1、压 力 容 器2024 年 1 月12 第 41 卷第 1 期 收稿日期：2023-09-19 修稿日期：2023-11-24基金项目：国家石油天然气管网集团有限公司科学研究与技术开发项目（GWHT20210040408）；中国特种设备检测研究院项目（2020-内02）doi：10 3969/j issn 1001-4837 2024 01 002试 验 研 究不同药芯焊丝工艺条件下 X80管线钢 焊缝组织与性能对比王汉奎1，李 阳2，姚呈祥2，李海舰2，何仁洋1（1.中国特种设备检测研究院，北京 100029；2.中石油 长北天然气处理厂，陕西榆林 719000）摘 要：为保障管线安全、平稳
2、运行，提高管线环焊缝的可靠性，对已经投用的2条 X80管线环焊缝进行对比分析。2条X80管线的环焊缝的焊接方法为药芯焊丝自保护焊（FCAW-S）和药芯焊丝气保护焊（FCAW-G），对比分析了焊缝的化学成分、金相组织、硬度、拉伸强度和冲击韧性等方面。分析发现，2种焊接方法获得焊缝均比母材 Ni 含量高，Cr、Mo 含量低；FCAW-S 焊缝的 Al、N 含量远高于 FCAW-G 焊缝及母材。FCAW-S 焊缝晶粒内，亚结构尺寸大、取向的多样性低。与FCAW-G 焊缝相比，FCAW-S 焊缝的硬度高，屈服强度低、抗拉强度较为接近。由系列冲击试验可见，FCAW-S 焊缝的韧脆转变温度为12.2，比
3、FCAW-G 焊缝高55.6。据此推断相同条件下，采用 FCAW-S 焊接的环焊缝发生脆性断裂的概率大。关键词：X80管线；环焊缝；脆性断裂；焊缝性能中图分类号：TH49；TG406 文献标志码：A Comparison of microstructure and properties of X80 girth weld joints welded by different flux-cored wire process conditionsWANGHankui1，LIYang2，YAOChengxiang2，LIHaijian2，HERenyang1（1.ChinaSpecialEquipm
4、entInspectionandResearchInstitute，Beijing 100029，China；2.PetroChinaChangbeiNaturalGasCentralProcessingFacility，Yulin 719000，China）Abstract：Inordertoimprovethereliabilityofthegirthweldofthepipelineandensurethesafeandsmoothoperation，acomprehensivecomparativeanalysisofthetwoX80pipelinegirthweldsthathav
5、ebeenputintousewasconducted TheweldingmethodsofthegirthweldofthetwoX80pipelinesareflux-coredwireself-shieldedwelding（FCAW-S）andflux-coredwiregasshieldedwelding（FCAW-G），andthecomparativeanalysisincludeschemicalcomposition，metallographicstructure，hardness，tensilestrengthandCharpyimpacttest Theanalysis
6、showsthattheweldmetalhadhigherNiandlowerCrandMothanthebasemetal TheAlandNcontentsofFCAW-SweldaremuchhigherthanthoseofFCAW-Gweldandbasemetal InthegrainsofFCAW-Sweld，thesubstructuresizeislargeandthediversityoforientationislow ComparedwithFCAW-Gweld，thehardnessofFCAW-Sweldishigher，theyieldstrengthislow
7、er，andtensilestrengthisrelativelyclose Itcanbeseenfromaseriesofimpacttests，theductile-brittletransitiontemperature（DBTT）ofFCAW-Sweldis12 2，whichis55 6higherthanthatofFCAW-G Fromthetestresults，itisconcludedthatthegirthweldweldedbyFCAW-ShasahighpossibilityofbrittlefractureKey words：X80pipeline；girthwe
8、ld；brittlefracture；weldedjointproperty0 引言管道运输是天然气远距离、大量输送的重要方式，管道的安全性对于保障天然气的稳定供应有重要意义1-3。天然气长输管线口径大、距离长、建造成本高。为降低长输管线的建造成本，普13王汉奎，等：不同药芯焊丝工艺条件下 X80管线钢焊缝组织与性能对比遍选用高强度等级钢材。随着钢铁生产技术的进步，高强度等级钢材的生产、制造逐渐成熟，X80等级钢材已大规模投入使用，更高等级的 X100和X120钢材已进入工程试验阶段4-5。长输管线环焊缝性能提升受施工现场条件制约，焊缝是高钢级管线安全运行的薄弱环节6。近年来，国内外发生的多起
9、高钢级管线事故与环焊缝质量直接相关。在经历了多起环焊缝事故后，美国长输管线监管机构 PHMSA 发布公告，提醒相关方重视高钢级管线环焊缝的焊接质量，特别是管线可能经受较大轴向应力的区域，如山地、穿跨越和地质不稳定区等7；加拿大能源监管机构CER 发布公告，提醒关注高钢级管线环焊缝的强度，避免环焊缝低匹配导致的强度失效8。国内高钢级管线环焊缝也发生数起事故，如2018年发生在贵州的中缅线610事故9。管线环焊缝的焊接方法需要综合考虑管材可焊性、焊缝力学性能、焊材经济性及施工效率等因素。国内高钢级管线常用的焊接方法为手工电弧焊（SMAW）打底，药芯焊丝自保护焊（FCAW-S）完成填充和盖面10-1
10、1。FCAW-S 的焊丝中心填充有焊剂，焊剂为焊接时的高温熔池提供保护，因此，FCAW-S 焊接时无需外接气瓶，广泛应用于大型结构的建造。在高钢级管线的应用中，发现FCAW-S 成形的焊缝冲击韧性离散，容易发生脆性断裂。为提高焊缝的安全性，新建高钢级管线的焊接方法升级为钨极氩弧焊（TIG）打底，药芯焊丝气体保护焊（FCAW-G）完成填充和盖面12。采用 FCAW-G 焊接时，需要配备气瓶，以提供保护气，高温熔池由气体和焊丝中心的焊剂共同提供保护。尽管 FCAW-S 无需外接气瓶、施工便捷，但 FCAW-G 焊接获得的环焊缝性能稳定，已逐步取代 FCAW-S 成为新建 X80管线优先选择的焊接方
11、法。本文对已经投用的2条采用不同焊接方法建造的 X80管线环焊缝取样对比分析，包括化学成分、材料组织、硬度、强度和韧脆转变温度等理化性能指标，分析结果可用于说明高钢级管线环焊缝脆断原因，并为高钢级管线焊接方法选取、焊缝的安全评估提供基础数据。1 试验材料与方法文中研究的环焊缝截取自2条在役的 X80天然气管线，为焊缝 A 和焊缝 B。2条焊缝均在建造现场依据相应的焊接工艺完成焊接，经过无损检测合格、无焊补。焊缝 A 采用手工电弧焊（SMAW）打底，药芯焊丝自保护焊（FCAW-S）填充和盖面；焊缝 B 采用钨极氩弧焊（TIG）打底，药芯焊丝气保护焊（FCAW-G）填充和盖面。焊缝 A 母管直径1
12、219mm、壁厚18.4mm，焊缝 B 母管直径1219mm、壁厚22mm。利用标准检测方法，对2条焊缝的化学成分、金相组织、材料硬度、拉伸强度以及冲击韧性进行测试。2条焊缝的填充和盖面焊占焊缝总体积的90%以上，也是2条焊缝差异最为明显的部分，因此检测试样尽可能取焊缝的填充、盖面焊部分，全焊缝拉伸试样、冲击试样的取样位置见图1。图1 冲击试样、全焊缝拉伸试样取样位置示意Fig.1 Schematicdiagramofsamplingpositionofimpactspecimenandfullweldtensilespecimen2 试验结果2.1 化学成分对 A，B 两条环焊缝及母材的化学
13、成分进行分析。分析元素范围覆盖 API5L 对 X80钢母材成分要求，还增加了 Al，O，N 等元素。分析方法采用光谱法和熔融法，按照 GB/T201242006钢铁氮含量的测定惰性气体熔融热导法（常规方法）和 GB/T112612006钢铁氧含量的测定脉冲加热惰气熔融-红外线吸收法进行。其中主要合金元素采用火花放电原子发射光谱法分析，N 元素采用惰性气体熔融热导法分析，O 元素采用脉冲加热惰气熔融-红外线吸收法分析。为保证测得结果为填充盖面焊部分，焊缝元素的测点分布在钢管外壁焊缝中心，O，N 元素试样为焊缝内靠近外壁取直径6mm 的圆柱形试样13。2条环焊缝及母材的化学成分测定结果见表1。1
14、4PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41，No.1，2024表1 化学成分 Tab.1 Chemicalcomposition%元素试样来源API5L2018要求值FCAW-S焊缝FCAW-S母材FCAW-G焊缝FCAW-G母材C0.0460.0570.0770.0520.12Si0.0920.2130.3860.1910.45Mn1.511.811.471.731.85P0.0100.0100.0060.0070.025S0.0060.0020.0010.0010.015V0.0070.0300.0140.001Nb0.0140.0740.0190.051Ti0.0
15、050.0170.0150.017Cr0.060.260.030.220.50Mo0.050.260.040.120.50Cu0.0010.0010.0150.0170.50Ni1.930.061.030.141.00Al0.9330.0300.0040.022B0.0010.0010.0010.0010.004O0.00880.00260.00930.0028N0.03500.00280.00680.00242.2 材料组织对 A，B 两条焊缝及母材的材料组织进行分析。在相同位置取焊缝金相试样，试样经过分割、磨削、抛光后，采用4%的硝酸酒精溶液进行侵蚀，利用金相显微镜对侵蚀后的试样进行观察、
16、拍照。每条焊缝选取4个位置（依次为母材、靠近外壁的盖面焊、焊缝中心的填充焊和靠近内壁的打底焊）进行比较分析。FCAW-S 母材及焊缝组织见图2，FCAW-G 母材及焊缝组织见图3。2.3 焊缝硬度对 A，B 两条焊缝的维氏硬度（HV10）进行测试。硬度测点沿焊缝中心由外壁向内壁径向分布，测点间距1.5mm。为便于比较，利用管道原始壁厚对测点位置归一化处理，处理后的硬度测点分布在01之间（其中0代表外壁、1代表内壁），2条焊缝硬度沿壁厚测量结果见图4。（a）母材 （b）盖面焊（c）填充焊 （d）打底焊图2 焊缝 A 母材及焊缝组织Fig.2 Microstructureofbasemetalan
17、dweldjointofweldseamA（a）母材 （b）盖面焊15王汉奎，等：不同药芯焊丝工艺条件下 X80管线钢焊缝组织与性能对比（c）填充焊 （d）打底焊图3 焊缝 B 母材及焊缝组织Fig.3 MicrostructureofbasemetalandweldjointofweldseamB图4 焊缝中心硬度分布Fig.4 Hardnessdistributioninthecenterofweldjoint2.4 焊缝强度对 A，B 两条焊缝的拉伸强度进行测试。拉伸试验依照 GB/T228.12021金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法进行，拉伸试样为5mm 直径的标准圆棒形试样
18、，取样位置见图1，试样取自焊缝熔敷金属的填充、盖面焊部分。拉伸试验采用同一台设备、相同的试验参数，拉伸应变速率为0.00025s-1。2条焊缝的拉伸试验结果见表2、拉伸试验曲线见图5。表2 全焊缝拉伸试验结果Tab.2 Tensiletestresultsoffullweld焊缝来源屈服强度RT0.5/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A（%）屈强比（RT0.5/Rm）FCAW-S焊缝584684180.85FCAW-G焊缝627682250.922.5 冲击韧性对 A，B 两条焊缝的冲击韧性进行测试。夏比冲击试验依照 GB/T2292020 金属材料 夏比摆锤冲击试验方法进行，靠近管道外壁
19、取10mm10mm55mm 的标准冲击试样，试样长边为管道轴线方向，焊缝位于冲击试样正中位置，试样缺口垂直于管道内、外壁面。在不同温度下进行系列冲击试验，每个温度点测3个试样，共测8个温度点。采用 Logistic 函数对不同温度下测得的冲击吸收能量以及剪切断面率进行拟合，通过拟合曲线求得材料的韧脆转变温度。冲击吸收能量的拟合曲线见图6（a），取拟合曲线上平台的1/2所对应的温度为冲击吸收能量确定的韧脆转变温度；试样的剪切断面率拟合曲线见图6（b），取50%断面率所对应的温度为剪切断面率确定的韧脆转变温度。图5 工程应力-应变曲线Fig.5 Engineeringstress-straincu
20、rve（a）冲击吸收能量16PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41，No.1，2024（b）剪切断面率图6 焊缝系列冲击试验Fig.6 SerialCharpy-Vimpacttestresultsofweldjoints3 分析与讨论焊缝 A 与焊缝 B 的最大差异为焊接时是否需要外部提供保护气。焊接焊缝 A 时无外部保护气，其焊材成分设计需要考虑空气对焊缝的影响；焊接焊缝 B 时有外部保护气，其焊材成分设计无需考虑空气的影响。焊接条件不同，决定了焊材成分不同，并最终体现在焊缝的化学成分、材料组织以及力学性能等方面。由化学成分分析可见，焊缝 A 与焊缝 B 的化学成
21、分有明显区别的元素有 Al，N，Si，Ni。FCAW-S 焊缝的 Al、N 含量高于 FCAW-G 焊缝和母材，FCAW-S 焊缝的 Al 含量约为0.93%，远高于母材（0.03%）、高于 FCAW-G 焊缝（0.004%），FCAW-S 焊缝的 Si 含量为0.1%左右，低于母材（0.2%），低于 FCAW-G 焊缝（0.4%）。由此推测FCAW-S 焊剂中添加 Al，Al 元素为活泼元素，可与氧反应形成氧化铝，实现对焊接熔池的脱氧，同时 Al 元素还会与空气中 N 元素结合形成氮化铝，实现固氮的作用；FCAW-G 焊接有保护气隔绝空气中的 N2，因此选用 Si 元素对熔池脱氧。FCAW-
22、S 焊缝的 N 元素含量约为 FCAW-G 焊缝的5倍，FCAW-S 焊缝 N 元素含量为0.035%，母材及 FCAW-G 焊缝 N 元素含量在0.01%以下。Al、N 元素会在焊缝内形成带有棱角的氮化铝微粒，降低材料韧性，N 也是造成材料发生应变时效脆化元素。为提高焊缝韧性，在焊剂中添加 Ni 元素，FCAW-S 焊缝中 Ni 含量为1.93%，FCAW-G焊缝中 Ni 含量为1.03%，FCAW-S 焊材中添加更多的 Ni，在一定程度上消除 Al、N 对焊缝韧性不利的影响。焊缝 A 与焊缝 B 的化学成分与母材相比，有相似特征。两种焊接方法获得的焊缝含 C 量相当，均低于0.1%，低 C
23、 含量可以降低焊接冷裂纹敏感性。焊缝内 Cr、Mo 含量显著低于母材，焊缝内 Cr，Mo 元素含量均在0.1%以下，母材 Cr 含量约为0.25，Mo 含量在0.10.3之间。母材的 Cr、Mo元素为 X80材料的控制元素，为冶炼时加入，以提高母材料强度。焊缝内 Nb 元素也低于母材，母材 Nb 含量约为0.05%，焊缝 Nb 含量在0.02%以下，Nb 元素为管线钢微合金化的主要元素，影响材料强度。焊缝内 Mn 元素的含量约为1.5%左右，低于母材约1.75%的 Mn 含量，焊缝内高 Ni、低 Cr，Mo，Mn，Nb 主要取决于焊材成分。焊缝材料组织由化学成分决定。焊缝 A 和焊缝B盖面焊、
24、填充焊部分有明显差异，焊缝A的熔敷金属组织为铸态组织，组织转变较好地保留了原奥氏体晶界，原奥氏体晶界清晰可辨。原奥氏体晶粒内分布板条样贝氏体，贝氏体板条的长度与原奥氏体晶粒大小、取向有关，贝氏体板条长度大、板条取向的多样性少。焊缝 B 盖面焊、填充焊部分材料组织为针状铁素体和粒状贝氏体，在同样放大倍率下，难以分辨出原奥氏体晶界，焊缝 B材料亚结构特征尺寸小、取向错综复杂。焊缝 B组织亚结构的特征长度比焊缝 A 小，取样多样性比焊缝 A 高，这可能与焊缝 A 中大量的 Al 元素有关。2条焊缝打底焊部分均为铁素体加珠光体组织，打底焊材料组织未见明显差异；2条焊缝母材部分组织相近，均为块状铁素体加
25、针状铁素体加粒状贝氏体组织。2条焊缝的硬度、强度测试结果相比，焊缝 A 硬度略高、屈服强度低、断后伸长率小，抗拉强度相近。由硬度测试结果可见，焊缝 A的最大硬度为262，最小硬度为222，平均硬度为241；焊 缝 B 的 最 大 硬 度 为242，最 小 硬 度为215，平均硬度为227，焊缝 B 的平均硬度比焊 缝 A 低14。焊 缝 A 硬 度 波 动 范 围 大 于 焊缝 B，焊缝 A 硬度表现出更大的离散性。由全焊缝拉伸试验结果可见，焊缝 A 的屈强比为0.85，焊缝 B 的屈强比为0.92，焊缝 A 的屈服强度比焊缝 B 低43MPa、抗拉强度比焊缝 B高2MPa，断后伸长率比焊缝
26、B 低7%。由拉伸曲线可见，焊缝 A 为连续屈服，无屈服平台；焊缝 B有屈服平台，拉伸曲线可见上屈服点。2条焊缝的系列冲击试验结果有明显区别。17王汉奎，等：不同药芯焊丝工艺条件下 X80管线钢焊缝组织与性能对比通过系列冲击试验结果的拟合曲线可得，以冲击吸收能量计算，焊缝A的韧脆转变温度为-5.3，焊缝 B 的韧脆转变温度为-32.3，焊缝 A 的韧脆转变温度比焊缝 B 高27；以剪切断面率计算，焊缝 A 试样50%的剪切断面率所对应的温度为12.2，焊缝 B 试样50%的剪切断面率所对应的温度为-43.4，焊缝 A 的韧脆转变温度比焊缝 B 高55.6。低温下，焊缝 A 比焊缝 B 更脆、更
27、加容易发生脆性断裂。以30的试验结果为例，焊缝 A 的冲击吸收能量平均值为130J、最高值165J，平均剪切断面率为60%；焊缝 B 的冲击吸收能量平均值为134J、最高值142J，平均剪切断面率为99%。室温下，焊缝 A 的平均冲击吸收能量与焊缝 B 相当，但平均剪切断面率仅为60%。焊缝 A 处于韧脆转变区、焊缝 B 处于韧性区，相同条件下，焊缝 A 发生脆性断裂的可能性大。焊缝 A 冲击试验结果离散可能与组织内亚结构有关，焊缝 A 组织亚结构特征尺寸大、取向多样性少，材料亚结构性能各向异性造成冲击试验结果离散性大。由2条焊缝测得的结果推断，与 FCAW-G 相比，采用 FCAW-S 方式
28、焊接的高钢级管线发生强度破坏的可能性相近，发生脆性断裂的可能性高。FCAW-S 焊缝与 FCAW-G 焊缝的室温抗拉强度相近，在相同条件下，焊缝发生强度破坏的可能性相近。当焊缝处于天然气管线的服役温度下时，FCAW-S 焊缝材料处于韧脆转变区内，30的剪切断面率为60%；FCAW-G 焊缝材料处于韧性区内，30的剪切断面率为99%，FCAW-S 焊缝发生脆性断裂的可能性大。4 结论（1）2种焊接方法获得的焊缝比 X80母材的Ni 含量高，Cr、Mo 含量低，FCAW-S 焊缝的 Al，N含量远高于 FCAW-G 焊缝及母材。焊缝化学成分的差异使得焊缝的微观组织迥异，FCAW-S 焊缝原奥氏体晶
29、界明显，原奥氏体晶粒内组织亚结构尺寸大、取向多样性低。（2）全焊缝拉伸试验获得拉伸曲线不同，两者拉伸强度相近，FCAW-S 焊缝的屈服强度低、无屈服平台，屈强比为0.85；而 FCAW-G 有屈服平台，屈强比为0.92。不同温度下的系列冲击试验结果表明，FCAW-S焊缝冲击吸收能量、剪切断面率离散程度大；以50%的剪切断面率计算，FCAW-S焊缝的韧脆转变温度比 FCAW-G 焊缝的转变温度高约55.6；在室温条件下，FCAW-S焊缝冲击吸收能量的平均值大于 FCAW-G 焊缝，但 FCAW-S 焊缝处于韧脆转变区间内，冲击试样的断口依然可见较大面积的脆断区。（3）管线轴向受载时，FCAW-S
30、 焊缝发生脆性断裂的风险要高于 FCAW-G 焊缝，FCAW-S 焊缝对管线的缺陷尺寸、错边量以及轴向载荷的限制更加严格。建议在管线运营及安全评估时，对FCAW-S 焊缝采取比 FCAW-G 焊缝更加严格的管控策略，尽可能降低管线的轴向载荷，避免焊缝发生脆性断裂。参考文献：1 宋北，郭枭，储继君，等 焊接接头弯曲试验标准现状及影响因素 J 压力容器，2022，39（9）：64-71SONGB，GUOX，CHUJJ，etal CurrentsituationofbendingteststandardsforweldedjointsandstudyofinfluencefactorsJ Press
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