CN103884557A - 一种石油天然气薄壁小直径管道力学性能试样制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种石油天然气薄壁小直径管道力学性能试样制备方法，包括以下步骤：（1）在待测石油天然气薄壁小直径管道周向截取试样，所截取试样的宽度为Wmm，厚度为Bmm；（2）在所截取试样的两侧激光焊接两个加长块得到试验试样，所述加长块的宽度为L，所述加长块的厚度大于或等于B；其中L+W+L大于或等于拉伸、冲击、CTOD断裂韧性或裂纹扩展速率试验所需试样的最小长度。利用本发明方法可以测得用常规方法难以获得的力学性能数据，对于提高石油天然气管道的安全性评价具有重要的现实意义。同时将激光深熔焊技术应用于小试样的制备、有效地提高了试样的利用率，节省材料，达到了节能降耗的效果，具有绿色制造的性质。

Description

一种石油天然气薄壁小直径管道力学性能试样制备方法

【技术领域】

本发明属于材料力学性能检测领域，涉及一种石油天然气薄壁小直径管道力学性能试样的制备方法。

【背景技术】

随着石油天然气工业发展迅速，越来越多的输送管道遍布在城镇的各个角落。然而，输气管道一旦发生泄漏事故，石油天然气很容易被引燃而导致爆炸及火灾，并同时伴随中毒和坏境污染，存在严重的安全隐患。而事故的发生往往是由于管道缺陷、焊接缺陷、腐蚀以及外力损伤等原因造成。据统计，近年来，欧美国家的输气管道事故率平均值为0.5，而我国仅四川的12条输气管道的事故率就高达4.3。目前，我国的输气管道的长度已经超过3万公里，有些长距离输气管道已经工作了20多年，由于管道的性能退化已经达到的事故的高发期，存在非常大的安全隐患，所以对在役输气管道进行安全性检测和完整性评估就尤为重要。

在对石油天然气薄壁小直径管道进行力学性能检测与评价时，从管道中取出的试样尺寸难以满足力学性能试验标准中的拉伸、冲击、断裂韧性、裂纹扩展速率等试样尺寸要求。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种石油天然气薄壁小直径管道力学性能试样制备方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种石油天然气薄壁小直径管道力学性能试样制备方法，包括以下步骤：

（1）在待测石油天然气薄壁小直径管道周向截取试样，所截取试样的宽度为Wmm，厚度为Bmm；

（2）在所截取试样的宽度方向两侧激光焊接两个加长块得到试验试样，所述加长块的宽度为L，所述加长块的厚度大于或等于B；

其中L+W+L大于或等于拉伸、冲击、CTOD断裂韧性或裂纹扩展速率试验所需试样的最小长度。

本发明进一步的改进在于：所述石油天然气薄壁小直径管道的外径和厚度满足以下条件：

t>B                 (4)

R²=(w/2)²+(R-t+B)²         （5）

式中：R为管道外径，t为管道厚度。

本发明进一步的改进在于：所述石油天然气薄壁小直径管道的材质为20#钢；加长块的材质为Q-235。

本发明进一步的改进在于：所述石油天然气薄壁小直径管道的规格尺寸为φ114mm×6mm；步骤1（1）中所截取的试样的宽度为20mm，厚度为5mm。

本发明进一步的改进在于：步骤（2）中所述加长块的宽度为75mm，厚度为6mm。

本发明进一步的改进在于：步骤（2）中激光焊接所采用激光焊接器的型号为：YLS-4000；激光焊接参数为：焊接功率3KW，焊接速度2m/min，保护气体为氩气，离焦量为0，光斑直径为0.67mm。

本发明进一步的改进在于：对步骤（2）中得到的试验试样进行机械加工，得到满足拉伸、冲击、CTOD断裂韧性或裂纹扩展速率试验所需试样尺寸要求的最终试验试样。

本发明进一步的改进在于：进行拉伸试样的最终试验试样中部的截取试样沿长度方向的前后两侧加工有R20的弧形缺口。

本发明进一步的改进在于：所述加长块的抗拉强度与石油天然气薄壁小直径管道的抗拉强度相差10%以内。

本发明进一步的改进在于：20mm≤W＜标准石油天然气管道力学性能试样长度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

（1）对于试验给定的薄壁小直径管道，沿着管道周向截取宽度和厚度尺寸尽可能大的试样截面；（2）采用激光深熔焊技术，将抗拉强度相近（相差10%以内）的两块材料对称焊接在待测试样两边，进行加宽加长处理，达到相关力学性能测试试样尺寸要求；（3）对加宽加长的试样进行机械加工，达到相关试验对试样的尺寸要求。

本发明所述的薄壁小直径管道的力学性能试样制备方法有如下特点：

1）所述的周向取样是指沿着管道轴向所取的试样（图1a和图1b）。对于石油天然气薄壁小直径管道的具体规格，保证待测试样中部的管道内表面不进行刨削加工的前提下，并保证待测试样最小厚度满足试验标准的基础上，根据几何关系确定待测试样的最大宽度（图2）。

2）所述的激光深熔焊技术是指采用光纤激光器（YLS-4K）对试样两侧进行激光深熔焊接（图3）。激光焊接工艺为：

（1）选取加宽试件材料的性能应与待测材料抗拉强度相近的材质；对选好试件进行机械加工，使其长度和宽度均满足后续力学试验的尺寸要求，使其厚度和待测试样厚度一致；

（2）在采用激光焊接前，对全部的焊接材料两侧表面进行打磨抛光。

（3）对于试样厚度为5mm的试件，激光焊接参数为：焊接功率3KW，焊接速度2m/min，保护气体为氩气，离焦量为0，光斑直径为0.67mm。

3）根据力学性能试验的拉伸、冲击、CTOD和裂纹扩展试验的试样尺寸要求，确定待测试样的最小厚度确定为5mm。在此基础上，根据激光深熔焊和相关力学性能试验特点，确定待测试样的最小宽度为20mm。其理论依据如下：

（1）根据激光深熔焊特点，对于5mm试板，采用双面焊接时，激光焊缝的最大宽度在2mm左右，激光深熔焊产生的残余应力分布在焊缝宽度的3-4倍范围内，大约为5mm左右。

(2)对于冲击试验，冲击形成的塑性区尺寸在8mm以内；对于CTOD断裂韧性试样、疲劳裂纹扩展试验，要保证在做大载荷时的裂纹尖端区域塑性区尺寸小于待测试样宽度。依据断裂力学理论，疲劳裂纹扩展塑性区和断裂韧性CTOD的塑性区尺寸r_y的计算公式为：

式中：K_max为裂纹试样的最大应力强度因子，可根据具体试样形式计算；σ_p0.2为屈服强度。

对于石油天然气输送管道的材质，经过计算得到最大塑性区尺寸小于4mm。

（3）综合激光深熔焊的残余应力分布宽度，裂纹尖端塑性区尺寸，可以得到待测试样的最小宽度应为5x2+4=14mm，给定安全系数1.4，最小宽度约为20mm。

4）根据上述的待测试样的最小宽度，可以确定本发明专利可以适用的最小管道规格，确定方法如图3所示。需满足以下2个关系式：

t>B               (4)

R²=(w/2)²+(R-t+B)²       （5）

式中：B为待测试样宽度,W为待测试样长度，R为管道外径，t为管道厚度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种针对石油天然气薄壁小直径输送管道进行力学性能检测时的试样制备方法，利用本发明方法可以测得用常规方法难以获得的力学性能数据，对于提高石油天然气管道的安全性评价具有重要的现实意义。同时将激光深熔焊技术应用于小试样的制备、有效地提高了试样的利用率，节省材料，达到了节能降耗的效果，具有绿色制造的性质。

【附图说明】

图1a和图1b为不同角度的周向取样示意图；

图2为激光加宽试样示意图；

图3为薄壁管道范围几何关系示意图；

图4a和图4b为拉伸试样的正视图的俯视图；

图5a-图5c为冲击试样的三视图，图5d为图5a中I部的放大图；

图6a和图6b为疲劳裂纹扩展CT试样加工图；

图7a和图7b为CTOD断裂韧性试样加工图；

图8为残余应力测量点的布点位置；

图9为残余应力分布特征图；

图10为拉伸，冲击试验结果对比。

【具体实施方式】

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明。

本实施例检测中国石油长庆油田采气一厂的在役天然气管道:其材质为20#钢，管道规格尺寸为φ114mm×6mm。需要进行拉伸、冲击、CTOD断裂韧性和裂纹扩展速率试验。试样制备的具体实施步骤包括：

（1）在待测管道周向截取试样，尺寸为：150mm×20mm×5mm。

（2）激光深熔焊接，加宽试样。选取焊接材料Q-235，尺寸为：120mm×75mm×6mm。将待激光焊接的材料的两侧表面进行打磨抛光，采用激光焊接器为：YLS-4000，对抗拉强度相近的20#钢和Q-235进行激光焊接。制备的力学性能试样分别如4a-图7b所示。

确定所取试样的范围：

由结合金相观察，确定焊缝的熔合线，测量焊缝的热影响区的大小。如图4a至图5d可知，焊缝的尺寸为2.3mm。

激光焊接残余应力测试。残余应力测量点的布点位置如图8所示，当残余应力较高时，孔边由于应力集中而产生塑性变形，此时需对测量结果进行修正。本发明采用Scaramangas等归纳的经验修正公式：

${\mathrm{\σ}}_c=\frac{{\mathrm{\σ}}_c^{\′}}{0.20({\mathrm{\σ}}_c^{\′}/{\mathrm{\σ}}_s)+0.87},({\mathrm{\σ}}_c^{\′}/{\mathrm{\σ}}_s\≥0.65)$

式中：σ'_C为测量应力；σ_C为修正应力；σ_S为材料屈服极限。

由测得的激光焊接残余应力分布（图9）可知，在距离焊缝两侧5mm时，残余应力已经很小，可以不考虑残余应力的影响。

由裂纹尖端的计算公式计算疲劳裂纹扩展的塑性区和断裂韧性CTOD的塑性区。具体步骤如下：

对于C(T)试样而言：

$\mathrm{\ΔK}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{B\sqrt{W}}\·\frac{(2+\mathrm{\α})}{{(1-\mathrm{\α})}^{3/2}}(0.886+4.64\mathrm{\α}-{13.32\mathrm{\α}}^2+{14.72\mathrm{a\α}}^3-{5.6\mathrm{\α}}^4)---\left(2\right)$

式中：α=a/W。塑性区尺寸r_y的计算公式：

实施例中：试样厚度B为5mm；试样宽度W为48mm；加载力P，最大为8KN；裂纹长度a，最大值为30mm；σ_p0.2屈服强度为475MPa；则由公式（2）、（3）可知，塑性区的r_y最大值为3.4mm。

由以上分析可知，要进行力学性能测试，在薄壁小直径管道中取样，宽度至少为：2x5+3.4=13.4mm,再考虑到安全系数，取样最小宽度约为20mm。根据力学性能试验的拉伸、冲击、CTOD和裂纹扩展试验的试样尺寸要求，确定待测试样的最小厚度确定为5mm。在此基础上，根据激光深熔焊和相关力学性能试验特点，确定待测试样的最小宽度为20mm。

对于采用本发明的试样制作方法所制作的试样进行对比试验，对管道纵向试样进行了试验，试验结果表明，采用本方法的结果是可信的（图10）。

表1、冲击、拉伸、CTOD对比试样结果

从附图10和表1能够看出，采用本发明方法所制备的石油天然气薄壁小直径管道力学性能试样，与未焊接的试样所获得的实验结果非常接近；当管道中取出的试样尺寸难以满足力学性能试验标准中的拉伸、冲击、断裂韧性、裂纹扩展速率等试样尺寸要求时，完全可以采用本发明的方法制备力学性能试样进行实验，能够获得要求的管道力学性能数据；完全可以替代正常的未焊接的试样。

最后说明的是，本实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (9)

1.一种石油天然气薄壁小直径管道力学性能试样制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在待测石油天然气薄壁小直径管道周向截取试样，所截取试样的宽度为Wmm，厚度为Bmm；

（2）在所截取试样的宽度方向两侧激光焊接两个加长块得到试验试样，所述加长块的宽度为L，所述加长块的厚度大于或等于B；

其中L+W+L大于或等于拉伸、冲击、CTOD断裂韧性或裂纹扩展速率试验所需试样的最小长度。

2.根据权利要求1所述的一种石油天然气薄壁小直径管道力学性能试样制备方法，其特征在于，所述石油天然气薄壁小直径管道的外径和厚度满足以下条件：

t>B              (4)

R²=(w/2)²+(R-t+B)²      （5）

式中：R为管道外径，t为管道厚度。

3.根据权利要求1所述的一种石油天然气薄壁小直径管道力学性能试样制备方法，其特征在于，所述石油天然气薄壁小直径管道的材质为20#钢；加长块的材质为Q-235。

4.根据权利要求1所述的一种石油天然气薄壁小直径管道力学性能试样制备方法，其特征在于，所述石油天然气薄壁小直径管道的规格尺寸为φ114mm×6mm；步骤1（1）中所截取的试样的宽度为20mm，厚度为5mm。

5.根据权利要求1所述的一种石油天然气薄壁小直径管道力学性能试样制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述加长块的宽度为75mm，厚度为6mm。

6.根据权利要求1所述的一种石油天然气薄壁小直径管道力学性能试样制备方法，其特征在于，步骤（2）中激光焊接所采用激光焊接器的型号为：YLS-4000；激光焊接参数为：焊接功率3KW，焊接速度2m/min，保护气体为氩气，离焦量为0，光斑直径为0.67mm。

7.根据权利要求1所述的一种石油天然气薄壁小直径管道力学性能试样制备方法，其特征在于，对步骤（2）中得到的试验试样进行机械加工，得到满足拉伸、冲击、CTOD断裂韧性或裂纹扩展速率试验所需试样尺寸要求的最终试验试样。

8.根据权利要求7所述的一种石油天然气薄壁小直径管道力学性能试样制备方法，其特征在于，进行拉伸试样的最终试验试样中部的截取试样沿长度方向的前后两侧加工有R20的弧形缺口。

9.根据权利要求1所述的一种石油天然气薄壁小直径管道力学性能试样制备方法，其特征在于，所述加长块的抗拉强度与石油天然气薄壁小直径管道的抗拉强度相差10%以内。

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