CN101340997A - 增强应变性能的管道焊接 - Google Patents

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CN101340997A CNA2006800474980A CN200680047498A CN101340997A CN 101340997 A CN101340997 A CN 101340997A CN A2006800474980 A CNA2006800474980 A CN A2006800474980A CN 200680047498 A CN200680047498 A CN 200680047498A CN 101340997 A CN101340997 A CN 101340997A
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K·明纳尔
S·D·帕普卡
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Abstract

描述了一种用于形成焊接接缝的方法和设备。在该方法中，通过第一焊接过程和第一焊接金属而在两个构件之间形成承载焊缝。然后，通过使用第二焊接过程将第二焊接金属沉积在承载焊缝的附近，从而形成一个或多个应变焊缝。这些应变焊缝被配置成形成具有特定的最小的高度和宽度的焊接接缝，以便将拉伸应变达到一个特定的应变能力。

Description

增强应变性能的管道焊接
相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求2005年12月22日提交的申请序号为No.60/752,785的美国临时专利申请的权益。
技术领域
[0002]本技术一般涉及焊接方法和设备。具体地，本技术涉及为了增强应变能力而对管道内的成段管材进行焊接的方法。
背景技术
[0003]本部分的目的在于给读者介绍可能与下文中说明和/或要求保护的本技术的举例性实施例有关的技术的各个方面。应相信这种讨论有助于给读者提供信息以帮助其更好地理解本技术的具体方面。因此，应理解成以此对这些说明进行理解，而没有必要将其当作是对现有技术的认可。
[0004]例如石油和天然气等碳氢化合物的生产已经进行了很多年了。为了生产这些碳氢化合物，具有代表性地钻探油田里的一个或多个井深入到地下位置，该地下位置通常作为地层、盆地或储层被提及。使用管道或管线以将碳氢化合物从井传输到地面设备以进行处理，或从地面设备传输到其他的位置。这些管道具有代表性地由在焊接接缝处被焊接在一起的成段管材形成，以形成供各种产物通过的连续流通通道。这样，这些管道为例如石油、天然气、水和煤浆等产物提供了流体传输系统。
[0005]通常，管道会受到可使其损坏或断裂的各种力的影响。最近，对石油和天然气的需求的增加已提供了在带有大地面变形的地理区域放置管道的一个重要的诱因。在这些区域放置管道给工程学在过去没有重视到的和接触到的管道强度和耐久性上带来了挑战。这些大地面变形可发生在例如围绕断层线等的地震区域，或北极区域。在这些区域，管道会受到因地面结冰/融化而发生的隆起或下降的地面运动以及/或者因地震事件而发生的大的水平线上的地面运动的影响。因为这些地面运动，位于地面上或地面下的管道受到可打乱流体流动的张力的影响。此外，可将例如由力控制的负荷情况等各种负荷情况作为内在应力和外在应力施加于管道上。特别是，如果主要由力控制的负荷情况来影响管道，那么许用应力设计方法被使用以确保将管道内的应力保持低于管道材料的屈服强度。
[0006]此外，因为成段管材被焊接在一起，在成段管材之间或在成段管材和辅助配件之间的焊接接缝提供了对这些力敏感的薄弱点，这些辅助配件例如管材的弯曲处或边缘等。例如，在两个成段管材之间的焊接接缝可产生裂缝而使管道不牢固。如果焊接接缝有了裂缝，那么因为负荷情况或地面运动可使管道在焊接接缝处出现故障。因此，成段管材的焊接接缝必须被设计成具有足够强度和断裂韧性以防止焊接接缝出现故障。
[0007]很多现有方法中没有为管道的塑性变形提供准备。因此，放置于具有大地面变形的地区中的管道设计，使用了以应力为基础的设计方法。因此，之前已经对涉及到的形成各种堆焊层的各种方法进行了说明，这些堆焊层被设计成解决在焊接接缝周围的断裂。但是，这些方法中并没有涉及当被置于较大的变形负荷下时在具有裂纹的结构构件中对塑性破坏的敏感性，其中通过例如成段管材等结构构件的厚度这些负荷可以累积成总塑性。实际上，这些方法没有能够解决可如何处理焊缝加强的几何构形以增强焊接管道的拉伸应变能力的问题。
[0008]在Hanneman等人的序号为4,049,186的美国专利(Hanneman)中和Yoshida等人的序号为4,585,917的美国专利(Yoshida)中对现有焊接方法进行了更为详细的说明。在Hanneman中，专利权人关注的是核反应堆水线内的焊接管材中的应力腐蚀。Hanneman使用堆焊以便使焊接约束区延伸超过热影响区，以减少焊接管道断裂的应力腐蚀裂纹并防止塑性变形。在Yoshida中，专利权人描述了一种可降低焊接管材接缝中的残余应力的焊接方法。基于管道的相关几何构形计算出堆焊高度和长度以降低残余应力。
[0009]因此，存在对一种用于增强成段管材的焊接接缝的应变能力的方法和设备的需要。
[0010]更多的信息请参考美国专利No.2,812,419；美国专利No.2,963,129；美国专利No.4,049,186；美国专利No.4,585,917；美国专利No.4,688,319；美国专利No.4,823,847；美国专利No.5,233,149；美国专利No.5,258,600；美国专利No.6,114,656；美国专利No.6,336,583；美国专利No.6,392,193；美国专利No.6,565,678；美国专利公告No.20020043305；和/或美国专利公告No.20020134452。此外，可在Denys R.M.，“Wide Plate Test and its Application to AcceptableDefect”，Proceedings，Welding Institute Conference on FractureToughness Testing and Materials，Interpretation and Application，London，1982年6月，和Norman E.Dowl ing，″Mechanical Behavior ofMaterials，″Prentice Hall，Englewood Cliffs，NJ(1993)中找到更多的信息。
发明内容
[0011]本技术的一个实施例被描述为一种增强焊接接缝的应变能力的方法。在该方法中，通过使用第一焊接过程和第一焊接金属而在至少两个构件之间形成承载焊缝(strength weld)。然后，通过使用第二焊接过程在承载焊缝附近沉积第二焊接金属，从而形成至少一个应变焊缝(strain weld)。所述至少一个应变焊缝被配置成形成具有特定的最小高度和宽度的焊接接缝，以承受高达特定的应变能力的拉伸应变。
[0012]在一个可选实施例中，描述了一种系统。该系统包括第一管状构件、与第一管状构件邻接的第二管状构件以及将第一管状构件和第二管状构件连接起来的焊接接缝。该焊接接缝具有一个承载焊缝和多个应变焊缝，其中焊接接缝具有特定的最小高度和宽度以承受高达特定的应变能力的拉伸应变。
[0013]在另一可选实施例中，描述了一种设备。该设备包括处理器、连接到该处理器的存储器和通过该处理器存取的应用程序。该应用程序被配置成可以为良好完成(well completion)获得预先确定的应变能力；为焊接接缝获得成段管材材料和焊接金属材料；使用应变能力数据以便在成段管材材料和焊接金属材料的基础上确定焊接接缝的几何构形；以及向使用者提供焊接接缝的几何构形。
[0014]在本技术的另一实施例中，描述了一种增强焊接接缝的应变能力的方法。在该方法中，确定用于承受高达特定的应变能力的拉伸应变的至少一个应变焊缝的特定的最小高度和宽度。然后，通过使用第一焊接过程和第一焊接金属而在至少两个构件之间形成承载焊缝。然后，通过使用第二焊接过程邻近承载焊缝沉积第二焊接金属，从而形成所述至少一个应变焊缝。
[0015]在本技术的另一实施例中，公开了一种确定焊接几何构形的方法。该方法包括确定将要进行焊接的构件的特定应变需求，然后确定最合适的成段管材材料。选择焊接材料和焊接过程，然后确定至少一个应变焊缝的特定的最小高度和宽度，以获得达到确定的特定的应变需求的应变能力。
附图说明
[0016]通过阅读下面的详细说明并且参考附图，可更为明显地看到本技术的前面述说的优势和其他的优势，其中：
[0017]图1示出的是根据本技术的某些方面的举例性的生产系统；
[0018]图2A至2B示出的是形成于两个成段管材之间的常规的焊接接缝；
[0019]图3示出的是材料应力应变行为的举例性图表；
[0020]图4示出的是根据本技术的方面的用于增强图1中管道的焊接接缝的应变能力的方法的举例性流程图；
[0021]图5A至5E示出的是根据本技术的方面的基于图4中方法在两个成段管材之间的焊接接缝的举例性实施例；
[0022]图6A至6D示出的是根据本技术的方面的焊接接缝的举例性剖面图；以及
[0023]图7示出的是根据本技术的方面的从图4方法形成的另一焊接接缝的举例性实施例。
具体实施方式
[0024]在下面的详细说明中，将联系其优选实施例描述本发明的特殊实施例。但是，在某种程度上下面的说明对于本技术的具体实施例或具体用途来说是特殊的，其意图仅在举例性说明并且仅仅是提供对举例性实施例的简明说明。因此，本发明并不局限于下面说明的具体实施例，而是本发明包括在所附权利要求的真正范围之内的所有备选物、改进和等价物。
[0025]本技术指的是一种相对于常规的焊接程序而言增强了应变能力的形成焊接接缝的方法。在本技术下，各种堆焊焊缝或应变焊缝可与承载焊缝、盖面焊缝(cap weld)和/或韧性焊缝(toughness weld)一起使用以改变焊接接缝的几何构形。基于这种包含具体高度和宽度的几何构形，在如成段管材的焊接构件的轴向方向上，焊接接缝能够承受高达并超出管材应变能力的大应变。因此附加这些应变焊缝可用来增强应变能力。
[0026]现在转向附图，并先参照图1，示出的是根据本技术的某些方面的举例性生产系统100。在举例性生产系统100中，地面设备102与井104通过位于地表108上的树状物106而连接在一起。地面设备102可以是处理厂、石油精炼厂、抽水站、储存罐或其他的设备。为了提供来自地下储层110的流体，井104穿过地表108并且延伸到并穿过地下储层110的至少一部分。正如可理解的那样，地下储层110可包括各种岩石层，这些岩石层包含例如水、石油和/或气体等流体。井104为这些流体提供了从地下储层110到地面设备102的流通通道。但是，应注意到示出的生产系统100是作为举例的目的被描述的，并且本技术可用于从任何地点运输流体。
[0027]可使用成段管材或管道112以便运输来自树状物104和地面设备102的流体。正如可理解的那样，管道112可包括焊接在一起以形成管道112的不同段的管状构件或管材。可由钢铁、钢铁合金和其他的材料制成成段管材以提供特定的强度。材料强度的范围可从规定的最小屈服35千磅/平方英寸(ksi)变化到120ksi。通常用于管道的管材性能在例如美国石油学会(API)5L、国际标准化组织(ISO)3183和加拿大标准协会(CSA)Z245.1等的管道标准中有所说明。
[0028]为了在不同的地点之间提供流体连通，例如在树状物104和地面设备102之间或从地面设备到终端使用者的位置，管道112不得不跨越很大的距离。因此，管道112会受到各种力的影响，这些力可使管道112损坏或断裂。例如，如上所注意到的，管道112可位于如下地区，在该地区中因为如管道位于断层线附近等的地震活动，和/或因为如在北极地区的结冰和融化等的环境因素，可能出现大的地面变形。
[0029]此外，例如由力控制的负荷情况和变形控制的负荷情况等各种负荷情况可被施加于管道112，例如内在应力、外在应力、弯曲力矩、拉伸负荷热负荷和大的地面变形等。具体地，如果管道112主要受到力控制的负荷情况，那么可使用许用应力设计方法对管道112进行设计。在此例中，管道112被设置或设计成确保成段管材和焊接接缝内的应力水平低于成段管道材料的屈服强度。另外，如果管道112主要受到位移控制的负荷情况，可使用基于应变的设计方法对管道112进行设计。在这种情况下，管道被设计成确保在管道内的应变水平低于成段管材和焊接接缝的应变能力。
[0030]归因于这些情况，可选择不同的材料用于制作管道112的成段管材和焊接接缝，以确保得到足够的应变能力以满足或超过预先确定的应变需求。应变能力是指当管道112被拉伸时承受拉伸应变的能力。此外，管道112的成段管材和焊接接缝也可以被配置成确保管道112具有足够的强度和断裂韧性。
[0031]具有代表性地，因为焊接接缝具有的不完美之处限制了由焊接接缝可以承受的拉伸应变，因此管道112的应变能力受到焊接接缝的进一步限制。这些不完美之处可以是形成于焊接接缝内或焊接接缝之间和/或在焊接接缝和成段管材之间或之内的裂纹，例如裂缝或空隙等。对裂纹的尺寸十分敏感的焊接接缝的应变能力，可随着裂纹的尺寸的增加而降低。因此，可将应变能力描绘为裂纹尺寸的函数。
[0032]因此，为了解决应变能力，在管道建造中对焊接接缝进行检查，并去除或修补大于特定尺寸的裂纹。具有代表性地通过裂纹长度和裂纹深度来决定裂纹的尺寸。因为去除或修补这些焊接裂纹的花费昂贵，所以可通过增加可接受的裂纹尺寸来减少修补数量从而降低建造成本。因此，一种方法是增加管道的应变能力以产生具有高于成段管材材料的屈服强度的环缝焊接金属。在环缝焊接金属和成段管材材料之间强度的百分比差异被称为超强匹配(overmatching)。因此，为了使焊接接缝能够承受住大的塑性应变，设计者选择管材、环缝焊接耗材和处理过程，来生产出具有足够的强度以便超强匹配成段管材的强度并且具有足够的断裂韧性以防断裂的焊接接缝。但是，随着成段管材材料的强度增加，会变得难于一直保持超强匹配成段管材的强度，因为由可用焊接材料所产生的强度是受到限制的。例如，对于X120和X100等级的管道，要一直实现超强匹配能够承受大的塑性应变的环缝焊缝是困难的。
[0033]此外，焊接过程可在焊缝和成段管材分界面之间产生软化的热影响区(HAZ)。该HAZ是因焊接过程中的热而具有微观结构变化和机械性能改变的成段管材的一部分。软化的HAZ可导致在总的管材变形较小处形成局部应变。这种在HAZ区中的局部应变降低了焊接管道的应变能力。此外，焊接过程可在HAZ区中产生局部脆性区(LBZ)，这些LBZ容易产生脆性断裂。在D.P.Fairchild，“Welding Metallurgy of StructuralSteels”，Proceedings of an International Symposium on WeldingMetallurgy of Structural Steels，The Metallurgical Society，Inc.，1987年2月，第303-318页中，对LBZ的形成和特征做了详细的说明。
[0034]为了解决这种类型的缺陷，其他各种技术已使用了堆焊以减少HAZ内的裂纹。例如，如在此以引用方式并入本文中的美国专利No.6,336,583中说明了一种用于生产具有改进的低温韧性的焊接接缝的方法。在此专利中，通过邻近焊缝盖面应用韧性焊缝，从而利用焊接堆焊层来加强焊缝，其中韧性焊缝位于原先的承载焊缝的焊趾之上。使用韧性焊缝以增加对可发生于靠近低温温度的脆性断裂的抵抗力。
[0035]作为可如何将美国专利No 6,336,583应用于管道焊接中的例子，图2A示出了位于两段成段管材之间的常规焊接接缝200，图2B示出了根据美国专利No 6,336,583中的处理过程生产的焊接接缝201。在图2A中，通过本领域中的技术人员所熟知的方法使两段成段管材202和204的接缝边缘206和208成坡口，并且这些方法与选择出的焊接金属在槽内的沉积以形成承载焊缝210是相一致的，其中该槽由成坡口的接缝边缘206和208形成。承载焊缝210的焊接金属可包括以铁酸盐为主要成分的焊接耗材、奥氏体的焊接耗材及其任意组合。焊接的热量在紧邻接缝边缘206和208和承载焊缝210之间的界面处形成HAZ 212和214。如上所述，HAZ 212和214是成段管材202和204的部分，这些部分没有熔化但是其微观结构和机械性能已经因焊接的热量而发生了改变。外部焊缝盖面216位于沿成段管材202和204的外部表面224。在图2B中，韧性焊缝218和220位于沿成段管材202和204的外部表面224靠近外部焊缝盖面216处。附加韧性焊缝218和220被用来减少或防止在HAZ 212和214内焊缝的脆性断裂。
[0036]但是，韧性焊缝218和220没有解决对于包含裂纹的结构构件中的塑性破坏敏感性的问题，其中这些裂纹产生于大的变形负荷下。如果材料的断裂韧性足够能避免脆性断裂，则不使用韧性焊缝218和220来在低于材料的屈服点的应力和应变范围内防止脆性断裂，在图3中对其进行了进一步的说明。在这种情况中，变形负荷可通过例如成段管材等结构构件的厚度而导致总塑性。正如这样，其他的技术没有调整加固焊缝的几何构形以增强管道中被焊接的成段管材的拉伸应变能力。
[0037]弹性变形包括化学键的拉伸。当卸载已弹性变形的材料时，变形消失并且材料回复其最初的形状和尺寸。对于钢铁而言，当材料是弹性变形时应力和应变是成比例的。但是，如果材料是塑性变形，那么材料中的原子重组，其结果导致永久变形，当去除负荷时该永久变形不会消失。例如，很多标准描述了张力试验和试验的概括说明，在下面的图3中对其有所说明。见于Norman E.Dowling，″Mechanical Behavior ofMaterials，″Prentice Hall，Englewood Cliffs，NJ(1993)。在图3中示出了钢铁或钢铁合金材料的应力应变特性曲线的图表。
[0038]在图3中，通过拉伸处于张力中的拉伸试样直到该试样断裂为两段实验地得出材料的应力应变行为。在此图表中，沿着应力应变特性曲线302示出材料的应力应变行为，该图表在此以参考数字300被提及。屈服点304确定了在应力应变特性曲线302上刚开始塑性变形处的位置。在低于对应屈服点304的应力306和应变308时，应力应变特性曲线302是线性的。在高于对应材料屈服点304的应力306时，因变形导致应力，应力应变特性曲线302是非线性的。存在各种对于屈服应力的定义。例如，可使用0.2％应变偏移屈服的方法来定义屈服点304。因为应力随着应变的增加而增加超过屈服点304，在应力应变特性曲线302上的屈服点314处应力增加到应力的最大值或最终材料强度310，其与应变312相对应，被作为均匀伸长界限而被提及。大于均匀伸长界限的变形会引起应力的减小或例如成段管材等材料的负荷承载能力的减小，其显示出塑性破坏的开始。负荷承载能力持续减小直到在与工程断裂应变318相对应的应变应力特性曲线302的屈服点316处发生最终断裂。
[0039]如果钢铁或钢铁合金被拉伸处于拉伸状态，则纵向应力和纵向应变以与图3中的曲线所示相似的方式作出响应。对于在屈服应力306下方的应力，变形的特征是弹性的，而对于在屈服应力306上方的变形则是塑性的。此外，管材在应变312处的应变能力是对应于点314处的应变，在点314处可得到最大应力310。
[0040]如上所述，各种应用于管道的负荷可包括纯粹的由力控制的负荷情况到纯粹的由变形控制的负荷情况。如果管道主要受到由力控制的负荷情况，可采取许用应力设计方法。在这种情况下，设计者提供管道以确保管道内的应力水平保持低于管道材料的屈服强度。但是，如果管道主要受到由位移控制的负荷情况，可采用基于应变的设计方法。
[0041]在由变形控制的负荷情况的情况下，设计者计算因地面移动而施加在管道上的应变需求。应变需求是因弯曲、拉伸、热和应力负荷而施加于成段管材上的总的拉伸应变。因此，为了解决应变需求，在基于应变的设计中管道112可被设置成工作于超过材料的屈服强度。也就是说，管道材料可被设置为塑性的，并可承受超出材料屈服点的力以及超出弹性变形界限的应变。在使用中管道经受各种力而引起管道拉伸塑性变形的例子可包括因错误的移动、倾斜不稳定性、冻胀、解冻沉降和/或与在海面管道装置中卷筒式铺管船的相互作用而发生的位移。
[0042]有益地，本技术被使用以提供一种防止或延缓在低强匹配(under-matched)(管子强度大于焊接金属强度)、等强匹配(even-matched)(管子强度与焊接金属强度相等)或超强匹配(over-matched)(管子强度小于焊接金属强度)环缝焊缝中的可能出现在软化的HAZ内的塑性破坏的发生，因此提高了在环缝焊缝或环缝焊缝HAZ中包含有裂纹的管道的应变能力。这些技术同样也减少了脆性断裂的可能。正如这样，一种增强的焊接方法在图4中被进一步说明。
[0043]图4示出的是根据本技术的方面的用于增强图1中的管道112的焊接接缝的应变能力的方法的举例性流程图。此流程图，作为参考数字400提及，可通过同时参照图1和图3得到对其最好的理解。在此流程图400中，说明了一种防止或延缓在低强匹配或等强匹配环缝焊缝中的塑性破坏发生的方法，该环缝焊缝可包括软化的HAZ。通过基于特定的几何构形在承载焊缝上形成堆焊层或应变焊缝，该方法可提高在环缝焊缝或环缝焊缝HAZ中包含有裂纹的例如管道112等管道的应变能力。堆焊焊缝的几何构形可包括特定的高度和宽度以便为焊接接缝提供增强的应变能力。
[0044]流程图从图块402开始。在图块403，为管道112确定应变需求。对应变需求的确定可包括实验、经验或测量数据。更具体地，可包括土壤情况取样、辨别可能的地震活动、预测因温度变化而发生的冻胀或解冻沉降并且识别出横越过计划的管道路线的错误线路。使用土工技术数据和管道工作情况作为输入数据以进行结构分析，从而评估可施加于管道上的总应变需求。
[0045]在图块404，决定成段管材材料和焊接材料。决定管材材料可包括例如强度、可塑性、实用性和经济性等因素。成段管材材料可包括范围从级别B到X120变化的钢铁或钢铁合金。可基于特定的管材材料和焊接过程来选择焊接材料。例如，焊接材料可包括以铁酸盐为主要成分的焊接耗材、奥氏体的焊接耗材及其任意组合。预先选择焊接材料和焊接过程以产生包括屈服强度、最终强度和断裂韧性的机械性能的范围。选择材料和过程以提供特定的应变能力。此选择可基于先前的经验和来自公共或私人所有的焊接性能数据库。
[0046]在图块406，生产出试验焊缝并准备被焊管材的样品以供测试。通过常规的方法实验地测量应变能力。具有代表性地，生产出具有一个性能范围的多道焊缝。管道工程师可基于测量被焊成段管材样本的应变能力来证明焊接程序合格。
[0047]将应变能力与计算出的应变需求进行比较。例如，在北极环境中，应变能力可提供在两个固定位置之间的管道112的某种程度的移动，例如管道安装等。另外，在地震活跃区域内，应变能力可提供管道因如地震等地震事件而产生的某种程度的移动。应变能力被配置为大于应变需求。由管道设计者决定应变能力和应变需求之间的余量以确保足够的安全。可使用可靠性方法以决定基于应变的设计的可靠性。在使用例如X80和更高等级的高强度钢铁的情况下，不可能利用焊接耗材或程序来生产所要求的应变能力。因此附加焊接堆焊层可被用于提高管道应变能力。
[0048]在图块408，决定形成焊接接缝的堆焊焊缝或应变焊缝的几何构形。对堆焊焊缝盖面的确定可包括经验、实验和计算。作为例子，堆焊焊缝盖面的几何构形可使用数字仿真模型来确定几何构形对管道焊接接缝的塑性特性曲线的影响。附加实验可被进行以证明堆焊焊缝几何构形合格，以确保足够的应变能力。
[0049]在确定了堆焊焊缝的几何构形的情况下，可在成段管材中应用不同的焊缝，如图块410至416所示。在开始，在两个成段管材之间形成承载焊缝，如图块410所示。形成承载焊缝的焊接过程可包括熔化焊接过程，例如钨极气体保护电弧焊、熔化极气体保护电弧焊、焊条电弧焊、埋弧焊、药芯焊丝电弧焊、等离子弧焊及其任何组合。在图块412，可在承载焊缝上方形成焊缝盖面。形成焊缝盖面的焊接过程可包括上面所说的任意焊接过程，其可与图块410中使用的过程相同或不同。然后，可在邻近盖面焊缝的地方形成韧性焊缝，如图块414所示。此外，韧性焊接过程可包括上面所说的任意焊接过程，其可与图块410和412中使用的过程相同或不同。最后，基于确定的几何构形，在邻近韧性焊缝和焊缝盖面并且在其之上的地方形成应变或堆焊焊缝，如图块416所示。被用来形成应变焊缝的焊接过程可包括上面所说的任意焊接过程，其可与图块410、412和414中使用的过程相同或不同，并可应用作为单独的堆焊焊道或作为单一的焊接堆焊层。在图5A至图5E、图6B至6D和图7中更为详细地讨论并示出了应变焊缝。因此，过程在图块418终止。在图5A至5E中示出了由此过程形成的焊接接缝的例子。
[0050]图5A至5E示出的是根据本技术的方面的基于图4中方法的在两个成段管材之间形成的焊接接缝的举例性实施例。因此，以参考数字500提及的此焊接接缝可通过同时参照图1、图2A至2B和图4对其进行最好的理解。焊接接缝500可具有在成段管材202和204的轴向方向上承受大张力的能力。正如这样，当例如管道112等管道出现附加应变需求时，焊接接缝500有助于提高管道应变能力。
[0051]在图5A中，以与上面的图2A至2B所述相似的方法，使用堆焊焊缝来形成焊接接缝500。但是，在此实施例中，可用附加堆焊焊缝代替或补充韧性焊缝218和220。在此被作为应变堆焊焊缝或应变焊缝504至514提及的附加焊接金属，被配置成形成具有特定的高度和宽度并增强了焊缝接缝500的应变能力的焊接接缝500。用于这些应变焊缝504至514的焊接金属可以是与如上所述用于承载焊缝210的焊接金属的类型相同或类型不同的焊接金属。为了形成这些焊缝，可为钢管的成段管材202和204在焊接过程之前被相对彼此放置好，以便每段的内表面和外表面224和226相互之间是同轴的或对齐的，并且接缝表面206和208形成了适于使用熔化焊接过程以连接成段管材202和204的坡口或槽。通过使用第一焊接金属和第一熔化焊接过程，承载焊缝210首先被形成于成段管材202和204之间，而焊缝盖面216被形成于承载焊缝210的至少一部分之上。在完成承载焊缝210之后，通过使用熔化焊接过程来沉积附加焊接金属，六至八条堆焊焊缝504至514被沉积在焊缝盖面216旁。前两个堆焊焊缝504和510被形成在外部表面224上邻近焊缝盖面216并覆盖外部表面224上的焊缝盖面趾520。附加应变焊缝506、508、512和514分别覆盖了部分或全部的邻近应变焊缝504、506、510和/或512，以及表面224的一部分。
[0052]因为应变焊缝504至514被设置成具有特定的宽度和高度，所以焊接接缝500可以增强成段管材202和204的应变能力使其超过其他的焊接技术。也就是说，调整应变焊缝504至514的几何构形以提供预先确定的应变能力，假设成段管材材料具有足够的应变能力以满足评估出的应变需求。例如，通过由盖面焊缝216和应变焊缝504至514所形成的最小高度530和宽度538确定焊接接缝500的几何构形。例如，如图5B所示，作为例子，最小高度530是从成段管材202的外部表面224到位于在焊缝盖面216和应变焊缝504之间的凹处532的最低点的距离。可增加此最小高度530以提高焊接接缝500的应变能力。即，增加最小高度530相对于基底管材202和204强化了焊接区域或焊接接缝500，并且延缓了在焊接HAZ 212和214或承载焊缝210中应变积累的发生。同样，通过调整在应变焊缝504至514之间的间隔距离536，可利用应变焊缝504至514的形状来增加最小高度530。通过应变焊缝宽度534和应变焊缝的最大高度来确定应变焊缝的形状。正如这样，随着重复焊接过程来沉积附加应变焊缝506至514，其他的应变焊缝506至514的附加焊接金属覆盖了部分的或全部的已有应变焊缝，并可以覆盖成段管材202和204的一部分外表面224。
[0053]除了提高应变能力之外，应变焊缝504至514的构造可有益于减少或防止焊接接缝500的脆性断裂。附加应变焊缝504至514的每一个堆焊层消除了先前的焊趾并产生了离先前的焊趾有一段距离的新焊趾。此距离取决于应变焊缝504至514的焊道宽度534以及在每个应变焊缝焊道之间的间隔距离536。例如，在焊接接缝500中，新的焊趾522形成于外部表面224和附加应变接缝508和514之间。结果，由应变焊缝焊道所形成的HAZ被定向于沿着平行于施加负荷的方向560的平面。
[0054]与之相对比，由首要承载焊缝所形成的HAZ被定向于沿着平面540，该平面540与垂直于施加负荷的平面548之间形成小于45度的角544，如图5C所示。HAZ可包含局部脆性区域。除非HAZ形成的角544大于大约45度，否则随着位于热影响区中的裂缝蔓延穿过局部脆性区域，该裂纹倾向于跟随熔合线。因此，通过将焊趾移入HAZ区域可提高焊缝的断裂韧性，该HAZ区域没有被倾向性地定向以促进断裂蔓延，上述在美国专利No6,336,583中进行了说明。
[0055]韧性材料一般出现故障是因为在最大剪应力的平面上的塑性破坏。最大切变的平面被定向成与垂直于施加拉伸应力的方向560的平面548形成45度角的角544。剪应力分量在垂直于施加负荷的平面548中从0增加，并且在与施加负荷的方向560形成45度角的角544的平面上增加到最大值。因为位于HAZ的材料的强度较低，所以在软化的HAZ内增强了对塑性破坏的敏感性。因此，对于包含HAZ的平面而言没有必要将其定向为沿着最大切变的平面以在HAZ内引起塑性破坏。具有代表性地，包含HAZ的平面被定向成在剪应力分量非零处，与平面548成小于45度的角544。由应变焊缝形成的HAZ被定向成沿着平行于施加负荷的方向560的平面。在此平面上的剪应力为零。因此，在由附加应变焊缝形成的HAZ上降低了塑性破坏的敏感性。附加焊接堆焊层通过两个机制延缓了塑性破坏的开始。首先，堆焊层提供了附加强度以延缓在首要HAZ上的塑性破坏的开始，而且其次，堆焊层改变了HAZ进入与施加负荷相平行的平面内的方向。因为由堆焊焊缝形成的HAZ被定向成沿着不会促进塑性变形的方向，所以延缓了过壁屈服(through wall yielding)。使用数字模拟解释说明此机制，其在图5D和5E中进一步被说明。
[0056]图5D和5E是从数字模拟中产生的轮廓图，以预测被焊成段管材的应力应变特性曲线。在图5D中的焊缝代表着在图2A中说明的常规焊缝的构造，而图5E中的数字模型代表着图5A和图7中说明的堆焊焊缝的构造。两个数字模型都明确地包括首要焊缝210、软化的HAZ 212和焊接裂纹562。该模拟假设管材材料的行为与X120等级的管材以及具有-10％的焊接超强匹配的焊接材料是相似的。在HAZ的材料强度与基底材料强度相比低10％，来模拟软化的HAZ的特性曲线。轮廓图中的每一种颜色示意出塑性应变的级别。应变级别的范围是遵循从白色到深灰色的灰度从最低变化到最高：白色轮廓级别580、浅灰色轮廓级别581、中度浅灰色轮廓级别582、中度轮廓级别583和深灰色轮廓级别584。深灰色轮廓级别584示意出的应变值大约高于1.5％。因此，颜色是深灰色的地方示意出穿过屈服点严重地变形的材料点的位置。图5D中深灰色轮廓级别584示出的大于1.5％的塑性变形，其已沿着软化的HAZ 212从裂纹562的顶部通过管材壁蔓延到焊趾520。轮廓图示出塑性变形以与垂直于施加负荷的方向560的平面548成近似45度的角544蔓延。该模拟示出被焊管材因在焊接区域的塑性破坏而发生故障。在图5E中，变形在裂纹顶部562处开始，但是在点564处停止，在该点564处通过应用堆焊焊缝568而改变了HAZ 212的方向。同样，注意到将由堆焊焊缝568产生的焊趾522足够远地从首要焊缝移开，以避免在焊趾522和在HAZ 212内的位置564处形成的深灰色轮廓级别584或塑性区重叠。因此，通过确保堆焊层宽度538足够宽，而使由线572形成的角度570小于45度，从而延缓了塑性破坏，其中线572将由焊根576形成的焊趾574与由堆焊焊缝568形成的焊趾522连接在一起。在这种情况下，通过厚度的塑性变形(through thickness plastic deformation)发生在远离焊缝的位置566。正如这样，该模拟示出堆焊焊缝成功地将故障位置从首要焊缝210移至管道材料处。
[0057]因此，基于宽度538和最小高度530，当在焊接过程中使用优选焊接过程和耗材的情况下，随着堆焊宽度534和堆焊间隔距离536的改变，可调整堆焊层或应变焊缝504至514的数量。应注意到可利用应变焊缝的附加堆焊层，从而通过在盖面焊缝和韧性焊缝上提供附加堆焊层来确保满足最小高度的要求。优选地，可调整堆焊层的数量以满足预先确定的高度和总的堆焊宽度538，以得到想要的应变能力。可通过使用各种几何构形和应变能力进行实验来确定几何构形的要求。
[0058]作为说明几何构形如何影响成段管材的应变能力的例子，图6A至6D示出的是根据本技术的来自于图5A至5C的焊接接缝的成段管材的举例性剖面图。在图6A至6D中，使用熔化极气体保护脉冲电弧焊(PGMAW)将成段管材202和204焊接在一起，从而形成具有不同的堆焊层构造的焊接接缝。在此PGMAW过程中利用焊丝来形成承载焊缝和应变焊缝，在图5A至5C中对其进行了说明。在每一个这些剖面中，因为焊接金属的强度低于成段管材202和204的强度，所以焊缝超强匹配均是负值。用于石油和天然气工业的宽板测试中以测量被焊管道的应变能力的宽板样本，可从被焊的成段管材中制取。例如，参看Denys R.M.，″Wide Plate Test andits Application to Acceptable Defect″in Proceedings，WeldingInstitute Conference on Fracture Toughness Testing and Materials，Interpretation and Application，London，1982年6月。宽板样本被认为是足够大能够表现出在纯拉伸的负荷情况下管道的结构特性曲线的特征。
[0059]下面说明的几何剖面600、610、620和630是取自于靠近成段管材202和204的宽板的一个边缘的材料的横截面。焊接接缝的剖面600、610、620和630随着跨过宽板的宽度而改变。在表格1中总结出了这些剖面中的焊接接缝的加固几何构形，如下所示。
表1
剖面   最小应变高度   应变宽度   焊接裂纹的几何构形   焊缝超强匹配   标准化能力(normalized
  深度×长度   capacity)
  600   -   -   3mm×50mm   -4％   1.0
  610   2mm   42mm   3mm×50mm   -7％   1.3
  620   2.5mm   74mm   3mm×50mm   -8％   1.5
  630   3mm   70mm   3mm×50mm   -8％   2.3
[0060]应注意到在表格1中的标准化应变能力可由下面的方程式来代表：标准化应变能力＝(测量的应变能力)/(测量的常规环缝焊缝的应变能力)在此方程式中，测量的应变能力是从在每一个环缝焊缝剖面600、610、620和630上进行的宽板测试中得到的应变能力，而测量的常规环缝焊缝的应变能力是从剖面600代表的常规环缝焊缝中得到的应变能力。
[0061]在图6A至6D中，剖面600是不包括例如应变焊缝或韧性焊缝等任何附加焊缝堆焊层的常规环缝焊缝或焊接接缝的例子，而剖面610、620和630是具有附加焊缝以调整焊接接缝的高度和宽度以增强应变能力的焊接接缝的例子。可包括盖面焊缝、韧性焊缝和/或应变焊缝的附加焊缝可作为堆焊焊缝被提及。首先，图6A示出了几何剖面600，其具有承载焊缝602并且具有宽度604近似为13毫米(mm)、高度606近似为2mm的单个盖面焊缝。图6B示出了几何剖面610，其具有承载焊缝612并且具有最小高度616为2mm、最小宽度614为42mm的堆焊焊缝。图6C示出了几何剖面620，其具有承载焊缝622并且具有最小高度626为2.5mm、最小宽度624为74mm的堆焊焊缝。最后，图6D示出了几何剖面630，其具有承载焊缝632并且具有最小高度636为3mm、最小宽度634为70mm的堆焊焊缝。剖面604、614、624和630代表每条焊缝在沿着被焊的成段管材的圆周的一个位置处的几何构形。没有必要在和图6A至6D中所示的横截面剖面的位置相同的位置处测量最小宽度和高度。
[0062]从这些不同的几何剖面600、610、620和630中，最小应变高度和应变宽度与在应变能力中测量出的增加有直接关系，如表格1中所示。例如，随着剖面从剖面600改变到剖面630，标准化应变能力从1.0增加到2.3。
[0063]结果，用堆焊或应变焊缝形成的焊接接缝防止或延缓了当软化的HAZ存在时在低强匹配或等强匹配环缝焊缝中的塑性破坏的开始，因此提高了例如在焊接接缝或HAZ中包含有裂纹的管道112等管道的应变能力。
[0064]图7示出的是根据本技术的方面从图4的方法中形成的另一举例性焊接接缝的举例性实施例。在此实施例中通过第二熔化焊接过程形成应变焊缝702，该第二熔化焊接过程选自钨极气体保护电弧焊、熔化极气体保护电弧焊、焊条电弧焊和埋弧焊。
[0065]应注意到本技术在各种应用中是有益的，这些应用包括被设置成在管材或邻接的构件的轴向方向上承受大张力的焊接接头。例如，本技术的优选应用可包括如上所述的管道，其包括高强度钢，对于这些高强度钢而言可用焊接耗材可以生成环缝焊缝，这些环缝焊缝不会超强匹配管道强度或超强匹配管道强度的量不足以得到所要求的应变能力。但是，本技术增强了焊接材料比成段管材材料更坚固的管道的应变能力。即，本技术并不局限于更高强度的钢，而是为X80和较低等级的材料提供了次级方法以增加应变能力。具体地，如果出现软化的HAZ，那么具有环缝焊缝超强匹配的较低等级的材料可利用本技术来增强应变能力。附加焊接堆焊层可被用于增强超强匹配的环缝焊缝的性能。
[0066]此外，应注意到可与韧性焊缝一起利用应变焊缝。例如，图5A中的两个第一堆焊焊缝504和510可以是形成在外部表面224上邻近焊缝盖面216并覆盖了在外部表面224上的焊缝盖面趾520的韧性焊缝。在此实施例中，附加应变焊缝506、508、512和514分别覆盖了邻近的焊缝504、506、510和/或512的一部分或全部，以及覆盖了表面224的一部分。因此，应变焊缝506、508、512和514可改变几何构形以具有能增强焊接接缝500应变能力的特定宽度和高度。
[0067]此外，本技术也提供了一种增加已有管道或成段管材上下述位置处的应变能力的方法，在所述位置处的应变需求会随着管道的使用时间而增加，或者在其原有设计和构造过程中没有被适当地计算，并且已有的环缝焊缝性能不足以满足需要的应变需求。也就是说，可利用本技术再加工已有管道以增强应变能力和对脆性故障的抵抗力。因为所说明的焊接技术易于在野外环境中施用，所以可以挖出已有管道，并且如图5A所示在靠近首要焊缝的地方增加附加焊接堆焊层。
[0068]此外，应注意到在本技术的一些实施例中，承载焊缝和堆焊焊缝，例如韧性和应变焊接材料等，可以是相同的材料。在其他的实施例中，承载焊缝和堆焊焊缝在不同的应用中可以是不同的，以便提高首要焊缝中对脆性断裂的抵抗力并且优化堆焊焊缝中的强度。此外，用于承载焊缝、焊缝盖面、韧性焊缝和/或应变焊缝的焊接过程也可以是相同的或不同的焊接过程。同样地，也应注意到焊接过程可沿着成段管材的相同纵向轴或不同的轴对材料进行焊接。例如，承载焊缝可被焊接成垂直于邻接的成段管材，而盖面焊缝、韧性焊缝和应变焊缝被焊接成沿着邻接的成段管材的相同轴。此外，值得注意的是可围绕着邻接的成段管材的内圆周安置焊缝。
[0069]此外，根据优选实施例对前面的实施例进行了说明。但是，应理解在不脱离本发明范围的情况下可得到上述实施例的部分或方面的其他改进和组合。这些变体包括但并不局限于使用坡口和连接边缘制备技术、坡口形状、焊接过程和为满足最小的加固几何构形而需要的焊接堆焊层数量。
[0070]此外，在另一可选择的实施例中，可使用处理装置来执行图块404至408，该处理装置如计算机、服务器、数据库或其他的基于处理器的装置等。处理装置可包括与使用者互动或为使用者自动产生各种焊缝几何构形的应用程序。可作为现有程序中的电子数据表、程序、路线、软件包或附加计算机可读软件指令来执行该应用程序，其可由例如VisualBasic、Fortran，C++，Java和此类的计算机程序语言写成。当然，处理装置可包括例如硬盘、软盘、CD-ROM和其他的光存储介质、磁带等的存储器以便存储应用程序。处理装置可包括监控器、键盘、鼠标和其他的与使用者进行互动的用户界面。
[0071]作为处理装置工作的一个例子，使用者可利用应用程序从而为焊接接缝或部分管道指定应变能力，如图块404中所示。应用程序可被配置成通过为使用者提供在处理装置中输入应变能力的能力，从而得到管材的预定应变能力。然后，应用程序可得到用于焊接接缝的成段管材材料和焊接金属材料。可从使用者那里再次得到材料信息，其可由使用者在应用程序中从可得到的材料列表(也就是从图形用户界面或在Excel电子数据表中)中选出，或由应用程序基于应变能力选出。用成段管材材料和焊接金属材料，应用程序可利用应变能力数据来确定焊接接缝的几何构形。应变能力数据可包括基于实验数据、建模数据和/或测量数据预先确定的应变能力。此应变能力数据可与不同的几何构形、成段管材材料和/或焊接金属材料相联系。一旦确定出，可通过显示器或报告向使用者提供焊接接缝的几何构形。
[0072]本发明的技术现状可容许各种改进和可选形式，上面所说明的举例性实施例已通过例子的形式示出。但是，还应理解本发明并不意在限制于在此说明的特定实施例中。事实上，本发明中的技术现状将包括由所附权利要求限定的在本发明的精神和范围之内的所有改进、等价物和可选物。

Claims (35)

1.一种增强焊接接缝的应变能力的方法，其包括：
使用第一焊接过程和第一焊接金属在至少两个构件之间形成一条承载焊缝；以及
通过使用第二焊接过程邻近所述承载焊缝沉积第二焊接金属从而形成至少一条应变焊缝，其中所述至少一条应变焊缝被配置成形成具有特定最小高度和宽度的焊接接缝，以便承受达特定应变能力的拉伸应变。
2.根据权利要求1中的方法，其包括通过使用第三焊接过程在所述承载焊缝的一部分上直接沉积第三焊接金属从而形成至少一条韧性焊缝，其中所述至少一条韧性焊缝覆盖所述承载焊缝的焊趾，并且所述至少一条应变焊缝覆盖所述至少一条韧性焊缝的焊趾。
3.根据权利要求1中的方法，其中所述至少两个构件包括成段管材。
4.根据权利要求1中的方法，其中所述第一焊接过程和所述第二焊接过程包括钨极气体保护电弧焊、熔化极气体保护电弧焊、焊条电弧焊、埋弧焊、药芯焊丝电弧焊、等离子弧焊及其任意组合中的至少一种。
5.根据权利要求4中的方法，其中所述第一焊接过程和所述第二焊接过程是不同的。
6.根据权利要求4中的方法，其中所述第一焊接过程和所述第二焊接过程是相同的。
7.根据权利要求1中的方法，其中在所述承载焊缝的焊趾和所述应变焊缝的焊趾之间的宽度覆盖了由所述承载焊缝的形成而产生的所述至少两个构件中的每一个的表面上的至少一个热影响区的宽度，并且与跨过所述焊接接缝的最大拉伸负荷的方向相平行的平面形成大于大约零度并小于或等于大约45度的角。
8.根据权利要求1中的方法，其中所述第一焊接金属和所述第二焊接金属包括以铁酸盐为主要成分的焊接耗材、奥氏体的焊接耗材及其任意组合中的至少一种。
9.根据权利要求8中的方法，其中所述第一焊接金属和所述第二焊接金属是相同的。
10.根据权利要求1中的方法，其中所述至少两个构件被用于传输碳氢化合物。
11.根据权利要求1中的方法，其进一步包括确定所述至少一条应变焊缝的特定最小高度和宽度，以得到达到特定应变需求的应变能力。
12.根据权利要求11中的方法，其中所述确定步骤包括使用经验、实验、计算及其任意组合中的至少其中之一。
13.根据权利要求11中的方法，其中所述确定步骤包括使用数字仿真模型。
14.一种系统，其包括：
第一管状构件；
邻近于所述第一管状构件的第二管状构件；以及
具有一条承载焊缝和多条应变焊缝并将所述第一管状构件和所述第二管状构件连接在一起的焊接接缝，其中所述焊接接缝具有特定最小高度和宽度以承受高达特定应变能力的拉伸应变。
15.根据权利要求14的系统，其中所述第一管状构件与储层流体连通。
16.根据权利要求14的系统，其包括与所述第一管状构件连接的树状物和与所述第二管状构件连接的地下设备。
17.根据权利要求14的系统，其中所述焊接接缝包括部分地位于所述承载焊缝和所述多条应变焊缝中的一条之间的至少一条韧性焊缝，其中所述至少一条韧性焊缝覆盖所述承载焊缝的焊趾，并且所述至少一条应变焊缝覆盖所述多条应变焊缝中的所述一条的焊趾。
18.根据权利要求14的系统，其中所述至少两个构件包括成段管材。
19.根据权利要求14的系统，其中在所述承载焊缝的焊趾和所述多条应变焊缝的焊趾之间的宽度至少覆盖由所述承载焊缝的形成而产生的所述第一管状构件和所述第二管状构件中的每一个的表面上的一个热影响区的宽度，并且与跨过所述焊接接缝的最大拉伸负荷的方向相平行的平面形成大于大约零度并小于或等于大约45度的角。
20.根据权利要求14的系统，其中所述第一管状构件和所述第二管状构件被用于传输碳氢化合物。
21.一种设备，其包括：
处理器；
连接到所述处理器的存储器；以及
可用于所述处理器的应用程序，其中所述应用程序被配置成：
为良好完成而得到预定的应变能力；
得到成段管材材料和焊接金属材料用于焊接接缝；
基于所述成段管材材料和所述焊接金属材料利用应变能力数据
来确定所述焊接接缝的几何构形；以及
向使用者提供所述焊接接缝的所述几何构形。
22.根据权利要求21中的设备，其中所述应变能力数据包括适于焊接接缝的不同几何构形的早先测量的应变能力数据。
23.根据权利要求21中的设备，其中通过在监控器上显示所述焊接接缝的所述几何构形，所述应用程序提供了所述焊接接缝的几何构形。
24.根据权利要求21中的设备，其中所述焊接接缝的所述几何构形被用于连接从井中传输碳氢化合物的成段管材。
25.一种用于增强焊接接缝的应变能力的方法，其包括：
确定至少一条应变接缝的特定最小高度和宽度以得到达到特定应变需求的应变能力；
通过使用第一焊接过程和第一焊接金属在至少两个构件之间形成一条承载焊缝；以及
通过使用第二焊接过程邻近所述承载焊缝沉积第二焊接金属，从而形成至少一条应变焊缝，其中所述至少一条应变焊缝被配置成形成具有特定最小高度和宽度的焊接接缝。
26.根据权利要求25中的方法，其中所述确定步骤包括使用经验、实验、计算及其任意组合中的至少其一。
27.根据权利要求25中的方法，其中所述确步骤定包括利用数字仿真模型。
28.一种确定焊缝几何构形的方法，其包括：
确定特定应变需求；
确定成段管材材料；
确定焊接材料和焊接过程；以及
确定至少一条应变焊缝的特定最小高度和宽度，以得到达到特定应变需求的应变能力。
29.根据权利要求28中的方法，其包括使用实验数据、经验数据、测量数据及其任意组合中的至少一个。
30.根据权利要求28中的方法，其包括取样土壤情况、辨别潜在地震活动、识别断层线、预测冻胀、预测解冻沉降及其任意组合中的至少一种。
31.根据权利要求28中的方法，其中所述成段管材可选自由钢铁或钢铁合金组成的组。
32.根据权利要求28中的方法，其中焊接材料和焊接过程是基于确定的成段管材材料被确定的。
33.根据权利要求28中的方法，其中焊接材料和焊接过程是基于对公共或私人所有的焊接性能数据库的访问被选择的。
34.根据权利要求28中的方法，其包括测量特定应变能力，其中所述测量步骤包括对被焊成段管材的拉伸应变测试。
35.根据权利要求28中的方法，其包括利用数字仿真模型。
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