刘 斌1，2，毕宗岳1，2，牛 辉1，2，赵红波1，2，席敏敏1，2，黄晓辉1，2
（1.宝鸡石油钢管有限责任公司 钢管研究院，陕西 宝鸡 721008；2.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721008）
摘 要：为了获得X90 管线钢埋弧焊接的合理热输入，采用Gleeble-3500 型热模拟试验机模拟了不同焊接热输入条件下X90 管线钢的热循环过程，同时采用显微组织观察、冲击试验和硬度试验的方法，研究了不同焊接热输入对X90 管线钢粗晶热影响区（CGHAZ）组织与性能的影响规律。结果显示，X90 管线钢经焊接热模拟后，CGHAZ 显微组织主要有贝氏体铁素体、粒状贝氏体和M/A 岛组元组成，冲击韧性优异；当焊接热输入E＞30 kJ/cm 时，显微组织中贝氏体铁素体减少，粒状贝氏体不断增多，晶粒尺寸变大，同时M/A 组元也由细小的网状长大成大条状或块状，韧性显著下降，CGHAZ存在软化现象。研究表明，对于X90 管线钢的埋弧焊接，当焊接热输入E＜30 kJ/cm 时可获得良好的综合力学性能。
关键词：X90 管线钢；粗晶热影响区；焊接热输入；组织；性能
为了提高石油天然气管道运输效率和降低管线建设成本，管线钢管不断向高钢级、高压力和大直径方向发展[1-2]。目前，世界范围内管线工程用钢均以X70/X80 钢级为主，X100 及以上级别管线钢由于受一些条件限制，影响了其大规模推广使用[3-4]。X90 钢级作为 X80 与 X100 钢级之间一个理想的过渡钢级，最有可能成为率先应用于管道工程的最高钢级[5-6]。
埋弧焊管焊接过程是一个极不均匀的热过程，伴随着各种复杂多变的冶金反应，各种缺陷及性能的不均匀性极易出现在焊接接头处，焊接热影响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母材性能严重不匹配。因此，研究X90 钢级管线钢的焊接接头组织，尤其是焊接热影响区粗晶区（CGHAZ）的组织与性能具有较高的工程应用价值[7]。本研究以国内某钢厂生产的X90 热轧卷板为对象，采用焊接热模拟技术，并通过光学显微镜、扫描电镜、冲击试验、硬度试验等手段分析不同焊接热输入对CGHAZ 组织与性能的影响规律，以期为X90 管线钢的工业化生产和应用提供一定的参考。
金门岩体侵入泥盆系东岗岭组(D2d)中，由于缺乏精确地年代学数据，在1∶20万等以往的填图工作中一直被认为是燕山晚期的产物。本文利用SHRIMP锆石U-Pb定年方法，获得金门岩体花岗闪长岩成岩年龄为156Ma±2Ma(N=8，95%置信度，MSWD=1.08)，表明金门花岗闪长岩的侵位时代为燕山早期。钦杭成矿带及其旁侧的岩浆活动在160Ma左右现了一个高峰期，在这一时期形成了大量的中酸性岩体及与之相关的矿床(表2)，金门花岗闪长岩成岩年龄与这一高峰期时间基本一致。
1 试验材料及方法
1.1 试验材料
试验材料采用某钢厂生产的X90 热轧卷板，壁厚16.3 mm。在室温条件下采用PDA7000 型直读光谱仪测定卷板的化学成分，测定结果见表1。光学显微分析试样经研磨、抛光后以3%硝酸酒精溶液进行腐蚀，采用Axio Observer A1M 型金相显微镜观察，电子扫描显微分析和断口分析在日立S3700 型扫描电镜上进行。X90热轧卷板显微组织如图1所示。
表1 X90管线钢化学成分 %
图1 X90管线钢光学显微组织及SEM形貌
从图1可以看出，X90 试验钢组织主要由粒状贝氏体以及M/A 组元组成，晶粒组织整体均匀细小，相邻的粒状贝氏体之间分布着细小的M/A 组元，这种微观组织构成保证了X90 管线钢具有良好的力学性能。
1.2 试验方法
试验采用Gleeble-3500 型热模拟试验机模拟不同焊接热输入条件下X90 管线钢的热循环过程，试样取自板厚中部，沿横向截取，试样尺寸为 11 mm×11 mm×80 mm。分别采用 10 kJ/cm、20 kJ/cm、30 kJ/cm、40 kJ/cm 和 50 kJ/cm5 种焊接热输入进行试验，峰值温度为1 300 ℃，加热速度130 ℃/s，t8/5 和高温停留时间等其他热模拟试验参数见表2。
表2 X90管线钢焊接热模拟试验参数
夏比冲击试验采用V 形缺口试样，试样经热模拟试验后，加工制备成标准10 mm×10 mm×55 mm 试样，缺口开在沿板厚方向的试样中心。冲击试验在JB800 型试验机上进行，并用日立S3700 型扫描电镜进行冲击断口形貌观察。硬度试样在经热模拟后的试样上截取，采用HXD-100TMC 显微硬度计进行显微硬度的测试。
2 试验结果及讨论
2.1 显微组织的演变
分别选取10 kJ/cm、30 kJ/cm 和50 kJ/cm三种不同焊接热输入条件下的X90 管线钢CGHAZ组织进行观察，光学显微组织如图2所示，SEM形貌如图3所示。由图2和图3可见，不同焊接热输入使材料的晶粒发生不同程度的长大，当在较低的焊接热输入下，E=10 kJ /cm 时，图2（a）和图3（a）所示显微组织主要以贝氏体铁素体为主，并且有少量的粒状贝氏体，由于冷却时间t8/5 较小，冷却速度快，使得奥氏体晶界向晶内平行生长成细密的板条，显微组织中晶粒尺寸均匀、细小，晶粒之间并无明显的尺寸差别，M/A组元也较细小，呈弥散分布。当焊接热输入为30 kJ/cm 时，如图2（b）和图3（b）所示，贝氏体铁素体减少，粒状贝氏体增加，晶粒尺寸较焊接热输入E=10 kJ/cm 时有所长大，M/A 形态主要呈短杆状。当在较高的焊接热输入下，E=50 kJ/cm 时，如图2（c）和图3（c）所示，由于冷却速度降低，晶粒尺寸较之前有明显的长大，显微组织主要以粗大的粒状贝氏体为主，并有少量的多边形铁素体，大小晶粒间隔分布，M/A 形态主要呈现出大条状或块状，尺寸也较大，这样的显微组织形态显然对CGHAZ 的冲击韧性是不利的。
(4) 本文主要研究了正常使用状态下预应力钢丝绳对既有PC桥梁的加固效果。实际应用中，预应力钢丝绳的加固长期效果有待进一步研究。
图2 不同热输入条件下X90管线钢CGHAZ光学显微组织
图3 不同热输入条件下X90管线钢CGHAZ SEM形貌
2.2 冲击试验及断口分析
不同热输入条件下X90 管线钢CGHAZ 冲击试验结果如图4所示，由图4可以看出，随着焊接热输入的增加，冲击功值先增大后减小，先由E=10 kJ/cm 时的 256 J 增大至 E=20 kJ/cm 时的268 J，后在 E=40 kJ/cm 时急剧减小到 46 J，在E=50 kJ/cm 时更是减小到 31 J。由此可见，CGHAZ 冲击功的变化与显微组织中晶粒的组成、形态及尺寸有关系，并随着焊接热输入的增加不断减小。
当焊接热输入较低时，组织晶粒未发生明显长大，显微组织含有紧密排列的板条束，而这些板条束之间有大角度的晶界，这些晶界的存在能够改变裂纹扩展方向，从而抑制裂纹的延伸，同时细小弥散分布的M/A 组元也能有效地阻碍裂纹的萌生和扩展[8-9]。这使得X90 管线钢CGHAZ 在较低焊接热输入下具有良好的冲击韧性。
图4 不同热输入条件下X90管线钢CGHAZ冲击韧性
当焊接热输入不断提高时，显微组织中粒状贝氏体不断粗化，数量不断增多，晶界密度也显著下降，不能有效地阻止裂纹的扩展，极大损害了CGHAZ 的冲击韧性。同时，由图3也可以明显看出，随着焊接热输入的增加，X90 管线钢 CGHAZ 组织中 M/A 组元由细小的网状长大成大条状或块状，尺寸变大，数量也不断增加，而大尺寸的M/A 组元是一种典型的脆性组织，数量越多，发生脆性断裂的可能性就越大。研究[10-12]表明，较大尺寸的 M/A 组元会对材料的韧性造成不利的影响，极易诱发显微裂纹或成为裂纹扩展的通道，致使韧性严重下降。
不同热输入条件下X90 管线钢CGHAZ 冲击断口形貌如图5所示。由图5可见，当焊接热输入分别为 10 kJ/cm、30 kJ/cm 时，断口形貌均由大韧窝和零散分布的小韧窝组成，因此属于韧性断裂，CGHAZ 具有良好的冲击韧性。当焊接热输入提高到50 kJ/cm 时，可以发现断口形貌发生很大变化，呈现出河流花样，出现大的解理面和撕裂棱，并可观察到清晰的解理台阶，这样的断口形貌表明断裂属于脆性断裂，这与CGHAZ 在焊接热输入为50 kJ/cm 时发生粗晶脆化有关。
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图5 不同热输入条件下X90管线钢CGHAZ冲击断口形貌
2.3 硬度试验
不同热输入条件下X90 管线钢CGHAZ 维氏硬度检测结果如图6所示。由图6可见，当E＜30 kJ/cm 时，CGHAZ 还未出现软化现象，但是硬度随着焊接热输入的增加下降明显；当E＞30 kJ/cm 时，CGHAZ 出现了软化现象，硬度随着焊接热输入的增加也出现了下降，但是趋势已经较缓和。分析认为，焊接热输入较低时，显微组织中“硬相”贝氏体铁素体较多且板条束排列较紧密，CGHAZ 的软化现象不容易发生，随着焊接热输入增大，显微组织中逐渐以粒状贝氏体为主，贝氏体铁素体减少，板条间距也变大且板条变粗，硬度逐渐降低。
图6 不同热输入条件下X90管线钢CGHAZ维氏硬度分布
3 结 论
（1）X90 管线钢经焊接热模拟后，CGHAZ显微组织主要有贝氏体铁素体、粒状贝氏体和M/A 组元组成，当焊接热输入 E＞30 kJ/cm 时，显微组织中贝氏体铁素体减少，粒状贝氏体不断增多，晶粒尺寸变大，同时，M/A 组元由细小的网状长大成大条状或块状。
（2）CGHAZ 冲击功随着焊接热输入的增加呈现先升高后下降的变化过程，硬度则随着焊接热输入的增加而不断减小。
（3）对于 X90 管线钢的埋弧焊接，焊接热输入 E＞30 kJ/cm 时，CGHAZ 会出现软化现象；焊接热输入E＜30 kJ/cm 时可获得良好的综合力学性能。
选取1月—12月于我院消化内科实习的医学生42名作为研究对象。根据教学方法不同进行分组，每组各21名医学生。观察组中，男11名，女10名，年龄22～25岁，平均年龄（23.85±1.73）岁；对照组中，男12名，女9名，年龄22～24岁，平均年龄（23.14±1.65）岁。两组医学生的各项一般资料比较，差异不具有统计学意义（P＞0.05），具有可比性。
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Effect of Different Welding Heat Inputs on CGHAZ Microstructure and Properties of X90 Pipeline Steel
LIU Bin1，2，BI Zongyue1，2，NIU Hui1，2，ZHAO Hongbo1，2，XI Minmin1，2，HUANG Xiaohui1，2
（1.Steel Pipe Research Institute，Baoji Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Baoji 721008，Shaanxi，China; 2.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods，Baoji 721008，Shaanxi，China）
Abstract: In order to obtain reasonable heat input of X90 pipeline steel submerged arc welding，thermal cycling processes of X90 pipeline steel under different welding heat input conditions were simulated by Gleeble-3500 thermal simulation test machine，effects of different welding heat inputs on coarse grain heat affected zone (CGHAZ) microstructure and properties of X90 pipeline steel were studied by microstructure analysis，impact test and hardness test.The results showed that the microstructure of X90 pipeline steel CGHAZ after welding thermal simulation were mainly bainite ferrite，granular bainite and M/A constituents with excellent impact toughness.When the welding heat input was above 30 kJ/cm，the bainite and ferrite decreased，the granular bainite increased continuously，grain size increased，the M/A component was also grown from small mesh to large strip or block with toughness obviously reduced，and softening exist in CGHAZ.The study indicated that for submerged arc welding of X90 pipeline steel，excellent comprehensive mechanical properties can be obtained when the welding heat input was less than 30 kJ/cm.
Key words: X90 pipeline steel; coarse grain heat affected zone; welding heat input; microstructure; properties
中图分类号：TG113.263
文献标识码：A
DOI：10.19291/ki.1001-3938..4.005
*基金项目：国家重点研发计划“低温高压服役条件下高强度管线用钢”（项目编号YFB0304900）。
作者简介：刘 斌 （1984—），男，硕士，主要从事高钢级大直径埋弧焊管焊接工艺研究及产品开发工作。
收稿日期：-08-20
编辑：黄蔚莉
