外加納米氧化鎂對X80管線鋼焊接熱影響區組織及性能影響

王嶺 陶威武 劉楊

摘 要：融制鋼材時加入外加納米MgO，通過外加納米MgO誘導針狀鐵素體形核、長大從而分割原奧氏體晶粒，達到降低有效晶粒尺寸的目的，由此提升焊接熱影響區韌性與強度，使得整個管線的質量得到提高。

關鍵詞：X80管線;夾雜物;焊接熱影響區

1 概述

國際管道工程發展主要體現在兩個方向，一是通過提升管線口徑并提升輸送過程的壓強來提高傳輸效率。二是研發更高級別的管材并使之得到應用[1]。不論從世界還是我國的角度來說高級別管線鋼的研發和應用都得到了非常大的發展，起初我國對比其他技術完善國家相差程度十分明顯，但通過我國相關人員的刻苦研發以及我國多項重大工程的支持使得我國在管道鋼技術上得到了十分大的突破。我國在管線鋼的研發與應用上都達到了世界其他先進國家的水平，而且在有些方面甚至進行了彎道超車一躍成為世界上技術最先進的國家。在所有高級別管線X80管線鋼目前來講應用范圍最廣，生產和運維也十分成熟。應加大對研發的投入來更好的提升X80鋼級管線[2]。而在管線運用過程中兩管線焊接接頭部位的性能最差。因此，提升兩管線焊接接頭性能為大勢所趨。

2 實驗步驟

第一步先將所用原料也就是Mo、Fe粉與納米MgO微米級按質量比為42：6：1進行均勻混合。將上一步完成的物料用瑪瑙研缽繼續研碎，研碎后再進行混合。將混合好的物料分別按照占熔煉鋼0.01%wt、0.02%wt、0.05%進行分塊稱重。接著對X80管線鋼原料進行熔煉，經上述步驟后將制成三組質量均為5kg且MgO含量分別為0.01%wt、0.02%wt、0.05%wt的鑄態鋼錠。最后進行軋制，軋制參數如表1，最后把上述原料軋成管線鋼板，每塊厚度為11mm，軋制成6塊。

本實驗采用50kJ/cm和80kJ/cm兩種焊接輸入能量來模擬雙絲和多絲焊接，并利用ANSYS模擬軟件計算不同焊接熱輸入量條件下焊接熱循環曲線，并確定相關參數如下：

第一組：焊接線能量E定位50kJ/cm，峰值溫度θm定為1300℃。預熱溫度定位100℃，加熱速度為200℃/s。即加熱時間為6s，然后在1300℃溫度上保溫8s，在冷卻時，t8/5冷卻時間設定為90s，由500℃隨爐逐漸冷卻至室溫。第二組：焊接線能量E定位80kJ/cm，θm峰值溫度定為1320℃。預熱溫度定位100℃，加熱速度為200℃/s。即加熱時間約為6s，然后在1320℃溫度上保溫2s，在冷卻時，t8/5冷卻時間設定為80s，由500℃隨爐逐漸冷卻至室溫。第三組：對0.02MgO%wt在加熱過程中采用第一組和第二組的焊接熱模擬參數，而在冷卻過程中，分別于620℃，600℃，580℃和550℃取樣，直接水淬火至室溫，分析其在相應溫度時組織變化情況。

采用NCINI750型沖擊試驗機，按照GB/T229-2007進行沖擊實驗。該實驗選用打擊能量為500J（10J）的大擺錘，其瞬間沖擊速度為6.0～6.5m/s。沖擊試驗在-20℃下進行，將沖擊試樣放在自制低溫冷卻槽中，用無水乙醇和液態氮氣加以冷卻，保溫15min后，將試樣從低溫槽中取出，在3～5s內予以沖斷。

3 實驗結果

未添加納米MgO的X80管線鋼將其進行焊接熱模擬后，晶粒平均直徑為182.3μm，向其中添加0.01MgO%wt后，晶粒尺寸顯著減小至157.6μm，而當添加0.02%MgOwt時，晶粒進一步得到細化小至121.7μm。

未添加外加納米MgO的原料鋼組織主要包括貝氏體、不規則形狀的多邊形鐵素體和M/A組元組成，其中針狀鐵素體雖然存在但含量不高，且板條平直。貝氏體絕大多數在晶內，M/A組元既有板條狀也有顆粒狀，其中細小平直的板條狀占主體，而多邊形鐵素體則呈現不規則狀。原料鋼晶界十分明顯、基本無彎曲。加入0.01MgO%wt后，原始奧氏體的晶界不再平直，而轉化成彎曲狀，M/A組元變少，且主要在晶界內呈顆粒狀彌散分布。當加入0.02MgO%wt時，原始奧氏體晶界只有局部區域呈彎折狀其余則呈平直狀。貝氏體和多邊形鐵素變小，針狀鐵素體更為細小，M/A組元仍然呈顆粒狀分布于晶界內。當添加量為0.05MgO%wt后，奧氏體晶界十分明顯使得阻礙位錯運動的效果顯著提高。晶內的M/A組元變成板條狀，長度很短，針狀鐵素體則變得更粗，比之前更大（如圖1）。

隨著納米MgO的添加，X80管線鋼焊接熱影響區沖擊吸收功逐步增大，從121J到190J。當添加0.02MgO%wt達到了最大190J，但當添加量到了0.05MgO%wt時沖擊韌性反而降低，可見適量納米MgO的添加能夠有效提高管線鋼焊接熱影響區沖擊韌性，過量或少量效果均不好（如圖2）。

4 結論

（1）添加納米MgO至X80管線鋼后，管線鋼的晶粒度得到較大細化，當添加0.02%MgOwt時，晶粒細化至121.7μm。（2）添加0.02MgO%wt時，沖擊吸收功達到了190J，當添加量到了0.05MgO%wt時沖擊韌性反而降低。

參考文獻：

[1]莊傳晶，馮耀榮，霍春勇，等.國內X80級管線鋼的發展及今后的研究方向[J].焊管，2005（02）：10-14+67.

[2]張斌，錢成文，王玉梅，等.國內外高鋼級管線鋼的發展及應用[J].石油工程建設，2012，38（01）：1-4+64+83.

基金項目：營口理工學院大學生創新創業訓練計劃項目“納米氧化鎂對X80高級別管線鋼焊接熱影響區組織及性能影響”。

通訊作者：劉楊