；采用大曲率半径弹性敷设方式，增加管线活动能力等。另一方面，则需要从提高管线钢材料本身的抗变形能力着手。因此开发能承受大的变形而不发生破裂的抗大变形管线钢，进一步提高其抗变形性能是高性能管线钢的一个重要发展方向对于输油气管线在地震、海等敏感地带的安全使用具有重要意义。尤其是在极地或次极地环境的不连续冻土地带，要求管线用钢具有抵抗大的拉伸应变和压缩应变的能力。此外，随着国外对石油、天然气等能源需求的增加，管线输送向大口径、高压、富气输送方向发展，显著推动管线钢进一步向高钢级方向发展。目前，X80管线钢已投入商业应用，X100、X120管线钢的研发开始受到重视。然而，随输送压力的增加，对钢的止裂性能也提出更高的要求，这也就要求该钢具有更高韧性，因此，提高其强韧性已成为目前研究的重点和难点[4]。

焊接是管道施工的关键环节。在不均匀焊接热循环的作用下，母材焊接热影响区微观组织将发生改变，如晶粒尺寸、形态和结构及析出物的种类和尺寸分布等。如果焊接工艺控制不当，常常出现组织和韧性恶化[5]。

但对大口径钢管，焊接是生产中的重要工序，焊接过程中导致的热影响区组织和性能变化将直接影响到钢管的质量。目前，在X100大变形管线钢埋弧焊过程中发现大部分焊接接头成为管线钢应用的薄弱区域。关于 X100大变形管线钢的焊接热影响区方面的报道较少，而且在一些研究中，人们往往也只是重视焊接热影响粗晶区的性能变化。而对焊接热影响区来说，由于不同峰值温度的作用，热影响区将包含粗晶区、细晶区、两相区、回火区等不同区域。由于不同的焊接热作用，不同区域上的组织和性能变化将是明显不同的。因此，深入认识焊接热影响区的性能变化，就需要对不同区域组织进行系统研究[4]。

1.2 课题研究目的和意义

世界围石油天然气开发难度日益加大，对管线钢及管线钢管的性能要求不断提高，这就需要对最新管线钢及管线钢管的设计理念、制造和施工技术进行研究。基于管道输送的快速发展，管线钢逐渐成为了低合金高强钢中最活跃的领域。为了满足输送压力的不断提高，人们将更多的注意力集中在开发更高钢级的管线钢上，同时对管线钢的抗腐蚀能力、止裂性能和耐低温性能也在不断进行研究。但是单纯的高强度并不能确保管线的安全，比如遇到地震、泥石流等自然灾害引起的地层的大规模运动时，管线钢还应具有很好的抗大变形能力，国外一些研究机构已在进行这方面的研究，国的研究才刚刚起步。在我国，近几年来，随着以西气东输工程为代表的石油天然气长输管道的建设，高压力大管径油气管道通过地表复杂地质条件的情况越来越多。管道敷设和坡体稳定之间的联系也越来越紧密。我国幅员辽阔，地形地貌多变，地质构造复杂，山地滑坡、崩塌、泥石流等自然灾害时有发生。这对长输管道的破坏力在许多地区远大于地震的危害。特别是大型滑坡对管道往往带来灾难性的后果。因此，研究管线钢具有重要的理论价值和工程应用价值，特别是对保证管线建设的可行性和安全运行有着重要的意义[6]。

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。如X100管线钢就是其中一例。目前，关于X100的焊接热影响区方面的报道较少，而且在一些研究中，人们往往也只是重视焊接热影响粗晶区的性能变化。而对焊接热影响区来说，由于不同峰值温度的作用，热影响区将包含粗晶区、细晶区、两相区、回火区等不同区域。由于不同焊接热作用，不同区域的组织和性能变化是明显不同的。因此，深入认识焊接焊接热影响区的性能变化，就需要对不同区域进行系统研究。

1.3 管线钢的研究进展

19 世纪末，输送油气用的大口径钢管首先在美国发展起来。1928年美国石油学会(American Petrolium Institute)制定了API SPEC 5L焊管标准，以后每年修订一次 PISPEC 5L 标准。例如：“X42”表示管线钢的屈服强度等级为42 KPs（i英制单位），所对应公制单位为 290MPa。随着管线钢的进一步发展，到 20 世纪60年代末 70 年代初，美国石油组织在API 5LX 和API 5LS 标准中提出了微合金控轧管线钢 X56、X60、X65 系列[6，7]。这种钢突破了传统钢的观念，碳含量为 0.10%～0.14%，在钢中加入了小于 0.20%的 Nb、V、Ti 等微合金元素，并通过控制轧制工艺显著改善了钢的力学性能。到 1973年和 1985年，API标准又相继增加了 X70和 X80 钢，其碳含量降到 0.01%～0.05%，碳当量也相应地降到 0.37以下开发出了真正现代意义上的多元微合金化控轧控冷管线钢。如图1-1所示，为不同强度级别管线钢的发展历程图。

图1-1 管线钢的发展历程

随着冶金技术的进步，高性能的钢材被逐步研制出来。自1959年微合金钢开始在管线钢上应用以来国际上对管线钢的研究与生产也进行了五十多年。石油工业的快速发展使油气管道工程面临着高压输送和低温、大位移、深海、酸性介质等恶劣环境的严峻挑战。为保证管线建设和运行的经济性和安全性，管线钢的基本要求和发展趋势是高强度、高韧性、大变形性、厚壁化、高耐蚀性和良好的焊接性。

1.4 管线钢的研究现状和发展趋势

1.4.1 管线钢的发展趋势

早期建设的管道，由于管径小、压力低和冶金技术的限制，直到20世纪40年代，管线钢一直采用C、Mn、Si型的普通碳素钢,其强度级别低于X52。自上世纪60年代，随着输送压力和输送管径的增大，管线钢的强度级别要求也越高，人们开始采用低合金高强度钢(HighStrengthLowAlloySteels，简称HSLAsteels)代替普通碳钢，并通过控制轧制和控制冷却技术进一步提高材料的强韧性。1959年，X52级别的低合金高强度钢首次应用到气体输送管线，至今X70级别管线钢已广泛应用。

输气管道输送压力的不断提高，使得输送钢管迅速向高钢级发展。国际上，X70钢管己使用多年。X80钢管在德国、加拿大、日本等国己具备规模生产的能力，并已应用到多条管线中。加拿大Welland公司1995年至1999年7月销售的供天然气输送的SSAW和UOE焊管，全部为X70与X80[8]。

工业发达国家普遍把X80列为21世纪初天然气管道的首选钢级。德国、日本、加拿大已研制成功X100管线钢,正在研制X120钢级。一些著名的石油公司和管道公司在本世纪初进行了Xl00钢级和X120钢级管道的工业性试验。由此可见，高钢级管线钢的开发与应用在国外已非常普遍。

1.4.2 管线钢的组织结构的变化

从某种意义上讲，管线钢的发展过程，实质上是管线钢显微组织结构的演变过程。管线钢能够以不同的方式进行分类。从材料显微组织学归类，有四种基本组织类型的管线钢，即铁素体一珠光体(Ferrite-Pearlite，简写为F-P)管线钢、针状铁素体(AeieularFerrite简写为AF)管线钢、贝氏体-马氏体(Bainite-Martensite,简写为B-M)管线钢和回火索氏体(Tempered Sorbite，简写为S)管线钢。前三类管线钢为微合金化控制轧制和控制冷却状态(Termomechancal Control Process，简写为TMCP)管线钢，是现代油气管线的主流钢种。第四类管线钢为淬火、回火状态(QuenchTempering，简写为QT)管线钢，由这类管线钢难以进行大规模生产，在使用上受到限制，然而在俄罗斯等国和在海洋管线等领域仍不失使用的实例。

在微合金化管线钢中，铁素体一珠光体是第一代微合金管线钢的主要组织形态，X70及其以下级别的管线钢具有这种组织形态。针状铁素体管线钢是第二代微合金管线钢，强度级别可覆盖X60~X100。近年来发展的超高强度管线钢Xl00、X120的显微组织形态为贝氏体-马氏体。

（1）铁素体-珠光体

铁素体-珠光体是20世纪60年代以前的管线钢所具有的基本组织形态。当时应用的X52以及低于这种强度级别的管线钢均属于铁素体-珠光体钢。其基本成分是

C-Mn，通常含碳量为0.10~0.20%,含锰量为1.30~1.70%，一般采用热轧或正火热处理。当要求较高强度时，可取高限含碳量，或在Mn系的基础上加入微量Nb、V。通常认为，铁素体一珠光体管线钢具有晶粒尺寸为7μm左右的多边形铁素体和约30%的珠光体。这种合金化和组织设计的制造成本最低。铁素体一珠光体管线钢典型的光学显微组织形态如图1-3,透射电子显微组织如图1-4。

图1-3 铁素体-珠光体的光学显微组织图1-4 铁素体-珠光体的TEM电子显微组织

（2）针状铁素体

具有铁素体-珠光体组织形态的管线钢，通过采用微合金化和控轧、控冷等强化手段，在保证高韧性和良好焊接性的条件下，可将20mm的宽厚板提高到50~55OMPa 的极限水平。为进一步提高管线钢的强韧性，需要研究开发针状铁素体管线钢。针状铁素体管线钢通过微合金化和控轧、控冷，综合利用晶粒细化、微合金元素的析出相和位错亚结构的强化效应，可使管线钢达到Xl00的强韧水平。

（3）贝氏体-马氏体

通过低C，Mn-Cu-Ni-Mo-Nb-Ti的多元合金设计和先进的TMCP技术，X100管线钢可获得全部针状铁素体组织。虽然在对X100显微组织的定量分析中，仍有可能存在少量其它组织，但人们习惯称其为全针状铁素体钢,或称为全粒状贝氏体钢!退化上贝氏体钢。

从组织形态学上分析，如果说Xl00与X80等针状铁素体管线钢有较大的相似性，X120则有完全不同的组织形态，其典型显微组织为下贝氏体一板条马氏体。

下贝氏体(LB)和马氏体(M)均以板条的形态分布。在LB的板条分布着微细的具有六方点阵的ε-碳化物，些碳化物平行排列并与板条长轴呈55°一65°取向。在M 板条的碳化物呈氏体组态分布，板条间存在残余奥氏体薄膜。LB和M板条有高密度的位错。X120管线钢的这种组织结构赋予材料高的强韧特性，其屈服强度大于827Mpa，-30℃时的冲击韧性超过230J。

1.4.3 管线钢的国外研究现状

（1）管线钢的国研究现状

我国20世纪90年代初期的管线钢生产还停留在X60级水平。随着国对天然气需

求的迅速增长，为了提高管道输送能力、降低管道建设成本，采用高强度管线钢建设高压长输管线势在必行。在不到10年的时间里，中国X65、X70管线钢就己从试制发展到大规模的工程应用。随着近年来我国加大了石油天然气的开采和应用力度，一批高钢级、高技术要求的管线工程陆续开工建设。西气东输!陕京二线均要求管线钢级为X70、壁厚17.5rnrn，为我国当时管线工程所用螺旋管钢级和壁厚之最。目前我国X70及以下的管线钢管不仅满足了API Spee.SL标准规定的强度要求，而且韧性技术指标达到世界先进水平[9]。

近年来，X80管线钢的研究和开发取得了重要进展。石油钢管有限责任公司于1999年开始进行石油天然气输送用X80级螺旋埋弧焊管的研究工作，先后完成了国外高钢级管线钢管的技术标准、焊接材料、焊接工艺等方面的技术情报的收集整理工作，并与国几家大型钢铁公司联合提出了X80管线钢热轧卷板的技术条件。至2003年已相继完成了不同规格的X80钢级板卷、钢板和焊管的试制和生产，取得了突破性进展。

Xl00高性能管线钢也引起我国管道工程界和冶金界的关注。2006年钢铁公司在国率先报道了Xl00的研究成果，其Xl00管线钢宽厚板及卷制的直缝焊管顺利通过了国权威科研机构一中石油管材研究所实验评价。这表明，鞍钢研制开发Xl00管线钢获得成功，成为国首家!世界上少数掌握这种高钢级管线钢技术并具备生产能力的钢铁企业。2006年，中国石油天然气集团公司启动了Xl00管线钢应用基础的研究。未来十年将是我国油气输送管线建设的高潮时期，预计每年将需要高强度高韧性管线钢100万吨以上,其部分为X70及以上高钢级管线钢[10]。

（2）管线钢的国外研究现状

1985年，德国Mannesmann公司成功研制了X80钢级管线钢，并铺设了312 km 的试验管道。此后X80钢级管线钢不断发展。目前，X80的用户主要有加拿大的TransCanada、德国的Ruhr Gas、英国的Transco等，生产厂商主要有欧洲钢管、日本的住友金属、新日铁、NKK、川崎、澳大利亚的PipeSteel和国的Posco等。国外大部分专家认为:X80钢级管线钢在管线设计、炼钢轧钢、制管成型、焊接工艺、检测评定、防腐保护、运营维护、工艺优化等方面已经积累了丰富的经验，在工业应用方面已经不存在技术问题了[11]。

1998年，Transcanada开始着手X100管线钢开发及应用等方面的研究。2001年，英国BP公司与日本钢铁公司和德国的欧洲钢管进行合作，在美国阿拉斯加气田开发中使用X100钢管。2002年，TCPL在加拿大建成了一条管径1 219 mm、壁厚14.3 mm 的X100钢级的1 km试验段。同年，新版CSZ245-1-2002首次将Grad690(X100)列入了加拿大国家标准[11,12]。目前，新日铁成功地开发了具有划时代意义的热影响区细晶粒超高强韧技术(HTUFF)，生产了具有高HAZ韧性型和高均匀延伸率型的X100钢管。欧洲钢管公司生产出了几百吨X100级管线钢，钢板厚度可达25.4 mm，用来制造口