1 实验材料与方法
直缝埋弧焊管用X80钢热轧板来自舞阳钢铁集团公司，其具体的化学成分见表1。X80钢板长约11米、宽约3.1米、厚度为22毫米。实验中对板材取样进行了力学性能实验，包括拉伸实验、冲击实验、落锤实验；同时对板材采样进行了进行组织的观察与分析。此批X80板材在沧州市钢管厂进行了规格为φ1016×22.0m直缝埋弧焊管的试生产。板材经铣边、预弯、JCOE成形、预焊、内焊与外焊。焊管经超声波与X射线检验后，进行扩径、平头与水压试验，钢管达到了水压实验标准的要求。现场对直缝焊管的焊接接头与相对应的管体处取样进行了力学与显微组织分析的实验。对热轧板及焊管样品均采用火焰切割的方法下料，并进行机械加工，制备相应的拉伸、冲击、落锤试样与金相组织观察用试样。
表1 X80级管线钢的化学成分
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Mo |
Ni |
Nb |
V |
Ti |
Cu |
Al |
0.07 |
0.30 |
1.77 |
0.02 |
0.005 |
0.25 |
0.21 |
0.22 |
0.05 |
0.06 |
0.021 |
0.22 |
0.06 |
2 实验结果与讨论
2.1 直缝埋弧焊管用X80钢热轧板
图1是X80级管线钢不同放大倍数下的的显微组织金相照片，由照片可以看出X80热轧板显微组织呈典型的针状铁素体组织形貌。
图1 X80热轧板管线钢金相组织形貌
对热轧板材取样，进行拉伸试验（常温）、冲击试验、落锤试验，结果分别如表2、表3、表4所示。
表2 X80热轧板拉伸实验结果
试样 |
Rm/MPa |
Rt0.5/MPa |
A% |
Rt0.5/Rm |
纵向 |
764 |
556 |
43.0 |
0.73 |
横向 |
776 |
591 |
42.0 |
0.76 |
表3 X80热轧板系列温度冲击试验结果
试验温度（oC） |
纵向 |
横向 |
冲击功/J |
SA/% |
冲击功/J |
SA/% |
20 |
306 |
100 |
323 |
100 |
0 |
329 |
100 |
359 |
100 |
-10 |
337 |
100 |
361 |
100 |
-20 |
331 |
100 |
338 |
100 |
-40 |
320 |
100 |
291 |
94 |
-60 |
277 |
100 |
301 |
93 |
表4 X80热轧板系列温度落锤试验结果
试验温度（oC） |
纵向剪切面积SA/% |
横向剪切面积SA/% |
20 |
100 |
97 |
0 |
98 |
88 |
-10 |
99 |
86 |
-15 |
100 |
85 |
-40 |
75 |
62 |
-60 |
29 |
36 |
由表2可见，试验钢板纵向和横向的抗拉强度都在750MPa以上，屈强比在0.75左右，小于我国西气东输管线规定屈强比最大值0.9。由表3可见，试验钢板的冲击韧性随温度的降低而减小，-20oC夏比冲击值大于220J，最大冲击值可达337J。如表3所示，试验钢板-15oC落锤撕裂的SA为100%，大于85%的高的抗动态撕裂性能。且纵向FATT85DWTT为-27oC，横向FATT85DWTT为-15oC。力学性能实验数据可以看出试验钢板满足API SPEC 5L规范对X80钢级管线钢的要求。
2.2 X80级直缝埋弧焊管
2.2.1 焊接参数
X80钢级直缝埋弧焊管试生产预焊为混合气体保护焊。在焊接过程中内、外焊均采用四丝埋弧焊，所选用的焊丝为H08C，焊剂为SJ101G。内焊焊接电流为600A～850A，焊接速度为1.5m/min，焊接线能量约为46.16kJ/cm；外焊焊接电流为550A～950A，焊接速度为1.5m/min，焊接线能量约为43.96kJ/cm。
2.2.2 力学性能实验
对直缝焊管取与焊缝相距180o处的管体纵向、与焊缝相距90o处的管体横向以及焊接接头处的矩形试样进行拉伸实验，结果如表5所示。由表中数据可以看出，管体以及焊接接头的拉伸性能试验结果符合《西气东输二线天然气管道工程用直缝埋弧焊管技术条件》要求。
表5 X80级直缝埋弧焊管拉伸试验结果
试样 |
Rm/MPa |
Rt0.5/MPa |
A% |
Rt0.5/Rm |
管体纵向 |
739 |
640 |
40.0 |
0.87 |
管体横向 |
764 |
622 |
39.5 |
0.81 |
焊接接头 |
729 |
断 于 母 材 |
对X80钢级直缝埋弧焊管的管体、焊缝及热影响区进行了-10oC的冲击试验和对距焊缝90o管体纵向和横向进行系列温度冲击试验，结果如表6和表7所示。
表6 X80级直缝埋弧焊管冲击试验结果(-10oC)
试样 |
冲击功AkV/J |
断口剪切面积SA/% |
90o管体横向 |
328 |
99 |
焊缝 |
112 |
87 |
热影响区 |
220 |
88 |
表7 X80级直缝埋弧焊管系列温度冲击试验结果
试验温度（oC） |
纵向 |
横向 |
冲击功/J |
SA/% |
冲击功/J |
SA/% |
20 |
323 |
100 |
349 |
100 |
0 |
366 |
100 |
380 |
100 |
-10 |
352 |
100 |
371 |
100 |
-20 |
368 |
100 |
395 |
100 |
-40 |
333 |
100 |
322 |
98 |
-60 |
327 |
100 |
329 |
93 |
由表6中的各试样的冲击试验数据可以看出焊缝和热影响区的冲击韧性较差。焊缝与热影响区韧性下降的原因是主要是由于晶粒的长大，在焊接热循环中奥氏体晶粒急剧长大，冷却后得到粗大的过热组织[1-3]。
从表7可以看出：在-60o时，管体纵向的冲击功为327J，剪切面积为100%；管体横向的冲击功为329J，剪切面积为93%。说明X80钢级直缝埋弧焊管具有相当高的断裂韧性，即使在较低温度下，也能防止裂纹扩展。
表8 X80级直缝埋弧焊管落锤试验结果
试验温度（oC） |
距焊缝90o管体纵向SA/% |
距焊缝90o管体横向SA/% |
20 |
99 |
100 |
0 |
100 |
95 |
-10 |
100 |
87 |
-15 |
90 |
78 |
-40 |
26 |
63 |
-60 |
20 |
45 |
落锤撕裂试验结果如表8所示，由表中可以看出随温度减低，断口的剪切面积在减小；在-15oC时，断口的剪切面积为90%。同时可以看出，距离焊缝90o管体纵向在-15oC下试验时，出现的异常断口几率大大增加。并不是所有的无效断口都是因真正由于脆性而引起的[4]，有些可能是由于裂纹扩展前落锤的冲击导致试样弯曲产生的压缩残留变形所致的，并非钢材的低劣韧性引起的。
2.2.3 焊接接头的组织结构分析
在高钢级管线钢埋弧焊接过程中，由于材料经历焊接热循环的影响，焊缝组织与母材组织有差别，晶粒更加粗大，随着钢级的升高，焊接接头的性能与母材的也更难匹配。
图2 X80级直缝埋弧焊管焊接接头
(a)焊接接头宏观照片(b)焊缝组织(c)内焊焊缝与母材交界处(d)外焊焊缝与母材交界处(e)热影响区组织(f)细晶区组织
图2(a)为X80焊接接头的宏观组织形貌，从图中可以清楚的看到焊接接头包括了呈现柱状晶的焊缝组织、焊接热影响区组织以及管体母材组织。母材组织为针状铁素体（图1），而焊缝的抗拉与母材相当接近，这是由于其晶内成核的针状铁素体组织（图2（b）），从而焊缝的抗拉强度也比较高。
进一步观察焊缝接头与母材热影响区的交界处可以看出在内焊的焊缝组织（图2(c)）中先共析铁素体较少，而在外焊焊缝与母材热影响区的交界处可以看出焊缝组织（图2（d））中先共析铁素体的数量很多，并且是比较拉长的大块先共析铁素体，这种不同是由于与内焊相比，外焊承受更高的焊接线能量造成的。
由图2（e)可以看出热影响区组织非常粗大，焊接接头的局部脆化、软化等现象都是由粗晶区引起的，粗晶区是整个焊接接头的薄弱环节。再进一步可以观察到细晶区，如图2（f)所示，晶粒就相对细小得多。
3 结论
实验研究表明，新开发的X80级钢钢板以及直缝埋弧焊管具有良好的力学性能，符合相关管线钢的性能要求。直缝埋弧焊管管体的性能明显优于焊缝和热影响区的性能，通过对焊接接头处显微组织的分析表明，焊缝处有比较多的先共析铁素体，呈拉长的条形分布；粗晶区处的晶粒较为粗大，可以通过焊接工艺的进一步优化，提高焊接接头的综合力学性能。
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