CN111015005A - 一种应用热模拟技术确定x100管线钢抗应力腐蚀开裂焊接参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用热模拟技术确定X100管线钢抗应力腐蚀开裂焊接参数的方法，在按照本发明的焊接方法，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X100管线钢在湿硫化氢服役条件下焊接工艺的开发；并且本方法省去了在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，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。

Description

一种应用热模拟技术确定X100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，具体地说，涉及开发X100管线钢焊接接头热影响区抗应力腐蚀开裂的焊接工艺，特别是在X100母材强度大于480MPa不满足通用标准NACESP0472-2010条件下，高效率低成本地完成焊接工艺的开发。

背景技术

石油和天然气是人类社会赖以生存的重要能源，是社会经济发展的重要物质基础。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。低合金高强钢X52、X56、X60、X65、X80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。近年来国民经济的快速发展，对石油、天然气需求量不断增加，使得油气输送管线的发展向着长距离、高压力及大输量输送进行，这就决定管线钢应向高钢级、大直径、大壁厚方向发展。与X80管线钢相比，X100管线钢在满足高强度的同时还具有良好的低温韧性和焊接性，被预测为未来最有可能全面应用的超高性能管线钢。由于升高了管线钢的强度，可以使得在运输量不变的情况下减小管材壁厚，减少了用钢量，从而降低铺设成本，对管道建设和运行具有可观的经济性。因此X100管线钢的管道铺设使用引起了国内外的广泛关注。

目前，管线钢的管道铺设与维护过程都是通过焊接过程来完成。焊接具有效率高、成本低的优势，但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。面对这类问题，近年来发展起来的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，提供一种应用热模拟技术确定X100管线钢抗应力腐蚀开裂焊接参数的方法，进而确认针对X100管线钢及其成分匹配的焊条的手工电弧焊焊接工艺。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种应用热模拟技术确定X100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、沿着X100母材轧制方向加工出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(即模拟热影响区粗晶区)，随后以80℃/S冷却到900℃，将试样分别以t_8/5为5S、10S、15S、20S、25S、30S、40S、50S、60S、80S、100S冷却到室温15-25度；

步骤二、将热模拟后的试样加工成慢拉伸试样，实验用拉伸速率为1*10^-6mm/s，溶液为标准的NACE A溶液，分别记录母材在空气中的断面收缩率Z_c和热模拟后试样在NACE A腐蚀液中的断面收缩率Z_e，通过腐蚀液中的断面收缩率Z_e与母材在空气中的断面收缩率Z_c比值大小来评价不同t_8/5条件下的耐腐蚀性能。即：

RZ为断面收缩率的比值，用来评价材料耐应力腐蚀敏感性，RZ越大，耐腐蚀性能越好，当RZ>0.95时认为材料对应力腐蚀不敏感。由此选择出的几组最优t_8/5。

步骤三、根据标准NACE SP0472-2010中的三维传热公式，计算出焊接热输入Q：

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。

步骤四、将焊接热输入Q带入到下列公式(2)(3)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，从而得到X100管线钢焊接参数。

Q＝IU/V (2)

E＝IUη/V (3)

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。

在上述技术方案中，步骤二中，所述NACE A溶液为质量分数为5％NaCl和0.5％CH₃COOH。

在上述技术方案中，所述F3三维热流形状因子依据下表查询得出：

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X100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，省去了在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。

实施例1

步骤一，母材材料选择：选用国产的X100母材，材料性能和化学成分如下表：

步骤二，试样加工：沿着X100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t_8/5为5S、10S、15S、20S、25S、30S、40S、50S、60S、80S、100S冷却到室温

步骤四，慢拉伸实验：将热模拟后的试样加工成慢拉伸试样，实验用拉伸速率为1*10^-6mm/s，溶液为标准的NACE A溶液，即：质量分数为5％NaCl和0.5％CH₃COOH。并分别记录母材在空气中的断面收缩率Z_c和热模拟后试样在NACE A腐蚀液中的断面收缩率Z_e，通过腐蚀液中的断面收缩率Z_e与母材在空气中的断面收缩率Z_c比值大小来评价不同t_8/5条件下的耐腐蚀性能。即：

RZ为断面收缩率的比值，用来评价材料耐应力腐蚀敏感性，RZ越大，耐腐蚀性能越好，当RZ>0.95时认为材料对应力腐蚀不敏感。由此选择出的几组最优t_8/5。

步骤五，焊接热输入计算：根据标准NACE SP0472-2010中的三维传热公式，计算出选用的t_8/5与焊接热输入的关系：

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。

步骤六，焊接热输入：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，从而得到X100管线钢焊接参数。

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。

步骤七，焊件耐腐蚀性检测：按照优选的焊接参数，采用手工电弧焊进行X100母材焊接，按照标准NACE TM 0177将得到的母材加工成115*15*5mm的试样，进行四点弯曲实验。所有硫化氢应力腐蚀(SSC)试样均用四点弯曲方法加载至母材实际屈服强度的80％，将加载后的试样至于NACE A溶液中，并通入N₂除氧，之后通入硫化氢气体。每周进行溶液PH值测量，确保PH值在4.0以下，浸泡720h后取出，并观察其表面有无开裂。开裂说明对应的焊接参数不合格，反之就是合适的焊接参数，从而得到X100管线钢焊接接头热影响区抗应力腐蚀开裂的焊接工艺。

实施例2

以下实验基于热模拟技术，利用Gleeble3500试验机，X100管线钢手工电弧焊焊接工艺，按照下述步骤进行确定：

Gleeble3500试验机，具有极速降温和升温同时记录温度、力、应力、应变等参数变化曲线，可对金属材料焊接各阶段的工艺与材料性能变化之间的关系进行精确模拟，可以准确的模拟出不同区域不同热输入的焊接组织。采用此设备，将机加工处理后直径为φ10mm母材以不同的参数进行实验，来模拟焊接过程，得到不同冷去速度下的焊接热影响区粗晶区组织。由于X100母材强度远远高于480MPa，不满足标准NACE SP0472-2010对母材的要求，硬度标准也不再适用(强度低于480MPa的钢铁材料可以不经过测试直接应用于酸性湿硫化氢环境中，而焊后对焊接接头性能要求为热影响区硬度HV10不能大于248。)，需要对焊接后的试样进行耐硫化氢应力腐蚀实验，来确定合适的焊接工艺。

采用的母材为X100管线钢，并沿着平行于母材的轧制方向加工出直径为φ10*100mm的棒状试样。

热模拟采用的实验参数为以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℃，不同试样再分别以t_8/5(由800℃冷却到500℃所用时间)为5S、10S、15S、20S、25S、30S、40S、50S、60S、80S、100S冷却到室温。

对模拟后的焊接热影响区粗晶区焊件加工成慢拉伸试样。实验用拉伸速率为1*10^-6mm/s，溶液为标准的NACE A(NACE TM 0177“Test solution A”)溶液，即：质量分数为5％NaCl和0.5％CH₃COOH。并分别记录母材在空气中的断面收缩率Z_c和热模拟后试样在NACEA腐蚀液中的断面收缩率Z_e

通过腐蚀液中的断面收缩率Z_e与母材在空气中的断面收缩率Z_c比值大小来评价不同t_8/5条件下的耐腐蚀性能。

选出最优的几组t_8/5，再根据标准NACE SP0472-2010中的三维传热公式，可以得到与t_8/5对应的焊接热输入，即：

其中t_8/5为温度由800℃冷却到500℃时间，T_p为焊件预热温度，Q为焊接热输入，F₃为三维热流形状因子。

采用手工电弧焊，根据得到的热输入进行X100母材焊接，按照标准NACE TM 0177将得到的母材加工成115*15*5mm的试样，进行四点弯曲实验，来进一步验证焊接件的耐腐蚀性能。

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 (2)

1.一种应用热模拟技术确定X100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、沿着X100母材轧制方向加工出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t_8/5为5S、10S、15S、20S、25S、30S、40S、50S、60S、80S、100S冷却到室温15-25度；

步骤二、将热模拟后的试样加工成慢拉伸试样，实验用拉伸速率为1*10^-6mm/s，溶液为标准的NACE A溶液，分别记录母材在空气中的断面收缩率Z_c和热模拟后试样在NACE A腐蚀液中的断面收缩率Z_e，通过腐蚀液中的断面收缩率Z_e与母材在空气中的断面收缩率Z_c比值大小来评价不同t_8/5条件下的耐腐蚀性能，即：

RZ为断面收缩率的比值，用来评价材料耐应力腐蚀敏感性，RZ越大，耐腐蚀性能越好，当RZ>0.95时认为材料对应力腐蚀不敏感，由此选择出的几组最优t_8/5；

步骤三、根据标准NACE SP0472-2010中的三维传热公式，计算出焊接热输入Q：

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。

步骤四、将焊接热输入Q带入到下列公式(2)(3)中可以得到焊接电流I，电弧电压U与焊接速度V之间的关系，从而得到X100管线钢焊接参数；

Q＝IU/V (2)

E＝IUη/V (3)

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。

2.根据权利要求1所述的一种应用热模拟技术确定X100管线钢抗应力腐蚀开裂焊接参数的方法，其特征在于：步骤二中，所述NACE A溶液为质量分数为5％NaCl和0.5％CH₃COOH。