X120管线钢环缝焊接技术发展

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1、X120管线钢环缝焊接技术发展摘要本文主要讲述X120管线钢环缝焊接技术发展。这种实芯脉冲熔化极气体保护焊选用氩气作为保护气体保护以便于对焊接过程进行控制同时保证低氧和低氢含量。焊缝金属组织根据冶金基本原理，通过对约二十根实验焊丝和几个具有工业规模的加热丝的评估来验证。实验对焊缝金属化学成分和保护气体进行了优化。改进后的组织为针状铁素体穿插在马氏体内(AFIM)。透射电镜是微观组织结构和焊缝金属的分析及设计的首选工具。关键词焊接；管线钢；高强度；韧性；微观结构；马氏体；针状铁素体引言在开发像X120钢等更高

2、强度管线钢的过程中，一个重大的难题是能否研发出与现有管道施工方法相匹配的环缝焊接技术。成功的高强度管线钢环缝焊接的要求有有效的抗氢致开裂能力，良好的焊接生产率，在保证强度与韧性平衡的同时减少焊工的工作量。本文主要涉及到用于高强度、大直径气体管线钢现场施工的环缝焊接技术的发展。各类管线钢共同发展取得了不菲俄成果，尽管关注重点是X120，但研究结果对X80和X100也同样适用。本次焊接研究项目包含许多问题，但由于论文篇幅限制，本文只涵盖主线主题—环缝焊接。具体来讲，本文主要包括焊缝金属的冶金设计，焊接过程和参数

3、的优选以及候选焊丝的评估。焊丝的搭配、补焊、氢致裂纹和断裂控制将是以后论文的主题。可以这样说，焊丝的搭配和补焊程序已经成熟，主线焊接技术需要预热100℃，断裂控制方法已由宽板弯曲实验验证。实验开始之前给出实验所需几条指导原则和目标特性：采用工业生产中能是焊缝性能一致、低扩散氢含量的焊接方法。合理设计焊接工艺，易于使用以免焊接熔池产生缺陷最低设计温度:-20℃全焊缝金属性能：屈服强度>828MPa，抗拉强度>931MPa,最小伸长率>18%夏氏冲击试验：84J@-30°C,韧性-脆性转变温度-50°C裂纹尖端

4、张开位移：0.13mm@-20°C.管道流体：干燥气体，无H2S-20°C 设计温度表示在更低的温度环境中应用的可能。夏氏冲击试验：84J@-30°C的目标是海底管道系统DnVOffshore标准基于强度理论的延伸（见节C301和表6-3）。韧性-脆性转变温度是为了确保在设计温度下的高温域的断裂行为。断裂力学逐渐演变为在设计条件下的运算，平面型断裂评定的BS7910标准和有限元分析，考虑了安装载荷和服役载荷（最小屈服强度的72%）。假定包括100%残余应力和一个2mm深，100mm长的表面开口缺陷。冶金设计

5、和焊接工艺选择传统意义上，管线钢环缝焊接和同等强度的结构焊缝取决于作为基底微观结构的针状铁素体（AF）。对于X120钢的应用，针状铁素体作用不大，反而马氏体、贝氏体，和/或其衍生物决定焊缝金属主要成分。尽管针状铁素体自身作用不明显，但我们仍希望得到少量针状铁素体。具体来说，针状铁素体可以将原奥氏体晶粒打碎成更小的单元，从而有效减小晶粒尺寸。本文将研究不同针状铁素体体积分数和形态的影响。实验采用贝氏体或马氏体以及少量针状铁素体将会导致韧性不足，焊缝金属性能不一致和氢致开裂等问题。实际上，焊缝金属韧性不足和氢致

6、开裂是存在的主要问题。韧性不足主要是由于环焊缝熔池中不可避免的会存在非金属夹杂，高强钢对断裂敏感性高和以板条状组织为中的夹杂容易形成开裂源，同时马氏体又十分敏感。此外，夹杂对材料的韧性断裂产生不利影响;因此，对于板条状结构组织由于其塑性变形能力有限，它们的抗断强度应引起注意。夹杂对焊缝金属组织形成过程的影响是众所周知的，有有利的一面，包括焊缝金属脱氧，通过钉扎作用控制奥氏体晶粒大小和促进针状铁素体形核。X120钢焊缝金属主要通过控制夹杂的体积分数和尺寸来平衡其利弊。其首要目的是限制焊缝金属氧含量在200-3

7、00ppm。焊缝金属性能一致性需要注意，因为对于一个给定的成分，不同的冷却速度会使马氏体或贝氏体显微组织具有不同的强度和韧性。这显然影响到伊萨专利和美国海军船体结构高强钢焊接项目。造船涉及不同厚度的钢，热输入范围相对较大。这对就要求材料微观组织对冷却速度不敏感。与造船业相反，管线钢环缝焊接影响因素较少，传统制造业中，所有环缝焊接都涉及全位置焊接，钢材厚度较薄，这将热输入限制在较低水平，同时限制了冷却速度变化。这种变化在熔化极气体保护焊最明显，变化最小。尽管管线钢对造船具有明显的优势，马氏体或贝氏体设计和焊缝

8、金属性能一致性仍是关键问题。出于其韧性和氢致开裂的考虑，X120钢不可使用焊条电弧焊（包括低氢型垂直向下电极）。出于其焊缝金属氧（夹杂）含量的考虑，药芯和金属芯融化极气体保护焊排除在外，实芯融化极气体保护焊是一种可行的选择，也可选择脉冲熔化极气体保护焊(PGMAW)。脉冲熔化极气体保护焊在当前实际工业生产被广泛应用，预计，它使实现焊缝金属成分均匀，缺陷率和焊缝金属含氧量的可控制性，焊缝金属的低氢性成为了可能。此外