CN104822480A - 管线管的圆周焊接接头、管线管的圆周焊接接头的形成方法以及管线管 - Google Patents

管线管的圆周焊接接头、管线管的圆周焊接接头的形成方法以及管线管 Download PDF

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Abstract

本发明的管线管的圆周焊接接头是将具有555N/mm2以上的屈服强度(API标准5L基准)的钢管的端部对接，并将对接部沿圆周方向焊接而形成，上述管线管的圆周焊接接头的特征在于，焊接金属的拉伸强度TS－w与母材的拉伸强度TS－b的比率(TS－w/TS－b)和焊接金属的屈服强度YS－w与母材的屈服强度YS－b的比率(YS－w/YS－b)之积所表示的接头强度比率σmatch＝(TS－w/TS－b)·(YS－w/YS－b)以及母材热影响部的延性裂纹产生界限等效塑性应变εp-cri(％)满足(1)式，并且，焊接金属的屈服强度YS－w与母材的屈服强度YS－b满足(2)式。σmatch＞4.85εp-cri -0.31…(1)；YS－w/YS－b≥1.0…(2)。

Description

管线管的圆周焊接接头、管线管的圆周焊接接头的形成方法以及管线管
技术领域
本发明涉及具有555N/mm2以上的屈服强度(美国石油协会标准(API)标准5L基准)的高强度的管线管的圆周焊接接头、管线管的圆周焊接接头的形成方法以及管线管。
背景技术
对于输送天然气或石油的管道所使用的钢管来说，为了通过使操作压力增加来实现输送效率的提高，一直在研究高强度化。另一方面，对于铺设于地震地带、冻土地带的管道来说，存在会因地层变动所引起的外力而产生较大的塑性变形的隐患。在产生了塑性变形的管道中，存在由于延性裂纹(ductile crack)从潜在于圆周焊接部等部分的缺陷产生、发展或是在母材部产生颈缩，而产生延性断裂(ductile fracture)的情况。
以往，在焊接接头的设计中，从防止脆性断裂的观点出发为了防止变形、应变集中在焊接接头部，基本上使焊接金属的屈服强度以及拉伸强度比母材的高(高匹配，overmatching)，要求与母材相比110％至120％左右的高匹配(参照专利文献1的发明的实施方式一栏)。但是，最近，在产生较大的地层变动的地域使用的管道使用具有足够脆性断裂特性的钢，作为断裂形式，延性断裂成为问题。尽管如此，现状为：在选定焊接金属时，与断裂方式无关地采用以与母材屈服强度以及母材拉伸强度之比计为110％以上的高匹配的接头设计。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004－148389号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在作为断裂方式而延性断裂成为问题的情况下，继续适用以往的从防止脆性断裂的观点出发而设计的高匹配的话，恐怕会成为过于安全起见的设计。
另外，以往，在对管线管进行圆周焊接的情况下，一般情况下在铺设管线管的场所通过气体保护金属电弧焊(GMAW)等焊接方法将管线管接合。但是，最近，从目的为削减成本的高效率化的观点出发，存在采用事先在工厂将两根管线管焊接相连后将管线管向铺设的场所搬送的方法的情况。在这样的在工厂进行焊接的情况下，存在不使用气体保护金属电弧焊来进行圆周焊接而是使用能够进行更高效率的焊接的埋弧焊的情况。但是，在使用埋弧焊进行圆周焊接、成为最大40000J/cm的热输入的情况下，要不引起焊接裂纹地对API标准X80级的母材形成与母材屈服强度之比在110％以上的高匹配的焊接接头，较为困难。
本发明为了解决上述的问题点为完成，目的在于提供在将管线管所使用的高强度钢管的端部对接并沿端部进行圆周焊接的情况下能够确保与母材拉伸强度相同的接头强度的管线管的圆周焊接接头、管线管的圆周焊接接头的形成方法以及管线管。
用于解决课题的方法
本发明的管线管的圆周焊接接头将具有555N/mm2以上的屈服强度(API标准5L基准)的钢管的端部对接，并将对接部沿圆周方向焊接而形成，上述管线管的圆周焊接接头的特征在于，焊接金属的拉伸强度TS－w与母材的拉伸强度TS－b的比率(TS－w/TS－b)和焊接金属的屈服强度YS－w与母材的屈服强度YS－b的比率(YS－w/YS－b)之积所表示的接头强度比率σmatch＝(TS－w/TS－b)·(YS－w/YS－b)以及母材热影响部的延性裂纹产生界限等效塑性应变εp-cri(％)满足(1)式，并且，焊接金属的屈服强度YS－w与母材的屈服强度YS－b满足(2)式。
σmatch＞4.85εp-cri -0.31…(1)
YS－w/YS－b≧1.0…(2)
本发明的管线管的圆周焊接接头在上述发明的基础上，其特征在于，通过使用每层焊一道次的层叠方法且每焊一道次的焊接热输入量设为8000J/cm以上的埋弧焊方法形成管线管的圆周焊接接头。
本发明的管线管的圆周焊接接头的形成方法是将具有555N/mm2以上的屈服强度(API标准5L基准)的钢管的端部对接，并将对接部沿圆周方向焊接的管线管的圆周焊接接头的形成方法，上述管线管的圆周焊接接头的形成方法的特征在于，以如下方式选定焊接材料以及焊接条件进行焊接，即，焊接金属的拉伸强度TS－w与母材的拉伸强度TS－b的比率(TS－w/TS－b)和焊接金属的屈服强度YS－w与母材的屈服强度YS－b的比率(YS－w/YS－b)之积所表示的接头强度比率σmatch＝(TS－w/TS－b)·(YS－w/YS－b)以及母材热影响部的延性裂纹产生界限等效塑性应变εp-cri(％)满足(1)式，并且，焊接金属的屈服强度YS－w与母材的屈服强度YS－b满足(2)式。
σmatch＞4.85εp-cri -0.31…(1)
YS－w/YS－b≧1.0…(2)
本发明的管线管的圆周焊接接头的形成方法在上述发明的基础上，其特征在于，通过使用每层焊一道次的层叠方法且每焊一道次的焊接热输入量设为8000J/cm以上的埋弧焊方法进行焊接。
本发明的管线管的特征在于，母材热影响部的延性裂纹产生界限等效塑性应变εp-cri(％)满足(1)式，并具有555N/mm2以上的屈服强度(API标准5L基准)。
σmatch＞4.85εp-cri -0.31…(1)
本发明具有如下效果。
根据本发明，即使在圆周焊接接头部等部分存在缺陷也能够作为圆周焊接接头部整体确保与母材的拉伸强度相同的接头强度，能够提供合理且满足必要的强度的管线管的圆周焊接接头。
附图说明
图1是表示说明本发明的效果的实施例的实验结果的图表。
具体实施方式
在因地层变动引起的外力而产生较大的塑性变形的管道的圆周焊接接头部，即使在圆周焊接接头部等部分存在缺陷，只要能够作为圆周焊接接头部整体确保与母材的拉伸强度相同的接头强度即可。本发明的发明人调查在圆周焊接接头部存在标准所允许的最大缺陷的情况下的接头的延性断裂性能和匹配的关系。其结果，本发明的发明人新发现：在没有脆性断裂的圆周焊接接头部的接头强度具有某种程度以上的针对延性裂纹的产生阻力的情况下，就屈服强度而言无需像以往一样必须为110％以上的高匹配。本发明以该发现为基础。
本发明的一实施方式的管线管的圆周焊接接头是使具有555N/mm2以上的屈服强度(API标准5L基准)的钢管的端部对接并将对接部沿圆周方向焊接而形成的管线管的圆周焊接接头，其特征在于，由焊接金属的拉伸强度TS－w与母材的拉伸强度TS－b的比率(TS－w/TS－b)和焊接金属的屈服强度YS－w与母材的屈服强度YS－b的比率(YS－w/YS－b)之积表示的接头强度比率σmatch＝(TS－w/TS－b)·(YS－w/YS－b)和母材热影响部的延性裂纹产生界限等效塑性应变εp-cri(％)满足(1)式，并且焊接金属的屈服强度YS－w和母材的屈服强度YS－b满足(2)式。
σmatch＞4.85εp-cri -0.31…(1)
YS－w/YS－b≧1.0…(2)
如上所述，以往，就焊接接头的设计而言，从防止脆性断裂的观点出发为了防止变形、应变集中在焊接接头部，基本上是使焊接金属的强度比母材的强度高，选定焊接金属成为其强度与母材的屈服强度以及拉伸强度相比为110％以上的高匹配。但是，在具有555N/mm2以上的屈服强度(API标准5L基准)的钢管具有足够的脆性断裂特性的情况下，焊接接头部不会脆性断裂。对于不会脆性断裂的焊接接头可以看出，若其满足如下则作为焊接接头整体不会断裂，显示出与母材相同的接头强度，即满足：接头强度比率σmatch与母材热影响部的延性裂纹产生界限等效塑性应变εp-cri的关系所表示的(1)式，所述接头强度比率σmatch由焊接金属的拉伸强度与母材的拉伸强度的比率和焊接金属的屈服强度与母材的屈服强度的比率之积表示；以及表示焊接金属的屈服强度为母材的屈服强度以上的(2)式。即，在不会脆性断裂的上述焊接接头中，通过具有满足(1)式的针对延性裂纹的断裂阻力，能够抑制延性裂纹的成长，作为焊接接头整体不会断裂，并且，通过满足(2)式，能够具有与母材相同的接头强度。更优选为，YS－w/YS－b的值在1.05以上。
针对延性裂纹的产生阻力能够通过管道领域中单边缘切口拉伸(SENT)试验来鉴定。关于这一点，也记载于下述论文，下述论文表示能够由SENT试验得到的延性裂纹产生界限等效塑性应变εp-cri预测、评估在实心钢管的焊接部存在缺陷的情况下的延性裂纹的产生。
“TENSILE STRAIN CAPACITY OF X80PIPELINE UNDERTENSILE LOADING WITH INTERNAL PRESSURE”，S.Igi，Proceedings of the 8th International Pipeline Conference，IPC2010-31281
本发明中将由该手法得到的母材热影响部的延性裂纹产生界限等效塑性应变εp-cri作为针对延性裂纹的产生阻力。另外，接头强度比率σmatch规定分别针对屈服应力以及拉伸强度的匹配比率，若将焊接金属的拉伸强度TS－w与母材的拉伸强度TS－b的比率记做(TS－w/TS－b)、将焊接金属的屈服强度YS－w与母材的屈服强度YS－b的比率记做(YS－w/YS－b)，则由(TS－w/TS－b)·(YS－w/YS－b)表示接头强度比率σmatch。
使用具有555N/mm2以上的屈服强度(API标准5L基准)并具有多种母材热影响部的延性裂纹产生界限等效塑性应变εp-cri的钢管，以及使用以焊接金属成为多种匹配的方式设定的焊接材料来形成焊接接头，通过宽板拉伸试验来评估接头强度。在宽板拉伸试验中，在焊接部与母材部的边界引入API标准1104所记载的允许最大缺陷长度25mm(熔合不良等表面缺陷)、以及EPRG(EuropeanPipeline Research Group)指南所记载的允许最大缺陷深度3mm的表面缺陷。
接头强度的评估结果可以看出，上述焊接接头即使存在标准允许的最大的表面缺陷，只要满足：接头强度比率σmatch与母材热影响部的延性裂纹产生界限等效塑性应变εp-cri的关系所表示的上述(1)式，所述接头强度比率σmatch由焊接接头的拉伸强度与母材的拉伸强度的比率和焊接金属的屈服强度与母材的屈服强度的比率之积表示；以及表示焊接金属的屈服强度为母材的屈服强度以上的上述(2)式，则作为焊接接头整体就不会断裂，显示出与母材的拉伸强度相同的接头强度。
即使在因地层变动引起的外力而产生较大的塑性变形的情况下，也由于上述焊接接头显示出与母材相同的拉伸强度以及伸展特性，而能够不要求对于焊接金属的屈服强度的过度高匹配地进行合理的接头设计。另外，钢板的板厚没有特别地限定，本发明例如优选适用于板厚超过0.5inch(12.3mm)的高强度钢管。之所以这样是因为，若板厚变薄，则最大允许缺陷深度3mm对于板厚来说变得相对较大而存在脆性断裂的可能性。
      实施例
以下，进行确认本发明的效果的实验，所以对此进行说明。实施例的条件是为了确认本发明的实施可能性以及效果而采用的一个条件例，本发明并不限定于该一个条件例。只要不超出本发明的主旨且达成本发明的目的，本发明可以采用多种条件或者条件的组合。
准备钢种：API标准5LX80级、板厚：23.7至38.0mm的钢管，由表1以及图1表示通过使用每层焊一道次的层叠方法且每焊一道次的焊接热输入量设在8000J/cm以上的管线管的圆周埋弧焊(双联焊)制作的焊接接头部的最大拉伸强度与母材的拉伸强度进行比较的结果。
【表1】
(表1)
      
焊接接头的最大拉伸强度通过包含焊接接头部的宽板拉伸试验体的拉伸试验而求出。宽板拉伸试验尺寸为宽300mm、平行部长度1350mm以及保留原始厚度。另外，焊接接头的最大拉伸强度为，依照根据标记点间900mm(宽3倍)的拉伸方向位移而计算的拉伸应变以及拉伸载荷与根据初始截面积计算的应力的关系，应力显示出最大点的值。
表1中的εp-cri是对象母材的热影响部延性裂纹产生界限等效塑性应变，通过与非专利文献1记载的方法相同的手法测定。另外，母材以及焊接金属的屈服强度以及拉伸强度遵从美国材料试验协会(ASTM)标准A370而测定。
在图1中，纵轴表示接头强度比率σmatch，横轴表示延性裂纹产生界限等效塑性应变εp-cri。图1的曲线由下式(3)表示。
σmatch＝4.85εp-cri -0.31…(3)
因此，比图1的曲线靠上方的范围成为满足(1)式的范围。图1中，标绘了发明例(No.1至4)以及比较例(No.5至7)的接头强度比率σmatch的值，○记号为发明例(No.1至4)，×记号为比较例(No.5至7)。如图1所示，发明例(No.1至4)的接头强度比率σmatch全部在曲线的上方，比较例(No.5至7)的接头强度比率σmatch全部在曲线的下侧。即，发明例(No.1至4)全部满足(1)式，相反地比较例(No.5至7)不满足(1)式。另外，从表1可以看出，发明例(No.1至4)以及比较例(No.5至7)都满足(2)式。
如表1所示，满足(1)式以及(2)式的发明例(No.1至4)中，焊接接头部的最大拉伸强度σmax-J与母材的最大拉伸强度σmax-B的比率σmax-J/σmax-B为1.0，焊接接头部的最大拉伸强度具有与母材的最大拉伸强度相同的性能。而且，发明例(No.1至4)中，虽然在与母材拉伸强度的比较方面成为110至120％左右的高匹配，但在与母材屈服强度的比较方面成为108％以下的高匹配。与此相对地，比较例(No.5至7)不满足(1)式，焊接接头部在充分变形前断裂，焊接接头部的最大拉伸强度变为母材的最大拉伸强度的80％以下。尤其是比较例(No.6)，虽然屈服强度以及拉伸强度都达成110％以上的高匹配，但由于针对延性裂纹的阻力较低因此不能显示出足够的接头强度。
如上所述，就本发明例的焊接接头而言，焊接接头部的最大拉伸强度具有与母材的最大拉伸强度相同的性能，且在与母材屈服强度的比较方面为108％以下的高匹配，被证实为合理且具有足够的强度的焊接接头。在上述的实施例中，虽然对板厚12.3mm以上的钢管确认了本发明的有效性，但这不意味着本发明对板厚进行限定。
产业上的可利用性
根据本发明，即使在圆周焊接接头部等存在缺陷，作为圆周焊接接头部整体也能够确保与母材的拉伸强度相同的接头强度，能够提供合理的且满足必要的强度的管线管的圆周焊接接头。

Claims (5)

1.一种管线管的圆周焊接接头，其将具有555N/mm2以上的屈服强度的钢管的端部对接，并将对接部沿圆周方向焊接而形成，所述屈服强度基于API标准5L基准，所述管线管的圆周焊接接头的特征在于，
焊接金属的拉伸强度TS－w与母材的拉伸强度TS－b的比率(TS－w/TS－b)和焊接金属的屈服强度YS－w与母材的屈服强度YS－b的比率(YS－w/YS－b)之积所表示的接头强度比率σmatch＝(TS－w/TS－b)·(YS－w/YS－b)以及母材热影响部的延性裂纹产生界限等效塑性应变εp-cri(％)满足(1)式，并且，焊接金属的屈服强度YS－w与母材的屈服强度YS－b满足(2)式，
σmatch＞4.85εp-cri -0.31…(1)
YS－w/YS－b≧1.0…(2)。
2.根据权利要求1所述的管线管的圆周焊接接头，其特征在于，
通过使用每层焊一道次的层叠方法且每焊一道次的焊接热输入量设为8000J/cm以上的埋弧焊方法形成所述管线管的圆周焊接接头。
3.一种管线管的圆周焊接接头的形成方法，该管线管的圆周焊接接头的形成方法是将具有555N/mm2以上的屈服强度的钢管的端部对接，并将对接部沿圆周方向焊接，所述屈服强度基于API标准5L基准，所述管线管的圆周焊接接头的形成方法的特征在于，
以如下方式选定焊接材料以及焊接条件进行焊接，即，焊接金属的拉伸强度TS－w与母材的拉伸强度TS－b的比率(TS－w/TS－b)和焊接金属的屈服强度YS－w与母材的屈服强度YS－b的比率(YS－w/YS－b)之积所表示的接头强度比率σmatch＝(TS－w/TS－b)·(YS－w/YS－b)以及母材热影响部的延性裂纹产生界限等效塑性应变εp-cri(％)满足(1)式，并且，焊接金属的屈服强度YS－w与母材的屈服强度YS－b满足(2)式，
σmatch＞4.85εp-cri -0.31…(1)
YS－w/YS－b≧1.0…(2)。
4.根据权利要求3所述的管线管的圆周焊接接头的形成方法，其特征在于，
通过使用每层焊一道次的层叠方法且每焊一道次的焊接热输入量设为8000J/cm以上的埋弧焊方法进行焊接。
5.一种管线管，其特征在于，
母材热影响部的延性裂纹产生界限等效塑性应变εp-cri(％)满足(1)式，并具有555N/mm2以上的屈服强度，该屈服强度基于API标准5L基准，
σmatch＞4.85εp-cri -0.31…(1)。
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