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1、X120管線鋼焊接試驗和研究 【摘要】本文介紹了X120管線鋼的焊接研究現(xiàn)狀，通過幾種不同成分焊絲與焊劑的匹配試驗,確定了X120管線鋼的最佳焊材匹配方案，文章最后闡述了X120管線鋼的發(fā)展前景?！娟P(guān)鍵詞】X120管線鋼；焊接試驗；分析中圖分類號：P755.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：一．引言近幾年，我國天然氣使用量的不斷增加，輸氣管線的發(fā)展速度十分迅速。由于天然氣田大多集中在荒漠、極地凍土帶以及海洋等邊遠(yuǎn)地區(qū)，對管線鋼提出了更高的要求。所以加強X120管線鋼焊接研究十分必要。二．X120管線鋼的焊接研究現(xiàn)狀目前，關(guān)于X120管線鋼焊接方面的報道相對較少。與普通管線鋼相比，X120鋼對焊接
2、材料的要求更高，焊接材料除應(yīng)具有與母材相匹配的強度外還應(yīng)具備足夠的韌性，而焊縫的強度與韌性一般呈反比關(guān)系，強度越高，韌性就越低。另外，X120鋼因具有較高的碳當(dāng)量，如何保證熱影響區(qū)(HAZ)韌性，降低焊接接頭冷裂紋敏感性變得更加困難。之前有學(xué)者研究了焊接工藝參數(shù)對X80管線鋼HAZ韌性的影響。結(jié)果表明，線能量對HAZ韌性的影響最為顯著。8因此，能否提高HAZ的韌性是X120管線鋼性能優(yōu)異的關(guān)鍵。采用焊接熱模擬的方法，研究了線能量對X120管線鋼HAZ韌性的影響，結(jié)果表明隨焊接線能量的增加，HAZ沖擊功先增加后減小，當(dāng)焊接線能量為35kJ/cm時，HAZ具有最高的韌性。同時經(jīng)過選用3種不同成
3、分的焊絲與氟堿性燒結(jié)焊劑配合試焊，發(fā)現(xiàn)合金含量適量時，焊縫沖擊韌性最高，焊縫強度也較高，此時焊縫強韌配合最佳。但是經(jīng)JCO成型工藝對X120鋼板焊接后，試焊結(jié)果均未滿足強度要求，這說明X120管線鋼焊材強度尚有待提高，重點開發(fā)了X120管線鋼專用焊材。與普通管線鋼具有較佳的彎曲變形能力不同，X120鋼管在8倍壁厚的彎軸直徑下彎曲出現(xiàn)裂紋，這主要是因為X120鋼管焊縫粗晶區(qū)(CGHAZ)晶粒明顯長大，晶界疏松，組織中M/A數(shù)量多且呈長條狀分布，導(dǎo)致X120鋼管焊縫CGHAZ的局部脆化。加之X120管線鋼焊縫及母材塑性變形能力下降,在彎曲試驗中焊縫及母材對脆性區(qū)的保護(hù)作用降低,最終導(dǎo)致發(fā)生開裂
4、?？梢姡附泳€能量越低，焊縫處的HAZ韌性就越好。因此，X120鋼的焊接選擇了比以往管線鋼焊接線能量低的焊接條件?，F(xiàn)階段焊接性良好的焊絲和焊劑的開發(fā)刻不容緩。同時，還應(yīng)該開發(fā)優(yōu)化坡口形狀和焊接技術(shù)，以便能使焊縫具有與母材相同強度的高韌性。8三．X120管線鋼焊接工藝試驗研究1.焊接線能量的選擇在焊接過程中,焊接熱影響區(qū)會出現(xiàn)晶粒粗化及組織結(jié)構(gòu)變化,能否提高HAZ的韌性是X120能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵。之前研究表明表明,線能量對HAZ韌性的影響最為顯著,其次是預(yù)熱溫度,板厚的影響最小。本研究采用熱模擬方法,研究了不同線能量下的X120管線鋼HAZ沖擊韌性,焊接熱模擬試驗在Gleeble-3500
5、型熱模擬試驗機上進(jìn)行,試樣尺寸為10mm*10mm*55mm,不同線能量對應(yīng)的HAZ韌性見下表1。可見,熱模擬后HAZ韌性較母材都有一定程度的損失,不同線能量對應(yīng)的HAZ韌性不同,隨焊接線能量的增加,HAZ沖擊功先增加后減小,當(dāng)焊接線能量為35kJ·cm-1時,HAZ具有最高的韌性。因此,X120管線鋼焊接時的線能量設(shè)定為35kJ•cm-1左右。表1：焊接線能量對HAZ韌性的影響2.焊絲匹配試驗焊接金屬的選擇原則首先是滿足強度要求,即要求焊接接頭強度大于等于母材規(guī)定強度的下限;其次,從斷裂控制以及低溫環(huán)境下使用條件考慮,要求焊縫和熱影響區(qū)具有足夠高的韌性。本研究選用3種不同成分
6、設(shè)計的焊絲搭配一種堿性燒結(jié)焊劑進(jìn)行了匹配試驗,83種不同匹配獲得的焊縫典型化學(xué)成分見下表2,可以看出3種方案獲得的焊縫化學(xué)成分差別較大,A方案焊縫金屬合金含量最高,B方案次之,C方案合金含量最少。表2：3種不同匹配方案下焊縫金屬化學(xué)成分3種匹配得到的焊接接頭強度及韌性結(jié)果列于下表3。焊縫拉伸分別在去除余高和保留余高兩種情況下進(jìn)行。在去除余高時,焊縫強度明顯不足,拉伸全部斷于焊縫金屬,合金元素較低的方案C焊縫強度最低。而在保留焊縫余高時,焊接接頭保持了較高的強度,A和B兩種方案的焊縫強度均能滿足要求。由不同方案比較可見,焊材匹配方案A焊縫強度較高,但焊縫沖擊韌性偏低;焊材匹配方案C的焊縫沖擊
7、韌性有所改善,但焊縫強度偏低;焊材匹配方案B焊縫沖擊韌性最高,焊縫強度也較高,此時焊縫強韌配合最佳,確定為最終的焊材匹配方案。表：3種匹配的焊接接頭強度及韌性四．試驗分析8從X120管線鋼的焊接工藝試驗及生產(chǎn)實踐可以看出,低碳設(shè)計的X120管線鋼具備了較好的可焊性,鋼管焊縫及HAZ韌性均較為理想。X120管線鋼焊接中存在的主要問題來源于焊接材料,在去除焊縫余高的前提下,匹配試驗中選用的3種焊絲得到的焊縫強度均低于母材要求
