S690高強(qiáng)度無縫鋼管具有高強(qiáng)度、高承載能力和優(yōu)良的抗沖擊性能，被廣泛用于海上起重設(shè)備(浮吊和起重機(jī))、風(fēng)電安裝船、多功能鋪管船等海洋工程結(jié)構(gòu)和裝備上。海洋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，對其焊接接頭的力學(xué)性能，特別是低溫沖擊韌性的要求很高，因此無縫鋼管焊接接頭的質(zhì)量控制成為保證結(jié)構(gòu)的服役壽命和使用安全性的關(guān)鍵技術(shù)和核心問題。
S690高強(qiáng)度無縫鋼管經(jīng)過高溫穿孔、三錕斜軋、脫管及定徑等工序，再將其冷卻至室溫，由于缺乏更有效的組織和性能調(diào)控手段，熱軋態(tài)鋼管的成品合格率低。對于壁厚較大的無縫鋼管，很難保證其顯微組織的均勻性，且容易產(chǎn)生成分偏析。研究人員開展了偏析對S690高強(qiáng)度無縫鋼管原材料性能及焊接工藝評定影響的分析。
1、偏析對S690高強(qiáng)度無縫鋼管性能的影響
材料為國產(chǎn)S690海洋工程用調(diào)制態(tài)高強(qiáng)度無縫鋼管，規(guī)格為660mm×30mm(外徑×壁厚)，性能測試時的取樣位置如圖1所示。
1.1 化學(xué)成分分析
根據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》，采用直讀光譜儀對無縫鋼管進(jìn)行化學(xué)成分分析，測試位置包括外表面、中心和內(nèi)表面，結(jié)果如表1所示。由表1可知：無縫鋼管的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由外表面向內(nèi)表面呈明顯遞增趨勢，且中心和內(nèi)表面的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過企業(yè)規(guī)范要求；碳當(dāng)量由外表面向內(nèi)表面出現(xiàn)明顯遞增趨勢，且內(nèi)表面的測試結(jié)果超過企業(yè)規(guī)范要求，碳當(dāng)量的變化將顯著影響無縫鋼管的焊接性能。
1.2 拉伸及沖擊性能測試
根據(jù)GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，對無縫鋼管進(jìn)行拉伸性能測試，試驗對象為全厚度的弧形試樣，測試結(jié)果如表2所示，結(jié)果符合企業(yè)規(guī)范要求。根據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，對無縫鋼管進(jìn)行沖擊性能測試，測試結(jié)果如表3所示。無縫鋼管的內(nèi)、外表面沖擊吸收能量相差較大，且內(nèi)表面-60℃的沖擊性能測試結(jié)果不符合企業(yè)要求。
1.3 金相檢驗
無縫鋼管內(nèi)表面、中心和外表面的顯微組織形貌如圖2所示。S690高強(qiáng)度無縫鋼管經(jīng)過調(diào)制處理后，組織為回火索氏體,內(nèi)表面有明顯的帶狀偏析。相對內(nèi)、外表面，無縫鋼管中心部位的組織更加粗大，這是因為在無縫鋼管錕軋過程中，內(nèi)、外表面受力擠壓后發(fā)生明顯變形，晶粒明顯細(xì)化；中心距受力位置較遠(yuǎn)，擠壓對組織晶粒度的影響相對較小。
2、焊接工藝評定
2.1 側(cè)彎試驗
在焊接接頭上截取橫向試樣，進(jìn)行側(cè)彎試驗，彎心位于焊縫中心處，通過彎曲產(chǎn)生塑性變形，使焊接接頭的橫截面發(fā)生拉伸變形。通過側(cè)彎試驗可以暴露焊接缺陷和考核熔合線的焊接質(zhì)量。根據(jù)LR船級社規(guī)范，在焊接無縫鋼管上取4個側(cè)彎試樣進(jìn)行彎曲試驗，試驗后試樣焊接區(qū)域無裂紋及其他缺陷，滿足規(guī)范要求。
2.2 夏比擺錘沖擊試驗
夏比擺錘沖擊試驗取樣位置如圖3所示，通過沖擊試驗檢測焊接接頭的沖擊韌性和焊縫的抗裂紋敏感性。根據(jù)LR船級社規(guī)范進(jìn)行-40℃的夏比擺錘沖擊試驗，測試結(jié)果如表4所示。根部熔合線的沖擊吸收能量不符合LR船級社規(guī)范要求(≥69J)。
2.3 橫向拉伸試驗
在焊接接頭上截取橫向試樣，對試樣進(jìn)行橫向拉伸試驗，橫向拉伸試驗是衡量焊接接頭強(qiáng)度的重要指標(biāo)。根據(jù)LR船級社規(guī)范，制取2個試樣進(jìn)行試驗，測試結(jié)果如表5所示，由于焊材和母材是等強(qiáng)匹配，即使在焊接過程中存在合金元素重熔，焊縫強(qiáng)度依然高于母材，測試結(jié)果滿足LR船級社規(guī)范的要求(≥770MPa)。
2.4 硬度測試
對焊接試樣進(jìn)行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)焊縫完全焊透，焊縫表面沒有看到明顯的缺陷。焊縫硬度測試位置如圖4所示，硬度測試結(jié)果滿足LR船級社規(guī)范要求(≤420HV)。
2.5 焊縫的金相檢驗
對S690高強(qiáng)度無縫鋼管的焊接熱影響區(qū)進(jìn)行金相檢驗，結(jié)果如圖5所示。蓋面焊縫粗晶區(qū)組織為馬氏體+少量貝氏體，焊縫根部粗晶區(qū)的組織為馬氏體+晶界析出粒狀貝氏體+少量魏氏體。受焊接電弧熱的強(qiáng)烈作用，焊縫粗晶區(qū)奧氏體晶粒急劇長大，形成晶粒粗大的組織。當(dāng)焊接熱輸入量過大時，很高的冷卻速率導(dǎo)致焊縫粗晶區(qū)出現(xiàn)粗大的M-A組元(富碳馬氏體+殘余奧氏體)及魏氏體組織。焊縫根部熔合線附近同時有顆粒狀貝氏體沿晶界析出，導(dǎo)致粗晶區(qū)的沖擊韌性顯著降低。
3、綜合分析
在S690高強(qiáng)度無縫鋼管的穿孔過程中，材料處于高溫狀態(tài)且在高速旋轉(zhuǎn)，組織容易形成帶狀分布，進(jìn)而影響無縫鋼管的性能。無縫鋼管內(nèi)表面存在明顯的帶狀偏析，導(dǎo)致內(nèi)表面碳元素含量和碳當(dāng)量均超過企業(yè)規(guī)范要求。碳元素是強(qiáng)間隙固溶元素，在鋼中加入碳元素對鋼有顯著的間隙固溶強(qiáng)化作用，可提高低合金高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度。鋼中的碳元素含量增加時，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度升高，但塑性和沖擊韌性降低，焊接性能也會降低。碳元素對鋼的淬硬及冷裂影響顯著，通常使用碳當(dāng)量來估計低合金鋼的焊接冷裂敏感性。當(dāng)碳當(dāng)量大于0.6%時，鋼的焊接性較差，容易產(chǎn)生焊接冷裂紋，需要采取較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝方法控制碳當(dāng)量。內(nèi)表面的帶狀偏析使S690高強(qiáng)度無縫鋼管內(nèi)表面的碳當(dāng)量達(dá)到0.641%，焊接時，焊接熱輸入較大，很高的冷卻速率導(dǎo)致根部粗晶區(qū)形成粗大的M-A組元及少量魏氏體組織，同時顆粒狀貝氏體沿晶界析出，材料的沖擊韌性顯著降低。
4、結(jié)論
(1)S690高強(qiáng)度無縫鋼管內(nèi)表面存在明顯的帶狀偏析。
(2)偏析使內(nèi)表面的碳元素含量和碳當(dāng)量超過規(guī)范要求，導(dǎo)致無縫鋼管內(nèi)表面的沖擊吸收能量偏低。
(3)偏析使焊接工藝中根部熔合線處形成粗大的M-A組元和魏氏體組織，同時顆粒狀貝氏體沿晶界析出，導(dǎo)致沖擊韌性明顯降低。
作者：鄒文奇
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來源：《理化檢驗-物理分冊》2023年第12期
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