CN111014906A - 一种应用热模拟技术确定x65管线钢抗应力腐蚀开裂焊接参数的方法 - Google Patents

一种应用热模拟技术确定x65管线钢抗应力腐蚀开裂焊接参数的方法 Download PDF

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王睿哲
徐连勇
赵雷
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Abstract

本发明公开了一种应用热模拟技术确定X65管线钢抗应力腐蚀开裂焊接参数的方法，本方法测定X65管线钢的焊接热输入和硬度后，参照标准NACE SP0472‑2010判断热模拟后的试样硬度与经验硬度数值HV248之间的关系以选择相应的焊接工艺；依据焊接热输入选择合适的焊接热输入，并以焊接电流I，电弧电压U与焊接速度V之间的数值关系，指导X65管线钢抗应力腐蚀开裂的焊接。

Description

一种应用热模拟技术确定X65管线钢抗应力腐蚀开裂焊接参 数的方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种应用热模拟技术确定X65管线钢抗应力腐蚀开裂焊接参数的方法。
背景技术
石油和天然气是人类社会赖以生存的重要能源，是社会经济发展的最要物质基础。管线运输石油和天然气是最经济、高效、安全和环保的运输方式。我国管道建设开始于1949年。20世纪60年代至80年代期间，大庆油田和四川气田为代表的油、汽田的开发，使得我国的管道工业得到较快发展。近年来国民经济的快速发展，对石油、天然气需求量又不断增加，而我国陆地石油资源在经过数十年的开采后，资源日益枯竭，原油开采量逐年减少，油田产能快速递减。同时，已探明我国海洋油气资源非常丰富，按第三次油气资源评审结果我国海洋石油资源量为246亿吨，天然气资源量为19.75万亿立方米。在这种背景下，开发海洋油气资源在当今能源紧张的形势下势在必行。
目前，低合金高强钢X65以其良好的力学性能、高的运输效率和相对较低的运输成本在我国管线运输业得到广泛应用。焊接具有效率高、成本低的优势，管线钢的管道铺设与维护过程都是通过焊接过程来完成，焊接过程由于热量的输入难以避免的会导致焊件性能的恶化，尤其是焊接接头热影响区粗晶区的性能会严重恶化，直接影响到焊件的使用寿命。并且运输石油和天然气的管道中会含大量有硫化氢和氯离子，在湿硫化氢环境中管道容易发生氢致开裂(HIC)和硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)。
氢致开裂是一种常见的氢损伤，即在没有外应力的情况下出现微裂纹的萌生与扩展，导致管道开裂。硫化物应力腐蚀开裂是由于扩散氢进入到材料中的缺陷位置处引起氢脆，导致管道失效。因此焊接接头的质量将直接影响到整个管线的安全，焊接参数选择不当，容易导致焊接接头热影响区在服役一段时间后出现开裂。除此之外，海洋环境中施工困难，管道一旦出现泄露将会难以维护和修补，会造成很大的环境污染和经济损失，所以选择适当的焊接参数至关重要。目前，焊接热模拟技术可以用来研究焊接热影响区的各种性能，为焊接工程选用最佳的焊接工艺，以保证焊接热影响区性能提供可靠依据和试验手段。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种X65管线钢焊接热影响区抗应力腐蚀开裂的焊接方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种应用热模拟技术确定X65管线钢抗应力腐蚀开裂焊接参数的方法，按照下列步骤进行：
步骤一、沿X65母材轧制方向加工φ10*100mm的圆棒状试样，在中心点焊上热电偶丝，用130℃/S加热到1350℃，保温1S，随后以80℃/S冷却到900℃，将试样分别以t8/5为5S、10S、15S、20S、25S、30S、40S、50S、60S、80S、100S冷却到室温15-25度；
步骤二、将热模拟后的试样在中间位置切开，打磨抛光后测量其硬度，测试条件为Hv10并保载10S；
步骤三、根据标准NACESP0472-2010中的三维传热公式(1)，计算得到焊接热输入Q；
Figure BDA0001823264590000021
其中t8/5为温度由800℃冷却到500℃时间(s)，Tp为焊件预热温度(℃)，Q为焊接热输入(kJ/mm)，F3为三维热流形状因子；
步骤四、将焊接热输入Q带入到下列公式(2)(3)中作为E得到焊接电流I，电弧电压U与焊接速度V之间的关系，
Q＝IU/V (2)
E＝IUη/V (3)
其中I为焊接电流(A)；U为电弧电压(V)；V为焊接速度(mm/s)；η为焊接热效率系数；
步骤五、参照标准NACESP0472-2010判断热模拟后的试样硬度与经验硬度数值HV248之间的关系以选择相应的焊接工艺；依据焊接热输入选择合适的焊接热输入，并以焊接电流I，电弧电压U与焊接速度V之间的数值关系，指导X65管线钢抗应力腐蚀开裂的焊接。
在上述技术方案中，在步骤一中，所述加热及冷却过程采用Gleeble3500试验机进行，并同时记录温度、力、应力、应变等参数。
在上述技术方案中，在步骤二中，所述打磨抛光如下所述：首先选用240、400、600、800、1000、1200、1500、2000目砂纸进行粗磨，之后在抛光机上进行抛光。
在上述技术方案中，在步骤二中，所述硬度采用维氏硬度计根据GB/T4340.1-2009和ASTME92-2017标准试验方法进行测量。
在上述技术方案中，在步骤三中，所述F3三维热流形状因子依据下表查询得出：
Figure BDA0001823264590000031
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：(1)在本发明的焊接方法中，可以快速选取合适的焊接线热量，具有各阶段参数严格合理控制，流程规范，减少时间成本与经济成本，从而综合提高X65管线钢在湿硫化氢服役条件下焊接工艺的开发。(2)在本发明的焊接方法中，省去了用实际焊接过程中对焊接母材的焊前预热处理和对焊缝的焊后热处理。这样，在保证焊接质量的情况下，简化了焊接操作步骤，提高了焊接工作效率。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
步骤一，母材材料选择：选用国产的X65母材，强度为455MPa，化学成分如下表。
Figure BDA0001823264590000032
Figure BDA0001823264590000041
步骤二，试样加工：沿着X65母材轧制方向加工出φ10*100mm的圆棒状试样，用于热模拟使用。
步骤三，热模拟实验：取φ10*100mm的圆棒，在中心点焊上热电偶丝用于检测温度与时间的关系。用130℃/S加热到1350℃，保温1S(即模拟热影响区粗晶区)，随后以80℃/S冷却到900℃，将不同试样再分别以t8/5为5S、10S、15S、20S、25S、30S、40S、50S、60S、80S、100S冷却到室温
步骤四，硬度测量：将热模拟后的试样在中间位置切开(保证为粗晶区)，选用240、400、600、800、1000、1200、1500、2000目砂纸进行粗磨，之后在抛光机上进行抛光。对抛光后的试样用维氏硬度计进行硬度测量，测试条件为Hv10并保载10S，记录下不同热模拟条件下样品的硬度值。不同热模拟条件下样品硬度值见下表。
Figure BDA0001823264590000042
步骤五，焊接热输入计算：根据标准NACESP0472-2010中的三维传热公式，计算出t8/5与焊接热输入的关系：
Figure BDA0001823264590000043
其中t8/5为温度由800℃冷却到500℃时间，Tp为焊件预热温度，Q为焊接热输入，F3为三维热流形状因子，通过查表取F3＝0.9，计算可得下表对应关系。
Figure BDA0001823264590000044
步骤六，焊接热输入：根据标准NACESP0472-2010知：焊接热影响区硬度应该不超过HV248，可以将硬度值大于Hv248对应的焊接工艺排除。根据下表现场焊接时电源热输入来选取合适的焊接热输入。
Figure BDA0001823264590000051
按照上述步骤把得到的焊接热输入带入到下列公式中就可以得到焊接电流(I)，电弧电压(U)与焊接速度(V)之间的关系，从而高效得到一种X65管线钢焊接接头热影响区在酸性条件下抗应力腐蚀开裂的焊接方法。
E＝IUη/V
其中I为焊接电流；U为电弧电压；V为焊接速度；η为焊接热效率系数。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种应用热模拟技术确定X65管线钢抗应力腐蚀开裂焊接参数的方法，其特征在于：按照下列步骤进行：
步骤一、沿X65母材轧制方向加工φ10*100mm的圆棒状试样，在中心点焊上热电偶丝，用130℃/S加热到1350℃，保温1S，随后以80℃/S冷却到900℃，将试样分别以t8/5为5S、10S、15S、20S、25S、30S、40S、50S、60S、80S、100S冷却到室温15-25度；
步骤二、将热模拟后的试样在中间位置切开，打磨抛光后测量其硬度，测试条件为Hv10并保载10S；
步骤三、根据标准NACE SP0472-2010中的三维传热公式(1)，计算得到焊接热输入Q；
Figure FDA0001823264580000011
其中t8/5为温度由800℃冷却到500℃时间(s)，Tp为焊件预热温度(℃)，Q为焊接热输入(kJ/mm)，F3为三维热流形状因子；
步骤四、将焊接热输入Q带入到下列公式(2)(3)中得到焊接电流I，电弧电压U与焊接速度V之间的关系，
Q＝IU/V (2)
E＝IUη/V (3)
其中I为焊接电流(A)；U为电弧电压(V)；V为焊接速度(mm/s)；η为焊接热效率系数；
步骤五、参照标准NACE SP0472-2010判断热模拟后的试样硬度与经验硬度数值HV248之间的关系以选择相应的焊接工艺；依据焊接热输入选择合适的焊接热输入，并以焊接电流I，电弧电压U与焊接速度V之间的数值关系，指导X65管线钢抗应力腐蚀开裂的焊接。
2.根据权利要求1所述的一种应用热模拟技术确定X65管线钢抗应力腐蚀开裂焊接参数的方法，其特征在于：在步骤二中，所述打磨抛光如下所述：首先选用240、400、600、800、1000、1200、1500、2000目砂纸进行粗磨，之后在抛光机上进行抛光。
3.根据权利要求1所述的一种应用热模拟技术确定X65管线钢抗应力腐蚀开裂焊接参数的方法，其特征在于：在步骤二中，所述硬度采用维氏硬度计根据GB/T4340.1-2009和ASTM E92-2017标准试验方法进行测量。
4.根据权利要求1所述的一种应用热模拟技术确定X65管线钢抗应力腐蚀开裂焊接参数的方法，其特征在于：在步骤一中，所述加热及冷却过程采用Gleeble3500试验机进行，并同时记录温度、力、应力、应变的参数。
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