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Ti、C和N对高强度管线钢管的焊缝热影响区韧性的影响
编译:李翠燕,闵祥玲(渤海装备钢管制造分公司)
摘要
当管道建设项目希望通过更加有效的焊接方法来降低施工成本时,很重要的一点就是要了
解焊接过程中影响钢对焊接工艺承受能力的因素。尤其对焊接高强度钢(X70及更高)的情况
更是这样,因为其增加的合金含量会促进热影响区中有限韧性低温相的形成。在本次研究中,
通过对气保护白动焊缝的分析,研究了T(0.008~0.015wt%),N(60-100pm)和C(0.035与0.060
wt%)含量的影响。
引言
在管线行业,缩短施工时间和降低相关成本的呼声越来越高。降低成本的方法之一是缩短焊
接时间,或通过采用较高的焊接速度和/或较少的焊道。但是,前一种方法可能增加焊接缺陷率,
后一种方法则可能导致热输入的增加。糟糕的是,通常观察发现高热输入的焊接会造成热影响区
性能变坏。因此,我们希望优化钢对大范围变化的焊接条件的承受能力。性能恶化的主要原因是
大的原始奥氏体晶粒尺寸,以及某些化学反应生成的粗大的离散颗粒,例如Ti和Nb的碳氮化物的
存在。
作为提高X70管线钢管对不同条件的容限性能的第一步,我们生产了一系列不同化学成分的
钢管,并试图确定它们对各种合金化学成分的控制焊接热循环的容限性能。选取了7个炉批的API
5LX70Ti-Nb微合金钢,具有不同的Ti-Nb含量,确定了一个TiNb比的范围。我们还注意使各试
样中的碳含量也有差异。
这些材料全部采用典型的现场环焊工艺进行白动焊接,然后检验试样焊缝和热影响的微观结
构,并通过力学试验测试这些区域的韧性。另外,还用 Geeble热机械模拟机对热影响区进行了
模拟。日的是给与所有的试样同一的加热过程,而且也可以创造一个较大的检验和观察区域,而
通常对真实的焊缝,这些区域都很小。
专用名词
GMAW一气体保护电弧焊
EAF一电弧炉
HAZ-热影响区
CVN-夏比V-型缺口
DWTT一落锤撕裂试验
OE Spectrometry-光发射光谱测定法
UTS-极限抗拉强度
Skelp-用于形成钢管的扁钢卷
LPA-管轴纵向
TPA-管轴横向
LRD-与轧制方向平行
TRD-与轧制方向垂直
ID-内径
OD-外径
FATT-断口外貌转变温度
Pcm-碳当量
WT-壁厚
CGHAZ-粗晶热影响区
FGHAZ-细晶热影响区
母材金属特性
为了这一研究目的,所选钢管为壁厚10.7mm(0.422")、外径1067mm(42")的X70钢管
利用电弧炉通过添加锰、钼和铬合金炼制钛-铌微合金钢。其余元素都是电弧炉工艺的典型残留。
生产的合金要求目标钛含量为0.02或0.015wt%,目标碳含量为0.045wt%,对于这种材料,N含
量的典型平均值为85ppm,但为了获得各和种TiN的比率,我们对大量的熔炼批进行筛选以找到敝
端N含量的熔炼批。尽可能地使所选的熔炼批中其他元素的含量差异最小。
表1-试样的化学成分(w6
ID
C
TiN「Mn+Cr+Mc
Pcm
0.044
0.020
0.0106
1.90
0.165
局T2
0.051
0.020
0.0089
2
1.88
0.171
高T13
0.039
0.021
0.0071
3.0
1.87
0.156
低Ti
0.014
0.0123
1.90
0.171
低Ti2
0.037
0.015
0.0094
1.6
0.156
低Ti3
0.0430.0160.0087
1.8
1.89
0.160
低Ti4
0.0420.0170.0086
2.0
0.159
利用从螺旋管轴线横向和轴线纵向取的试样进行拉伸试验。试样是条形,标距为2”。将横向
试样压平,测试这种产品一般都这样做。从图1和图2中看出,这些试样的拉伸应力值的差异在约
40MPa的范围内。随钛含量的变化,抗拉特性没有明显的变化。
65
40
15
590
.High aim T Yield Stress
Ahigh aim T UTS
565
⊙ Low aim T Yeld stress
△ Low Sm T UIS
515
Ti/N
图1-轴线横向拉伸屈服应力和极限抗拉强度与TiN比的关系
G60
.High Aim Ti Yed Stress A High Amti UTS
合 Low Am Ti Yield stres8△ Low Aim T US
TIN
图2一轴线纵向拉伸屈服应力和极限抗拉强度与TiN比的关系
我们采用专门的方法测量了钢中大的TiN粒子。对试样进行了金相检测,试样是沿与钢板轧
制方向平行的方向,取白板材宽度的中间位置和四分之一位置。每个试样检査50个场,并对可见
的TiN颗粒利用 Clemex图像分析程序进行计数和测量。图3是一典型的TiN颗粒。下面的图显示了
每50个场中粒子出现频率与TiN的相互关系。正如我们所期望的,随着Ti/N比率增加,粒子的数
量增加。下面的图展示了TiN粒子的平均尺寸与TixN乘积之间的关系。随着TxN乘积的增大,粒
子尺寸变大。有趣的是,在板材宽度四分之一处颗粒尺寸普遍较大。用光学显微镜进行此项观测