齐丽华，宋朋利，王迎新 ，周洪云 ，任耐斌
(1.中国石油集团工程材料研究院有限公司，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室 陕西 西安 710077；
2.国家管网集团江苏天然气管道有限责任公司 江苏 盐城 224500 )
2019年底，我国油气管道总里程达到了13.9×104km，其中天然气管道约8.1×104km，原油管道约2.9×104km，成品油管道约2.9×104km[1-2]。近20年来，随着天然气消费量的加速递增，我国管道建设的高速发展，油气输送管线用钢的强度等级和管径逐渐增大，管道输送压力逐渐提高，对管道现场焊接技术提出了新的挑战[3-5]。近期，某管道工程项目钢管技术文件审查过程中发现直缝埋弧焊钢管中铌(Nb)、镍(Ni)、钼(Mo)3种微合金元素成分不一致情况。目前国内暂无研究可明确此3种元素对焊接工艺的影响。经咨询调研，钢厂依据国家管网DEC-NGP-S-PL-003-2021-2《输气管道工程钢管通用技术规格书》要求添加Nb、Ni、Mo合金元素，目的均为提高管道环焊接头的整体性能，但上述合金元素对钢管管体、制管焊缝的力学性能和环焊缝性能的作用，受钢管轧制工艺因素、环焊工艺因素等影响，缺乏系统研究的数据支撑[6-10]。鉴于此，为明确Nb、Ni、Mo合金元素对X70直缝埋弧焊钢管管体、制管焊缝和环焊性能的影响，特开展此项研究工作，明确合金元素对管体、制管焊缝和环焊性能影响，合理制定钢管合金元素范围，对保证高钢级管道建设中的钢管管体、制管焊缝和环焊缝的力学性能，进一步保障管道建设的安全运营具有重要的意义。
试验钢管有两个来源，一是由宝钢为某LNG管道工程项目生产的含Nb、Ni、Mo的X70钢管，钢管规格为Φ914 mm×19.1 mm。二是由宝钢为另一天然气管道项目生产的含Nb、不含Ni、Mo的X70钢管，钢管规格为Φ914 mm×18.9 mm。试验钢管的种类、规格和化学成分见表1。
表1 X70钢管和制管焊缝的合金成分(质量分数) %
图1为圆棒试样横向拉伸应力-应变曲线和冲击性能分布图。可见，含Mo、Ni横向圆棒试样的屈强强度和拉伸强度均高于不含Mo、Ni试样，屈服强度高大约30～40 MPa，抗拉强度高大约20～30 MPa，见图1(a)中的实线和虚线。图1(b)为不同合金成分的管体纵向(BM-Z)、管体横向(BM-H)、制管焊缝(CM-WM)和热影响区(CM-FL)的冲击性能柱状图及均值折线连接图。可知，两种成分的夏比冲击功在管体横向冲击性能和埋弧焊缝热影响区都比较接近，其中管体横向和纵向分别是含Mo、Ni和不含Mo、Ni冲击值略高。但是埋弧焊缝含Mo、Ni的冲击功远大于不含Mo、Ni的冲击功，均值高约100 J。
图1 管体横向拉伸拉伸应力-应变曲线和冲击性能
采用现场环焊工艺实心焊丝全自动焊接(GMAW)方法进行钢管环焊适用性研究，进行两种合金成分钢管的对接环焊，观察其对接环焊熔合线附近金相组织，研究合金元素对受环焊工艺的热输入下钢管性能变化影响，如图2所示。GMAW全自动焊接工艺下焊接热输入很低，约为0.5 ～1.0 kJ/mm，因此其焊口整体具有良好的冲击性能。
熔合线附近热影响区母材金属的温度达1 450 ℃以上，在此温度下即使停留较短时间，晶粒也会显著长大。含Mo、Ni元素环焊接头CGHAZ处晶粒尺寸约20～30 μm，而无Mo、Ni元素熔合线附近CGHAZ晶粒尺寸差异很大，最大接近200 μm，最小为10～30 μm，宏观表征为熔合区附近的韧性离散度增加，且无Mo、Ni钢管环焊缝在CGHAZ晶界处的链状M-A组织特征显著。两种合金体系的CGHAZ处晶粒尺寸差异性较大，说明Mo、Ni元素有利于提高热影响区淬透性，细化晶粒。
图3为GMAW环焊工艺下，含有Mo、Ni合金元素和无Mo、Ni合金元素焊口的焊缝、熔合线附近、热影响区及母材硬度云图对比。为保证测试精度，压头直径0.5 mm，测试间距为0.5 mm，两个云图的硬度取值范围保持一致。可知，GMAW工艺下，含Mo、Ni元素FGHAZ约为195HV0.5～205HV0.5，母材的硬度约为195HV0.5～215HV0.5，热影响区不存在明显软化现象。无Mo、Ni元素FGHAZ约为170HV0.5～190HV0.5，母材的硬度约为195HV0.5～230HV0.5，热影响区发生明显软化现象。
图2 GMAW焊接工艺焊口熔合线附近粗晶区和细晶区的显微组织
图3 GMAW焊口硬度云图
图4为含有Mo、Ni合金元素和无Mo、Ni合金元素焊口在-10 ℃下，环焊接头的焊缝、熔合线-2 mm、熔合线-1 mm、熔合线、熔合线+1 mm、熔合线+2 mm位置的冲击性能分布。可见，环焊接头各部位的冲击韧性均值在195～276 J之间，且熔合线的冲击性能与FL+2 mm细晶区附近的冲击韧性相近，结合金相照片分析可知，因其热输入量很小，冷却速度快，晶粒尺寸最大处仅20～30 μm，因此，含Nb、Ni、Mo合金元素的管材在较小热输入量下，仍能获得和管体相近的冲击性能。而FL-2mm、FL-1mm处的冲击性能是受焊缝中心和熔合线两侧的冲击性能影响，靠近熔合线逐渐升高。无Mo、Ni合金元素环焊的各部位冲击韧性与前者相当，但其熔合线附近的冲击功离散程度增加，说明Mo、Ni合金元素有利于提高管体热处理部位的性能。
图4 GMAW焊接工艺下焊口不同位置的夏比冲击功
图5为两种合金成分在-10 ℃下，环焊接头的焊缝、熔合线-1 mm、熔合线、熔合线+1 mm位置的CTOD分布。可见，两种合金成分的焊缝不同位置的裂纹尖端位移尺寸(CTOD)均满足国家管网DEC标准要求0.254 mm，且保持很高的性能，含Nb、Ni、Mo合金元素的环焊接头各部位的CTOD均值在0.949～1.078，高于低Nb无Ni、Mo合金元素的环焊接头0.72～1.07，且熔合线的冲击性能与FL+2mm细晶区附近的冲击韧性相近，进一步说明Mo、Ni合金元素有利于提高管体热处理部位的冲击性能。
图5 GMAW焊接工艺下两种合金元素不同位置的CTOD分布
通过相同制管工艺下不同合金元素体系的X70级钢管管体性能和GMAW环焊工艺下环焊性能的对比研究，得到如下结论：
1)两种合金成分的管体的力学性能均满足要求，且含Mo、Ni元素有利于提高管体的拉伸强度和冲击韧性。
2)GMAW环焊工艺条件下，两种合金成分的环焊焊口均获得很好的拉伸强度、冲击韧性，其环焊力学性能均满足DEC文件的相关标准要求。
3)含有Mo、Ni合金元素环焊的冲击功离散度远小于无Mo、Ni钢管，熔合线附近的CTOD高于后者，其熔合线附近的冲击性能均略高于无Mo、Ni环焊热影响区性能。
4)在相同环焊工艺下，Mo、Ni合金元素的添加，有利于提高环焊熔合线、热影响区的冲击性能，保证环焊接头的安全可靠。
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